طراحی و برنامه ریزی زنجیره تامین بایودیزل با در نظر گرفتن مواد اولیه غیر خوراکی(مقاله دوم)

چکیده:

گسترش سریع تولید بایودیزل نسل اول از روغن های خوراکی گیاهی و چربی ­های حیوانی باعث ایجاد نگرانی در میان سیاست ­گذاران و توسعه ­دهندگان درباره تخصیص مزارع، تأمین مواد غذایی و تعادل بازار مواد غذایی شده است. به همین علت، استفاده از بایودیزل نسل دوم که مواد اولیه غیرخوراکی دارد در سال­ های اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. برای سرعت بخشیدن به انتقال به سمت سوخت­ های زیستی قابل قبول اقتصادی در مقیاس بزرگ، طراحی سیستماتیک و بهینه­ سازی کلِ زنجیره ­های تأمین سوخت ­های زیستی بسیار مهم است.

در این مقاله، ابتدا کارهای ارائه شده برای بهینه سازی زنجیره تامین سوخت­ های زیستی به طور سیستماتیک بررسی و دسته ­بندی می­ شوند. در مرحله دوم، یک مدل طراحی شبکه زنجیره تامین بایودیزل چند دوره­ای و چندمحصولی ارائه شده است. مدل پیشنهادی قادر به تعیین تعداد مطلوب مکان­ها، موقعیت­شان، ظرفیت هر کدام و همینطور حالت­های حمل و نقل مناسب، فناوری مناسب در تصفیه خانه زیستی، جریان مواد و برنامه­ریزی تولید در دوره­های مختلف است. مطالعه موردی مدل پیشنهاد شده در ایران صورت گرفته است. در این مطالعه موردی دانه­های گیاه جاتروفا ( Jatropha) و ضایعات روغن پخت و پز  به عنوان مواد اولیه غیرخوراکی برای تولید بایودیزل نسل دوم در نظر گرفته شده است. نتایج به دست آمده نشان­دهنده کارایی و عملکرد مدل پیشنهادی در طراحی شبکه زنجیره تامین بایودیزل است.

کلید واژه ها: بهینه ­سازی زنجیره تامین بایودیزل، مواد اولیه غیرخوراکی، جاتروفا، ضایعات روغن پخت و پز، توسعه پایدار.

 مقدمه:

در بین بخشهای مختلفی که تقاضای انرژی دارند بخش حمل و نقل مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می کند که به نوبه خود باعث کاهش سوخت فسیلی و آلودگی محیط زیست می شود. در پاسخ به نیاز به انرژی پاک کننده و تجدیدپذیر در بخش حمل و نقل محققان ، سیاست گذاران و پزشکان استفاده از سوخت های زیستی را در مقیاس های بزرگ از زیست توده، بقایای جنگلداری، محصولات انرژی، زایدات روغن ها و پسماندهای شهری معرفی کرده اند. بیواتانول و بیودیزل به عنوان سوخت های زیستی امیدبخش ارائه شده اندکه راه حل پایدار و مناسبی برای مشکلات ارائه می دهند. در حال حاضر بیشتر مواد خوراکی مورد استفاده برای تولید بیودیزل از روغن های گیاهی و چربی های حیوانی تهیه می شود که دارای ماهیت خوراکی هستند. افزایش سریع صنعت سوخت های زیستی بر تخصیص زمین های کاشت، تعادل بازار مواد اولیه و غذایی، تأمین غذا و توسعه کشاورزی در مناطق روستایی تأثیر می گذارد. مشکل دیگر ناشی از تولید بیودیزل از مواد خوراکی، امکان تجاری بیودیزل مرتبط است. درواقع قیمت بالای مواد خوراکی برای تولید بیودیزل به مقدار قابل توجهی یارانه توسط سیاست گذاران دولتی نیاز دارد تا با دیزل فسیلی در بازارهای انرژی قابل مقایسه باشد. محققان برای مقابله با نگرانی های تأمین مواد غذایی و قیمت بالای مواداولیه خوراکی برای تولید بیودیزل منابع جدیدی از مواد اولیه سوخت زیستی مانند جاتروفا و ضایعات روغن پخت را پیدا کرده اند که ماهیت غیر خوراکی دارند.

