A Location-Allocation Model for Four-Stage Biomethane Supply Chain (Case Study: Biomethane Supply Chain in Khorasan Razavi)

Authors

Abstract

As an environment-friendly and renewable energy source, biomethane plays a significant role in the supply of sustainable energy. To determine location of hubs, reactors and condensers and allocate feedstocks, biomethane and liquefied biomethane to these facilities in a biomethane production system by minimizing the supply chain cost, a mathematical model is developed in this article. Constraints, such as the limited workforce, the reactors’ demand on the residues, and the deterioration of the residues in the hubs are considered. Genetic algorithm for solving mixed integer nonlinear programming model is proposed. Genetic algorithm finds better solutions than Lingo when applied to the given problems but the speed of obtaining the solution is slower. Biomethane supply chain has been designed in Khorasan Razavi using the developed mathematical model and genetic algorithm.

Keywords


[1] Sawatdeenarunat, C., Surendra, K. C., Takara, D., Oechsner, H., Khanal, S. K., "Anaerobic Digestion of Lignocellulosic Biomass: Challenges and Opportunities", Bioresource Technology, Vol. 178, pp. 178–186, 2015. [2] Biogas/Biomethane for Use as a Transport Fuel, Accesed in May 13, 2016، European Biofuels Technology Platform, Available from: http://biofuelstp.eu/biogas.html, 4 May 2016. [3] Kwietniewska, E., Tys, J., "Process Characteristics, Inhibition Factors and Methane Yields of Anaerobic Digestion Process, with Particular Focus on Microalgal Biomass Fermentation", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 34, pp. 491-500, 2014. [4] Sharma, B., Ingalls, R. G., Jones, C., Khanchi, A., "Biomass Supply Chain Design and Analysis: Basis, Overview, Modeling,Challenges, and Future", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 24, pp. 608-627, 2013. [5] Yue, D., You, F., Snyder, S. W., "Biomass-To-Bioenergy and Biofuel Supply Chain Optimization: Overview, Key Issues and Challenges", Computers and Chemical Engineering, Vol. 66, pp. 36-56, 2014. [6] Meyer, A. D., Cattrysse, D., Rasinmäki, J., Orshoven, J. V., "Methods To Optimise The Design and Management of Biomass-for-Bioenergy Supply Chains: A Review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 31, pp. 657–670, 2014. [7] Balaman, Ş. Y., Selim, H., "A Network Design Model for Biomass to Energy Supply Chains with Anaerobic Digestion Systems", Applied Energy, Vol. 130, pp. 289-304, 2014. [8] Höhn, J., Lehtonen, E., Rasi, S., Rintala, J., "A Geographical Information System (GIS) Based Methodology for Determination of Potential Biomasses and Sites for Biogas Plants in Southern Finland", Applied Energy, Vol. 113, pp.1-10, 2014. [9] Franco, C., Bojesen, M., Hougaard, J. L., Nielsen, K., "A Fuzzy Approach to a Multiple Criteria and Geographical Information System for Decision Support on Suitable Locations for Biogas Plants", Applied Energy, Vol. 140, pp. 304-315, 2015. [10] Mayerle, S. F., Figueiredo, J. N., "Designing Optimal Supply Chains for Anaerobic Bio-Digestion/Energy Generation Complexes with Distributed Small Farm Feedstock Sourcing", Renewable Energy, Vol. 90, pp. 46-54, 2016. [11] Wu, B., Sarker, B. R., Paudel, K. P., "Sustainable Energy from Biomass: Biomethane Manufacturing Plant Location and Distribution Problem", Applied Energy, Vol. 158, pp. 597-608, 2015. [12] Celli, G., Ghiani, E., Loddo, M., Pilo, F., Pani, S., "Optimal Location of Biogas and Biomass Generation Plants", International Universities Power Engineering Conference, Padova, Italy, 2008. [13] Gantovnik, V. B., Gurdal, Z., Watson, L. T., Anderson-Cook, C. M., "Genetic Algorithm for Mixed Integer Nonlinear Programming Problems Using Separate Constraint Approximations", American Institute of Aeronautics and Astronautics, Vol. 43, No.8, pp. 1844-1849, 2005. [14] Deb, K., "An Efficient