Integrating modeling, synthesis, and knowledge management to support strategic decision-making toward the circular economy paradigm

Abstract

(English) This thesis tackles some of the most urgent global issues we face today: waste accumulation, resource scarcity, and climate change. The focus is on applying sustainable practices through models like Industrial Symbiosis (IS) and the Circular Economy (CE). Traditional linear economic models have hit a limit, and this research proposes a solution to optimize resource use and waste management. The central goal of this work is to develop a Decision Support System (DSS) to help identify and assess the most effective routes to convert waste into resources, particularly focusing on plastic waste, but with applications to other materials, too. Chapter 1 discusses how demographic and industrial trends are accelerating problems like waste accumulation, resource shortages, and climate crises. It emphasizes the urgent need to adopt models like CE and IS to reduce material consumption and waste generation. While implementing CE comes with challenges—such as figuring out the best ways to convert waste into valuable products—this chapter introduces the development of a DSS designed to support informed, rigorous decision-making for sustainable resource management. Chapter 2 dives into the methods and tools used to create the DSS. It introduces Process Systems Engineering (PSE), a crucial field for understanding and developing sustainable production processes. PSE uses tools like process modeling, simulation, and optimization to design more efficient and sustainable systems. This chapter explains how these tools can be applied to address the challenges of CE and help design sustainable processes. Chapter 3 presents a proof of concept for the application of CE, focusing on alternative fuels made from plastic waste. A techno-economic and environmental assessment compares plastic waste-derived fuels with traditional ones like diesel and gasoline. The results show that pyrolysis oil from plastic waste has a lower environmental impact and production cost compared to diesel. However, for gasoline substitutes, bioethanol and ethanol from plastic pyrolysis have mixed results. These findings highlight the potential of plastic waste conversion technologies, although more research is needed to improve fuel quality. Chapter 4 focuses on generating and evaluating new waste-to-resource routes, particularly for plastics. Using an ontological framework for more efficient knowledge management, this chapter creates a system to identify, generate, and classify processing alternatives for the upcycling of waste. The framework helps find the best ways to close material loops, and chemical recycling emerges as a promising option to reduce the environmental impact of plastic waste. Chapter 5 shows how an integrated set of tools was developed to design, model, and optimize waste conversion processes. Using methods like graph theory, network optimization, MCDM, and multi-objective optimization, the system helps identify and assess the best waste treatment routes. A case study on plastic waste highlights that chemical recycling for the recovery of raw materials could be a promising option from both an economic and environmental perspective. Chapter 6 concludes by summarizing the development and validation of the DSS. The thesis shows how the framework was successfully validated through case studies focused on plastic waste recovery, proving its effectiveness in closing material loops and supporting sustainable practices within the circular economy.

(Català) Aquesta tesi aborda problemes urgents com l’acumulació de residus, l’escassetat de recursos i el canvi climàtic, proposant l’adopció de models sostenibles com la Simbiosi Industrial (SI) i l’Economia Circular (EC). Els models econòmics lineals tradicionals han arribat a un límit, i aquesta investigació proposa un Sistema de Suport a la Decisió (SSD) per millorar l’ús dels recursos i gestionar millor els residus, amb especial focus en els plàstics, però amb aplicacions per a altres materials.

El Capítol 1 analitza com les tendències demogràfiques i industrials agreugen problemes com els residus i el canvi climàtic, ressaltant la necessitat urgent de models com l’EC i la SI per reduir el consum de materials i els residus. Tot i els reptes d’implantar l’EC, l’objectiu és crear eines per prendre decisions informades, com el SSD, que facilita una millor gestió sostenible dels recursos.

El Capítol 2 explora les eines i mètodes utilitzats per crear el SSD, destacant l’Enginyeria de Sistemes de Processos (ESP), una disciplina que utilitza el modelatge, la simulació i l’optimització per dissenyar processos productius més sostenibles. Aquestes eines són clau per resoldre els reptes de l’EC i millorar l’eficiència dels processos.

El Capítol 3 presenta una prova de concepte (PoC) per a l’EC, amb un enfocament en els combustibles alternatius obtinguts de residus plàstics. Mitjançant una avaluació tècnicoeconòmica i ambiental, es compara l’oli de piròlisi derivat de residus plàstics amb els combustibles tradicionals com el dièsel i la gasolina. Els resultats mostren que l’oli de piròlisi té un menor impacte ambiental i de salut, així com costos de producció més baixos. Tot i això, els substituts de la gasolina com el bioetanol mostren costos de producció més alts i un impacte reduït en l’escassetat de recursos. Això ressalta el potencial de convertir residus plàstics en combustibles, tot i que cal més recerca per millorar la qualitat del combustible.