مشکل طراحی شبکه زنجیره تأمین مربوط به تصمیمات سطح استراتژیک تأثیرگذار بر عملکرد کلی مدیریت زنجیره تأمین است. نگرانی های اصلی در یک مسئله طراحی شبکه زنجیره تأمین تعیین تعداد، موقعیت و ظرفیت تسهیلات و جریان مواد است. همچنین تصمیمات برنامه ریزی تولید مانند میزان تولید و سطح موجودی در دوره های مختلف که به عنوان تصمیمات سطح تاکتیکی دسته بندی می شوند ممکن است با تصمیمات سطح استراتژیک ترکیب شود تا از راه حل های بهینه غیریکپارچه جلوگیری کنند. با این وجود مدلهای یکپارچه پیچیدگی بیشتری دارند و به محاسباتی بیشتری نسبت به مدلهای تفکیک شده نیاز دارند. اخیراً گسترش سریع صنعت سوخت های زیستی محققان را به مطالعه زنجیره تأمین سوخت های زیستی از طریق ایجاد مدل های ریاضی بهینه ترغیب کرده است.

در این مطالعه ابتدا مدل های ریاضی اخیراً ارائه شده برای بهینه سازی زنجیره های تأمین سوخت های زیستی بررسی و به طور سیستماتیک طبقه بندی می شوند تا شکاف های ادبیات را بررسی کنند. سپس با توجه به شکاف مطالعاتی موجود در ادبیات یک مدل برنامه ریزی خطی یکپارچه صحیح مختلط  (MILP)برای طراحی شبکه زنجیره تامین بیودیزل جهت بهینه سازی تصمیمات مربوط به سطح استراتژیک و تاکتیکی ارائه شده است. در مدل پیشنهادی، تصمیمات سطح استراتژیک شامل تعیین تعداد و مکان تسهیلات در هر سطح از زنجیره تامین و ظرفیت های آنها، مد حمل و نقل و فناوری تولید در پالایشگاه های می شود. تصمیمات سطح تاکتیکی مربوط به تصمیمات برنامه ریزی تولید از جمله میزان تولید و میزان موجودی در دوره های مختلف و میزان حمل و نقل مواد بین سطوح مختلف در دوره های مختلف است. مدل پیشنهادی شامل پنج سطح مراکز تولید مواد اولیه ، مراکز جمع آوری و پیش پردازش، پالایشگاه های زیستی، مراکز توزیع و مناطق مشتری است. این مدل در افق برنامه ریزی 10 ساله برای ایران مورد استفاده قرار می گیرد.

شکاف مطالعاتی:

·         اگرچه بیشتر مطالعات تصمیمات سطح استراتژیک و تاکتیکی را در مدل سازی تلفیق کرده اند، اما آنها از یکپارچگی افقی زنجیره تامین سوخت های زیستی چشم پوشی کرده اند(به عنوان مثال از مراکز عرضه به مصرف کنندگان). همانطور که قبلا ذکر شد این بی توجهی منجر به راه حل های بهینه غیر یکپارچه می شود. همچنین به منظور کاهش پیچیدگی محاسباتی مدل ها، تصمیمات خروجی محدود به مکان، ظرفیت و جریان مواد بوده و سایر تصمیمات مهم مربوط به گزینه های فناوری، مد های حمل و نقل و برنامه ریزی تولید حذف شده است.

·         بیشتر مدلها در طراحی زنجیره تامین سوخت زیستی شرایط چند دوره ای و چند محصولی را برای تسهیلات ظرفیت داده شده در نظر می گیرند. این فرضیات با رویه های دنیای واقعی سازگار است.

·         در حالی که عدم قطعیت بخشی جدایی ناپذیر از سوخت های زیستی بیولوژیکی دنیای واقعی است، اما محققان به سختی به این مسئله پرداخته اند.