Constraint Handling Method for Genetic Algorithms", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 186, pp. 311-338, 2000. [15] Deep, K., Thakur, M., "A New Crossover Operator for Real Coded Genetic Algorithms", Applied Mathematics and Computation, Vol. 188, pp. 895–912, 2007. [16] Deep, K., Thakur, M., "A New Mutation Operator for Real Coded Genetic Algorithms", Applied Mathematics and Computation, Vol. 193, pp. 211–230, 2007. [17] مزروعی، مجتبی، «استان خراسان رضوی مهم‌ترین و بزرگ‌ترین قطب تولید کشور»، بازیابی در 3خرداد1395. http://www.iranagrimagazine.com/fa/contents/1365، 1394. [18] نوراللهی، یونس؛ قلم‌چی، مهران؛ خیرروز، مهدی؛ انصافی، بهاره، «پتانسیل‌سنجی و ارزیابی توان تولید بیوگاز از منابع انرژی زیست توده (فضولات دامی) در ایران» سومین کنفرانس انرژی‌های تجدیدپذیر و تولید پراکنده ایران. اصفهان: دانشگاه اصفهان، 1392. [19] گروه مطالعات اقتصادی، «رتبه‌بندی استان‌های کشور برحسب تولید و عملکرد محصولات کشاورزی»، تهران: اداره کل مطالعات و بررسی‌های اقتصادی بانک کشاورزی، صفحه 1ـ۸۲، بازیابی در 18خرداد 1395. www.bki.ir/Portals/0/SBank/ProvinceRating.pdf، 1390. [20] آقا علی نژاد، علیرضا، «ارزیابی مالی و اقتصادی احداث واحدهای بیوگاز در مناطق مساعد روستایی: مطالعۀ موردی روستای هلی باغ شهرستان بابلسر» فصلنامه روستا و توسعه، سال 4، شماره 2، صفحه 57ـ۷۹، 1377. [21] عادلی گیلانی، الهیار؛ سوری، فیروزه، «فناوری بیوگاز گامی در راستای توسعۀ پایدار روستایی»، ماهنامه نفت و انرژی، شماره 51، صفحه 12ـ۲۸، 1389. [22] امیری، لیلا؛ عبدلی، محمدعلی؛ رمضانیانپور، محمد، «پتانسیل‌سنجی استحصال بیوگاز از پسماند روستایی (مطالعۀ موردی روستاهای استان یزد)»، پنجمین همایش ملی مدیریت پسماند، مشهد، صفحه 1ـ۷، 1389. [23] شفیعی، ملیحه؛ ابراهیمی‌نیک، محمدعلی؛ راشکی، علیرضا، «ارزیابی پتانسیل تولید بیوگاز از کود دامی در خراسان رضوی بر پایۀ مدلی از GIS»، هشتمین کنگره ملی مهندسی ماشین‌های کشاورزی (بیوسیستم) و مکانیزاسیون ایران، مشهد، دانشگاه فردوسی مشهد، ۱۳۹۲ [24] سانا، «افتتاح اولین نیروگاه بیوگازسوز از دفنگاه زباله شهر مشهد درکشور»، بازیابی در 26مهر1395، www.suna.org.ir/fa/news/136، 1388. [25] ایرنا، «تولید بیوگاز از کود حیوانی درخراسان‌رضوی» بازیابی در 26مهر1395،www.irna.ir/rkhorasan/fa/News/82172987 [26] Khishtandar, S., Zandieh, M., Dorri, B., "A Multi Criteria Decision Making Framework for Sustainability Assessment of Bioenergy Production Technologies with Hesitant Fuzzy Linguistic Term Sets: The Case of Iran", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 77, pp. 1130-1145, 2017. [27] امینیان، افسانه؛ عباسپورفرد، محمدحسین؛ آق خانی، محمدحسین، عدالت، محمدحسین، «ارزیابی پتانسیل منابع زیست‌توده در استان خراسان رضوی به‌منظور تولید زیست انرژی»، محیط‌شناسی، دوره 39، شمارۀ 2، صفحه 73ـ۸۲، 1392. [28] معاونت امور برق و انرژی، دفتر برنامه‌ریزی کلان برق، «ترازنامه انرژی سال 1391» تهران: وزارت نیرو، معاونت امور برق و انرژی، صفحه 518-1، بازیابی در 3خرداد1395، www.saba.org.ir/saba_content/media/image/2014/05/6522_orig.pdf، 1393 [29] Krich, K., Augenstein, D., Batmale, J., Benemann, J., Rutledge, B., & Salour, D., "Biomethane from Dairy Waste: A Sourcebook for the Production and Use of Renewable Natural Gas in California", Available from: http://suscon.org/cowpower/biomethaneSourcebook/biomethanesourcebook.php, 2005. [30] سادات‌حسینی، سید ‌محمد، «لزوم توجه به ظرفیت‌های خالی راه‌آهن در حمل بار و مسافر برای تشخیص توجیه اقتصادی طرح‌های احداث خطوط جدید» هفتمین همایش حمل‌ونقل ریلی. تهران: دانشگاه صنعتی شریف، 1383. [31] خبرگزاری مهر، «دو میلیارد‌تومان هزینۀ ساخت یک‌کیلومتر خط‌لوله انتقال گاز»، بازیابی در 1خرداد1395، http://www.mehrnews.com/news/865496، 2اردیبهشت1388. [32] نصیری، جواد، «امکان‌سنجی نیروگاه بیوگازی ساوه»، مدیریت پسماند شمارۀ 11، صفحه ۱۴۳ـ۱۵۲، 1387. [33] بخشی، مریم؛ خانکشی‌زاده، محرم؛ سیدزاده، فریبا؛ قاسمی قوچقار، سعید، «اطلس پتانسیل تئوری تولید برق و انرژی از فاضلاب شهری در کشور»، سومین همایش ملی آب و فاضلاب (با رویکرد اصلاح الگوی مصرف)، تهران: دانشگاه صنعت آب ‌و ‌برق، شرکت مهندسی‌آب‌و‌فاضلاب کشور، 1388. [34] پورتال ‌استان ‌خراسان ‌رضوی http://amar.khorasan.ir بازیابی‌در 3خرداد1395.