El Capítol 4 aborda la generació i avaluació de noves rutes per a la transformació de residus, enfocant-se en els plàstics. Mitjançant un enfocament ontològic per a la gestió del coneixement, es crea un sistema per identificar, generar i classificar alternatives de recuperació de residus, que ajuda a tancar els cicles materials. Es destaca l’ús del reciclatge químic com una opció viable per reduir l’impacte ambiental dels residus plàstics.

El Capítol 5 presenta la integració d’eines per al disseny, modelatge i optimització dels processos de conversió de residus. S’utilitzen mètodes com la teoria de grafos, l’optimització de xarxes i la presa de decisions multi-criterio per avaluar les millors rutes de tractament de residus. Es presenta un estudi de cas sobre els residus plàstics, concloent que el reciclatge químic pot ser una opció prometedora tant econòmica com ambientalment.

El Capítol 6 conclou amb la validació del SSD, destacant la seva eficàcia per tancar els cicles materials dins de l’economia circular. La tesi demostra que el sistema desenvolupat és aplicable i efectiu per implementar pràctiques més sostenibles, especialment en la recuperació de residus plàstics, i valida la seva aplicabilitat mitjançant casos d’estudi.

(Español) Esta tesis aborda problemas globales urgentes como la acumulación de residuos, la escasez de recursos y el cambio climático, con un enfoque en aplicar prácticas sostenibles mediante modelos como la Simbiosis Industrial (SI) y la Economía Circular (EC). Los modelos económicos lineales tradicionales han llegado a su límite, y esta investigación propone una solución para optimizar el uso de recursos y la gestión de residuos. El objetivo principal es desarrollar un Sistema de Soporte a la Decisión (SSD) que facilite la identificación y evaluación de rutas efectivas para convertir residuos en recursos, especialmente los plásticos, aunque también aplicable a otros materiales.

El Capítulo 1 analiza cómo las tendencias demográficas e industriales están acelerando la acumulación de residuos, la escasez de recursos y las crisis climáticas, subrayando la urgencia de adoptar modelos como la EC y la SI para reducir el consumo de materiales y los residuos. Aunque la implementación de la EC presenta retos, como encontrar las mejores formas de transformar los residuos en productos valiosos, este capítulo introduce el desarrollo de un SSD diseñado para apoyar decisiones informadas en la gestión sostenible de recursos.

El Capítulo 2 detalla los métodos y herramientas utilizados para crear el SSD, enfocándose en la Ingeniería de Sistemas de Procesos (ESP). La ESP, que emplea herramientas como modelado, simulación y optimización, es crucial para diseñar procesos de producción más sostenibles y eficientes. Este capítulo explica cómo estas herramientas abordan los desafíos de la EC y ayudan a mejorar la sostenibilidad de los procesos.

El Capítulo 3 presenta una prueba de concepto (PoC) centrada en los combustibles alternativos derivados de residuos plásticos, mediante una evaluación técnico-económica y ambiental. Se comparan los combustibles plásticos con los tradicionales como el diésel y la gasolina. Los resultados indican que el aceite de pirólisis de residuos plásticos tiene un menor impacto ambiental y un costo de producción más bajo. Sin embargo, los sustitutos de gasolina como el bioetanol y el etanol de pirólisis presentan resultados mixtos, lo que destaca el potencial de las tecnologías de conversión de residuos, aunque se necesita más investigación para mejorar la calidad del combustible.

El Capítulo 4 se enfoca en generar y evaluar nuevas rutas de conversión de residuos, especialmente plásticos. Utilizando un marco ontológico para la gestión eficiente del conocimiento, se crea un sistema para identificar, generar y clasificar alternativas de procesamiento de residuos. Este sistema ayuda a encontrar las mejores formas de cerrar los ciclos de materiales, destacando el reciclaje químico como una opción viable para reducir el impacto ambiental de los residuos plásticos.

El Capítulo 5 describe el desarrollo de un conjunto de herramientas integradas para diseñar, modelar y optimizar los procesos de conversión de residuos. Usando métodos como la teoría de grafos, optimización de redes y toma de decisiones multicriterio, el sistema permite identificar y evaluar las mejores rutas de tratamiento de residuos. Un estudio de caso sobre los residuos plásticos sugiere que el reciclaje químico podría ser una opción prometedora tanto económica como medioambientalmente para recuperar materias primas.

El Capítulo 6 concluye con la validación del SSD, demostrando cómo el sistema desarrollado ha sido validado con éxito a través de casos de estudio enfocados en la recuperación de residuos plásticos. La tesis prueba que este marco es efectivo para cerrar los ciclos de materiales y apoyar prácticas sostenibles dentro de la economía circular.