Design of regenerative supply networks

The strategy of environmental impact minimisation has not been effective enough to revert the damage caused to the environment by production systems; a shift is needed towards promoting environmental benefits. These production systems must also cope with disturbances, while ensuring that their function is fulfilled - a capability known as Resilience - to deploy environmental benefits in the long term. Initiatives in the field of Supply Network Design - a specific type of production system - have focused on improving eco-efficiency, proposing eco-effective networks, or enhancing their Resilience. However, it could not be found in the literature any initiative that merge these three approaches, with a focus on environmental regeneration. This thesis aims to contribute in this direction, proposing a procedure to design supply networks that regenerate the environment as it simultaneously fulfil its function. This procedure is approached as an artefact, and Design Science Research Methodology (DSRM) is used for its development. The scientific progress of Sustainable Design (SD) in the context of Operations Management (OM) is mapped through a holistic literature review, based in the ProKnow-C - a methodology to perform bibliometrics and systemic analysis. The Regenerative Supply Network is characterised through the concepts of transdisciplinarity, eco-effectiveness, eco-efficiency and resilience. A definition for the RSND process is proposed, and the RSND procedure is designed, consisting of four stages: (i) description of the network surroundings and identification of a regenerative purpose; (ii) redesign of outputs, inputs and transformation processes; (iii) system conceptualisation, where interactions are depicted using the SocioTechnical and the Socio-Ecological System views, and resilience principles are addressed. (iv), the network environmental and economic performance are optimised, and resilience is quantitatively checked using the Ecosystem Network Analysis. The activities of Demonstration and Evaluation are described in Chapter Four, where the RSND procedure is used to design a household waste management network which regenerates the environment. The regenerative purpose was identified after scrutiny of the Norte Pioneiro region. Twenty-three sites degraded from improper waste disposal were identified; the primary purpose of the waste management network is to regenerate these sites into solar farms, recreational parks or reforested areas. Inputs are identified and outputs are redefined, according to waste recovery options of recyclables sorting, aerobic composting, anaerobic digestion and gasification. Two models were developed: first, a system dynamics model to forecast waste generation, disposal and collection for a 21-year period (2018-2038). Second, a Multi-Scenario, Multi-Period, Multi-Objective, Mixed Integer Linear Programming (MS-MP-MO-MILP) model was developed to solve the capacitated facility location-allocation problem, producing network configurations through two optimisation strategies: maximisation of profit and maximisation of net greenhouse gas (GHG) savings. Economic, environmental and social performance of the solutions obtained for each of the four scenarios are presented and discussed. The main contribution of this research is to show the potential of supply networks to contribute with the regeneration of ecosystems inthe long term, with a sustainable performance in the three dimensions. Limitations and future research are also presented.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A estratégia de minimização de impactos ambientais não tem sido efetiva suficiente para reverter os danos causados ao meio ambiente por sistemas de produção. É necessário ir além, maximizando os benefícios e engajando-se ativamente na regeneração de ecossistemas degradados. Estes sistemas de produção também devem ser capazes de se adaptar a distúrbios, garantindo o cumprimento da sua função - habilidade denominada de Resiliência - e a manutenção destes benefícios ambientais no longo prazo. Iniciativas voltadas para o projeto de redes de fornecimento - um tipo específico de sistemas de produção - tem focado em melhorar sua eco eficiência, propor definições mais eco-efetivas para estas redes, ou melhorar sua Resiliência. No entanto, nenhuma iniciativa que conjugue estas três abordagens, com enfoque em regeneração ambiental, pode ser encontrada na literatura. Esta tese tem como objetivo contribuir nesta direção, propondo um procedimento para a realização de projeto de redes de fornecimento que promovam a regeneração do meio ambiente enquanto cumprem sua função operacional. Este procedimento foi elaborado utilizando a metodologia de Design Science Research (DSRM). O progresso científico do Projeto Sustentável no contexto da Gestão de Operações foi mapeado em uma revisão de literatura realizada utilizando-se a metodologia ProKnow-C. A Rede de Fornecimento Regenerativa é caracterizada, e o processo de Projeto de Redes de Fornecimento Regenerativas (PRFR) é definido a partir dos conceitos de Redes de Fornecimento Sustentáveis, Projeto de Cadeias de Fornecimento, Abordagem Sistêmica e Projeto Regenerativo. O procedimento PRFR é definido em quatro etapas: (i) descrever os entornos da rede e identificar um propósito regenerativo; (ii) reprojetar as saídas, entradas e processos de transformação; (iii) executar o projeto conceitual do sistema, onde as interações são decompostas, e princípios de resiliência são adotados. No quarto estágio, o desempenho da rede é otimizado, e a resiliência é quantificada e verificada por meio do Ecosystem Network Analysis. O procedimento PRFR é utilizado para projetar uma rede de gestão de resíduos domésticos, cuja função de dar disposição aos resíduos é cumprida, enquanto o meio ambiente é regenerado. O propósito de regeneração é identificado após escrutínio da região do Norte Pioneiro, Paraná. Vinte e três áreas degradadas por descarte inadequado de resíduos foram identificadas; o propósito regenerativo da rede é recuperar estas áreas. Entradas são identificadas e saídas redefinidas, de acordo com os processos de recuperação: seleção, compostagem aeróbica, digestão anaeróbica e gaseificação. Um modelo de sistema dinâmico que prevê o volume de resíduos gerados, descartados e coletados para um período de vinte e um anos (2018-2038) e um modelo de programação linear multi-cenário, multi-período, multiobjetivo, inteira mista (MC-MP-MO-PLIM) foram desenvolvidos, produzindo configurações para a rede por meio da maximização do lucro e da economia líquida na emissão de gases de efeito estufa. Os desempenhos econômico, ambiental e social das soluções obtidas para os quatro cenários são apresentados e discutidos. A principal contribuição desta pesquisa é demonstrar o potencial que redes de fornecimento possuem de regenerar ecossistemas no longoprazo, apresentando um desempenho sustentável nas dimensões econômica, ambiental e social. Limitações e pesquisas futuras também são apresentadas