Minimising Emission Footprints in Circular Economy by Process Integration
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato práce prezentuje metodologii snižování emisních stop v souvislosti s přechodem na obhovou ekonomiku aplikováním integrace procesů při analýze a projektování při zohlednní výzev, které ztěžují praktické aplikace. Udržitelnost životního prostředí se vyznačuje snahou o snižování emisí a zlepšení hospodaření s odpady a hraje rozhodující roli při přechodu na obhovou ekonomiku. Byly navrženy tři metodiky založené na bezztrátovém konceptu a rozšiřujících metodiky Pinch Analysis a P-Grafů. Aplikovatelnost je demonstrována šesti případovými studiemi transportu a nakládání s odpady. Mé příspěvky v této oblasti jsou následující: (i) Nový bezztrátový rozhodovací nástroj paralelní s klasickým fázovým diagramem, který napomáhá rychlému rozhodování o procesech (např. výběr druhu dopravy pro danou vzdálenost a náklad) při nejnižší možné environmentální zátěži. (ii) Systém kvantitativního vyhodnocování emisí, který agreguje a vyhodnocuje celkové environmentální zatížení způsobené sklemíkovými plyny, SOx, PM a NO2. (iii) Rozšířená analýza nakládání s odpady pro regionální plánování s přihlédnutím k zatěžování i odstranní zatěžování emisní stopou, dále rozhodování o způsobu hospodaření s odpady a výběru způsobu zpracování odpadu s cílem nejnižší možné emisní stopy. (iv) Model posuzování pomocí nástroje P-grafu pro identifikaci optimálních integrovaných systémů zpracování odpadu různého složení, který identifikuje a vyhodnocuje stav udržitelnosti procesů před a po zpracování. Navrhované metodiky v grafickém znázornění s podporou sady komplexních základních rovnic transformují problematiku nakládání s odpady a výběru dopravy do snadno srozumitelné formy řešení vyznačujících se nízkými emisními stopami. Jako příklad v jedné z případových studií analýza provedená podle nového přístupu využívajícího E-WAMPA naznačuje, že celkového snížení emisí o 10% (2, 568 kt CO2 ekv.) Lze dosáhnout provedením přechodu odpadu na Maltě (-25.75 kt CO2 ekv.), Řecko (-1,602.71 kt CO2ekv), Kypr (-178.52 kt CO2ekv) a Rumunsko (-761.16 kt CO2ekv). To jsou země, v nichž lze dosáhnout co největšího zlepšení, vzhledem k kombinovanému účinku čistých emisí (zatěžujících i nezatížených stop) stávajícího systému nakládání s odpady, vzniku odpadů a obyvatelstva. Následující studie budou umožňovat komplexní vyhodnocení ekonomické proveditelnosti tak, aby lokální data mohla být použita pro konkrétní případy v již předpřipravených schématech s výstupem kvalifikovaného řešení.
This thesis presents methodologies that have been developed to reduce emission footprints in the context of a transition to a Circular Economy through the application of a Process Integration approach to analysis and design, while also addressing challenges which have previously prevented practical implementation. Environmental sustainability, which is frequently indicated by low emissions and waste footprints, plays a critical role in facilitating the transition towards a Circular Economy. Three methodologies which are based on the breakeven concept and the extension of Pinch Analysis and P-Graph frameworks are proposed. The applicability of these methodologies is demonstrated by six case studies focused on transportation and waste management. My contributions to the field include: (i) A novel breakeven based decision-making tool, with parallels to the classical phase diagram that aids rapid decision-making on the processes (e.g. selection of transport mode for a given distance and load) with the lowest environmental burden. (ii) An emissions accounting system which aggregates GHG, SOx, PM and NO2 as a Total Environmental Burden through a scientific-based environmental-impact price. (iii) An Extended Waste Management Pinch Analysis (E-WAMPA) system for regional planning, accounting for both burdening and unburdening footprints, to determine the waste treatments and allocation design with low emission footprints. (iv) An assessment model underpinned by the P-graph tool to identify optimal and near-optimal integrated waste treatment systems for different waste compositions, which includes the identification of sustainable pre-and post-treatment processes. The proposed methodologies, which can be represented graphically, with the support of a set of comprehensive underlying equations, transform the waste management and transport selection problem into an easily understandable format from which arises robust solutions with low emission footprints. As an example in one of the case studies, the analysis run by the novel approach using E-WAMPA suggests an overall 10 % emission reduction (2,568 kt CO2eq) can be achieved by performing waste transition in Malta (-25.75 kt CO2eq), Greece (-1,602.71 kt CO2eq), Cyprus (-178.52 kt CO2eq) and Romania (-761.16 kt CO2eq). Those are the countries where the most improvement can be achieved, considering the combined effect of net emission (both burdening and unburdening footprints) by the existing waste treatment system, waste generation and population. For future study, a comprehensive economic feasibility assessment could be conducted, where localised data inputs could be fed into the proposed frameworks for a customised and thorough solution.
This thesis presents methodologies that have been developed to reduce emission footprints in the context of a transition to a Circular Economy through the application of a Process Integration approach to analysis and design, while also addressing challenges which have previously prevented practical implementation. Environmental sustainability, which is frequently indicated by low emissions and waste footprints, plays a critical role in facilitating the transition towards a Circular Economy. Three methodologies which are based on the breakeven concept and the extension of Pinch Analysis and P-Graph frameworks are proposed. The applicability of these methodologies is demonstrated by six case studies focused on transportation and waste management. My contributions to the field include: (i) A novel breakeven based decision-making tool, with parallels to the classical phase diagram that aids rapid decision-making on the processes (e.g. selection of transport mode for a given distance and load) with the lowest environmental burden. (ii) An emissions accounting system which aggregates GHG, SOx, PM and NO2 as a Total Environmental Burden through a scientific-based environmental-impact price. (iii) An Extended Waste Management Pinch Analysis (E-WAMPA) system for regional planning, accounting for both burdening and unburdening footprints, to determine the waste treatments and allocation design with low emission footprints. (iv) An assessment model underpinned by the P-graph tool to identify optimal and near-optimal integrated waste treatment systems for different waste compositions, which includes the identification of sustainable pre-and post-treatment processes. The proposed methodologies, which can be represented graphically, with the support of a set of comprehensive underlying equations, transform the waste management and transport selection problem into an easily understandable format from which arises robust solutions with low emission footprints. As an example in one of the case studies, the analysis run by the novel approach using E-WAMPA suggests an overall 10 % emission reduction (2,568 kt CO2eq) can be achieved by performing waste transition in Malta (-25.75 kt CO2eq), Greece (-1,602.71 kt CO2eq), Cyprus (-178.52 kt CO2eq) and Romania (-761.16 kt CO2eq). Those are the countries where the most improvement can be achieved, considering the combined effect of net emission (both burdening and unburdening footprints) by the existing waste treatment system, waste generation and population. For future study, a comprehensive economic feasibility assessment could be conducted, where localised data inputs could be fed into the proposed frameworks for a customised and thorough solution.
Description
Citation
FAN, Y. Minimising Emission Footprints in Circular Economy by Process Integration [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2019.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vítězslav Máša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
Prof. Dr. Chun-Han Ko (člen)
Prof. Dr. Pen-Chi Chiang (člen)
Date of acceptance
2019-11-20
Defence
viz. spis
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení