Ekonomično i održivo korištenje poljoprivrednih ostataka i industrijskih nusproizvoda za proizvodnju bioplina

The European Commission is aiming for a resource-efficient, competitive, and low-carbon economy by 2050. Core of this vision is the circular bioeconomy, integrating both bioeconomy and circular economy principles. It seeks to achieve sustainability by minimizing waste, maximizing resource efficiency, and promoting the use of renewable biological resources throughout their entire lifecycle. Biogas production via anaerobic digestion technology provides numerous benefits as it not only recovers a portion of the energy stored in biomass but also aligns with the goals of the circular bioeconomy. However, concerns about biogas production from feed and food crops raise the need for utilisation of novel biogas feedstocks that does not compete with other uses, such as agricultural residues and industrial by-products. The main objective of this doctoral thesis is to prove the value of the use of a graph theory approach in modelling a residual biomass supply network, for different types of case study areas, which is economically feasible, but also meet sustainability and greenhouse gas emissions saving criteria. For this purpose, the novel approach for the assessment of seasonality of technical potential of agricultural residues and industrial by-products for biogas production was developed, constraints for which different types of industrial by-products and agricultural residues meet sustainable and greenhouse gas emissions saving criteria were defined and the mathematical model for residual biomass supply network modelling from sustainability, greenhouse gas emissions savings and economic point of view was developed. The hypothesis of this research is that an economically feasible residual biomass supply network for biogas production, that meets sustainability and greenhouse gas emissions saving criteria, could be determined with a graph theory approach. This doctoral thesis draws from five papers published in CC journals, with three in Q1 journals, one in a Q2 journal, and one in a Q3 journal. The results presented validate the proposed hypothesis. Innovative Geographic Information System (GIS) methodologies were introduced, incorporating the seasonality of residual biomass generation into GIS mapping. These results underline the importance of considering seasonal variations when assessing potential. An analysis was conducted on greenhouse gas emissions, specific emission savings, and sustainability requirements for biogas production using agricultural residues, municipal bio-waste, and industrial by-products as feedstock. This method was grounded in Directive 2018/2001. Based on the calculations, a maximum travel distance for the considered feedstocks was defined, highlighting the substantial influence of transportation emissions on biogas production's ability to achieve necessary emission reductions. Finally, a novel multi-period P-graph-based model for optimizing biomass supply networks was developed, advancing the integration of environmental constraints into the Process Network Synthesis (PNS) network. The optimization objective embedded within the mathematical model is to minimize the biomass supply network's costs while meeting greenhouse gas emission reduction targets and maximizing the utilization of seasonally available biomass. The model presents a comprehensive overview of GHG emissions at each stage of biogas production, compared to threshold values.Europska komisija teži ekonomiji koja će do 2050. biti učinkovita u korištenju resursa, konkurentna i niskougljična. U središtu ove vizije je cirkularna bioekonomija koja integrira načela bioekonomije i cirkularne ekonomije. Cilj joj je postići održivost smanjenjem otpada, maksimiziranjem učinkovitosti korištenja resursa i promicanjem korištenja obnovljivih bioloških resursa kroz cijeli njihov životni ciklus. Proizvodnja bioplina putem tehnologije anaerobne digestije nudi brojne prednosti s obzirom na to da ne samo da oporabljuje dio energije pohranjene u biomasi, već je i u skladu s ciljevima cirkularne bioekonomije. Međutim, zabrinutosti zbog proizvodnje bioplina iz stočne hrane i prehrambenih usjeva potiču potrebu za korištenjem novih vrsta sirovina za proizvodnju bioplina koje ne konkuriraju drugim primjenama, kao što su poljoprivredni ostaci i industrijski nusproizvodi. Glavni cilj ove doktorske disertacije je dokazati vrijednost korištenja pristupa teorije grafova u modeliranju opskrbne mreža otpadnom biomasom za različite tipove područja interesa, koja je ekonomski isplativa, ali također zadovoljava kriterije održivosti i smanjenja emisije stakleničkih plinova. U tu svrhu razvijen je novi pristup za procjenu sezonalnosti tehničkog potencijala poljoprivrednih ostataka i industrijskih nusproizvoda za proizvodnju bioplina, definirana su ograničenja za koja različite vrste industrijskih nusproizvoda i poljoprivrednih ostataka zadovoljavaju kriterije održivosti i smanjenja emisije stakleničkih plinova te je razvijen matematički model za modeliranje mreže opskrbe otpadnom biomasom s aspekta održivosti, ušteda u emisijama stakleničkih plinova i ekonomike. Hipoteza ovog istraživanja je da se ekonomski isplativa mreža opskrbe otpadnom biomasom za proizvodnju bioplina, koja zadovoljava kriterije održivosti i smanjenja emisije stakleničkih plinova, može odrediti pomoću pristupa teorije grafova. Ova doktorska disertacija temelji se na pet radova objavljenih u CC časopisima, od kojih su tri u Q1 časopisima, jedan u Q2 časopisu i jedan u Q3 časopisu. Rezultati prikazani u ovoj doktorskoj disertaciji potvrđuju predloženu hipotezu. Inovativne metode bazirane na Geografskom informacijskom sustavu (GIS), koje integriraju sezonalnost generiranja otpadne biomase u postupak GIS mapiranja potencijala biomase su predstavljene. Dobiveni rezultati ističu važnost uzimanja u obzir sezonskih varijacija prilikom procjene potencijala. Provedena je analiza emisija stakleničkih plinova, specifičnih ušteda emisija i zahtjeva vezanih uz održivost proizvodnje bioplina temeljene na korištenju poljoprivrednih ostatke, komunalnog biootpada i industrijskih nusproizvode kao sirovina. Ova metoda bazira se na Direktivi 2018/2001. Na temelju izračuna, određena je maksimalna transportna udaljenost za razmatrane sirovine, pri čemu se ističe velik utjecaj koji emisije generirane transportom sirovina imaju na sposobnost bioplinske proizvodnje da ostvari potrebna smanjenja emisija. Konačno, razvijen je novi više-periodni P-graf model za optimizaciju mreža opskrbe biomasom, unapređujući integraciju okolišnih ograničenja u mrežu za sintezu procesa (PNS). Optimizacijski cilj integriran u matematički model je minimizirati troškove mreže opskrbe biomasom, pri čemu se ispunjavaju postavljeni ciljevi smanjenja emisija stakleničkih plinova i maksimizira iskorištavanje sezonski dostupne biomase. Model pruža sveobuhvatan pregled emisija stakleničkih emisija generiranih u svakoj fazi proizvodnje te usporedne granične vrijednosti