Decision support strategies for the efficient implementation of circular economy principles in process systems

Abstract

Economic growth at any expense is no longer an option. Awareness of the growing human footprint is crucial to face the problems that the impoverishment of ecosystems is causing and will cause in the future. One of the key challenges to address it is moving toward approaches to manage resources in a more sustainable way. In this light, circular economy stands as a promising strategy to improve the lifetime of resources by closing material and energy loops. The Process Systems Engineering (PSE) community has been developing methods and tools for increasing efficiency in process systems since the late 1980s. These methods and tools allow the development of more sustainable products, processes, and supply chains. However, applying these tools to circular economy requires special considerations when evaluating the introduction of waste-to-resource technologies. This Thesis aims at providing a set of models and tools to support in the decision-making process of closing material cycles in process systems through the implementation of waste-to-resource technologies from the circular economy perspective. The first part provides an overview of approaches to sustainability, presents the optimization challenges that circular economy and industrial symbiosis pose to PSE, and introduces the methodological and industrial scope of the Thesis. Part two aims at assessing the environmental and economic reward that may be attained through the application of circular economy principles in the chemical industry. With this purpose, a systematic procedure based on Life Cycle Assessment (LCA), economic performance and Technology Readiness Level (TRL) is proposed to characterize technologies and facilitate the comparison of traditional and novel technologies. The third part describes groundwork tasks for optimization models. A methodology is presented for the systematic generation of a list of potential waste-to-resource technologies based on an ontological framework to structure the information. In addition, this part also presents a targeting approach developed to include waste transformation and resource outsourcing, so a new dimension of potential destinations for waste are explored for the extension of material recovery. Finally, part four includes the development of decision-making models at the strategic and tactical hierarchical levels. At the network level, a framework is presented for the screening of waste-to-resource technologies in the design of process networks. The most promising processing network for waste recovery is identified by selecting the most favorable waste transformation processes among a list of potential alternatives. After the network selection, an optimization model is built for the detailed synthesis of individual processes selected in the resulting network. The developed methodologies have been validated and illustrated through their application to a case study under different viewpoints in the process industry, in particular to the chemical recycling of plastic waste. Despite the low Technology Readiness Level of some chemical recycling technologies, the results of this Thesis reveal pyrolysis as a promising technology to close the loop in the polymer sector. Overall, all these positive outcomes prove the advantages of developing tools to systematically integrate waste-to-resource processes into the life cycle of materials. The adaptation to this change of perspective of the well-established methods developed by the PSE community offers a wide range of opportunities to foster circular economy and industrial symbiosis. This Thesis aims to be a step forward towards a future with more economically efficient and environmentally friendly life cycles of materials.

El crecimiento económico a cualquier precio ha dejado de ser una opción viable. Tener conciencia sobre nuestra creciente huella ambiental es clave para afrontar los problemas que el empobrecimiento de los ecosistemas está causando y causará en el futuro. Uno de los desafíos clave para abordarlo es avanzar hacia técnicas que permitan una gestión de recursos más sostenible. En esta línea, la economía circular es una estrategia con gran potencial para mejorar la vida útil de los recursos mediante el cierre de ciclos de materiales y energía. Desde finales de los años ochenta, la investigación en Ingeniería de Procesos y Sistemas (PSE) ha permitido generar métodos y herramientas para el desarrollo sostenible de productos, procesos y cadenas de suministro. Sin embargo, su aplicación en economía circular requiere consideraciones especiales al evaluar la introducción de nuevas tecnologías para el reciclaje de materiales. Esta Tesis tiene como objetivo proporcionar un conjunto de modelos y herramientas para apoyar el proceso de toma de decisiones sobre el aprovechamiento de materiales a través de la lente de la economía circular mediante la implementación de tecnologías de conversión de residuos en recursos. La primera parte presenta una visión general de los enfoques de sostenibilidad, lista los desafíos que la economía circular y la simbiosis industrial plantean en PSE, e introduce el alcance metodológico e industrial de la Tesis. La segunda parte tiene como objetivo evaluar los beneficios ambientales y económicos que se pueden obtener mediante la aplicación de los principios de la economía circular en la industria química. Con este propósito, se desarrolla un método sistemático basado en el análisis del ciclo de vida, el rendimiento económico y el nivel de madurez tecnológica para caracterizar las tecnologías de recuperación y facilitar la comparación entre técnicas tradicionales y en desarrollo. La tercera parte describe las tareas previas al desarrollo de los modelos de optimización. Se presenta una metodología para la generación sistemática de una lista de posibles tecnologías de conversión de residuos en recursos utilizando en un marco ontológico para estructurar la información. Además, se expone un método para acotar la transformación de residuos y la externalización de recursos, que permite explorar una nueva dimensión de destinos potenciales para los residuos, extendiendo así el grado de recuperación de materiales. Por último, la cuarta parte incluye el desarrollo de modelos de toma de decisiones a nivel estratégico y táctico. A nivel estratégico, se presenta un marco para la detección de tecnologías de reciclaje de residuos en el diseño de redes de procesos. Tras sintetizar la red, a nivel táctico se construye un modelo de optimización para el diseño detallado de los procesos individuales seleccionados en el mismo. Las metodologías desarrolladas han sido ilustradas y validadas a través de su aplicación en un caso de estudio con diferentes perspectivas sobre el reciclaje químico de residuos plásticos. A pesar del bajo nivel de madurez tecnológica de los procesos de reciclaje químico, los resultados de esta Tesis permiten identificar el gran potencial económico y ambiental de la pirolisis de residuos plásticos para cerrar su ciclo de materiales. En conjunto, los resultados demuestran las ventajas de desarrollar herramientas para integrar sistemáticamente los procesos de reciclaje de residuos en el ciclo de vida de los materiales. La adaptación a las necesidades de este cambio de perspectiva de métodos bien establecidos en la comunidad PSE ofrece grandes oportunidades para fomentar la economía circular y la simbiosis industrial. Esta tesis pretende ser un paso adelante hacia un futuro con ciclos de vida de materiales económica y ambientalmente más eficientes.