·         معیار هزینه جذاب ترین تابع هدف است که توسط محققان بررسی شده است اما بقیه جنبه های زیست محیطی و اجتماعی زنجیره های تامین سوخت های زیستی به ندرت بررسی شده است.

·         بیشتر مطالعات موردی در کشورهای اروپایی و آمریکایی انجام شده است. اگرچه پتانسیل زیادی برای استفاده از سوخت های زیستی در آسیا وجود دارد، اما کارهای بسیار کمی برای طراحی زنجیره تامین سوخت زیستی در این قاره توسعه یافته است.

نوآوری:

این مقاله یک مدل جامع ارائه می دهد که شکاف های مربوط به جنبه های مدل سازی در ادبیات را پوشش می دهد. در واقع مدل زنجیره تامین بیودیزل را از سطح مراکز تأمین تا سطح مصرف کنندگان با توجه به تصمیمات مهم مربوط به موقعیت، ظرفیت، جریان مواد، حالت فناوری، مد حمل و نقل و برنامه ریزی تولید یکپارچه می کند.

شرح مسئله:

شبکه زنجیره تایمن بیودیزل یک شبکه چند محصولی و چند دوره ای شامل پنج سطح: (1)مراکز مواد اولیه، (2)مراکز جمع آوری و پیش پردازش، (3)تصفیه خانه های زیستی، (4)مراکز توزیع و(5) مراکز تقاضای مشتری است.  مواد اولیه غیرخوراکی مورد نیاز از مراکز تامین جمع آوری شده و در مراکز جمع آوری و پیش پردازش،پردازش می شوند. از آنجا که سیستم های عملیاتی برای جمع آوری دانه های جاتروفا و روغنهای پخت و پز کاملاً متفاوت است مراکز جداگانه جمع آوری و پیش پردازش را برای هر ماده اولیه در نظر گرفته شده است.

روغن دانه جاتروفا استخراج شده و ضایعات فیلتر شده روغن پخت و پز از مراکز جمع آوری و پیش پردازش به پالایشگاه های زیستی منتقل می شوند. بیودیزل و گلیسیرین از روغن های دریافتی در پالایشگاه های زیستی تولید می شود. بیودیزل به مراکز توزیع ارسال می شود اما گلیسیرین مستقیماً به نقاط تقاضای مشتری ارسال می شود. تقاضای مشتری برای بیودیزل از مراکز توزیع تامین می شود. مقداری موجودی به عنوان ذخیره اطمینان در مراکز جمع آوری و پیش پردازش ، پالایشگاه های زیستی و مراکز توزیع نگهداری میشود.

ساختار اساسی شبکه زنجیره تامین بیودیزل در نظر گرفته شده در شکل زیر نشان داده شده است.

با توجه به ویژگی های بررسی شده دو حالت حمل و نقل جاده ای و ریلی برای حمل و نقل مواد مختلف در داخل شبکه در نظر گرفته شده است. فرایندهای تولید بیودیزل را می توان به دو نوع کلی جدا کرد. اولین نوع که بیشترین استفاده را در این صنعت دارد روش دسته ای و نوع دوم مبتنی بر سیستم های پیوسته است. هزینه ساخت تکنولوژی اول کمتر است اما هزینه متغیر بیشتری نسبت به تکنولوژی دوم دارد. مدل از این دو گزینه فناوری تولید بیودیزل مناسب هر پالایشگاه زیستی را انتخاب می کند. از آنجا که گیاهان جاتروفا بعد از دو سال کشت محصول می دهند فرض بر این است که باید امکانات در این دو سال ساخته شوند تا پس از شروع مزارع جاتروفا از آنها استفاده شود. ما مناطق خشک و نیمه خشک را به عنوان کاندیداهای کشت جاتروفا در نظر می گیریم. افق برنامه ریزی 10 سال است و هر فصل به عنوان یک دوره زمانی در نظر گرفته می شود. بنابراین 40 دوره در افق برنامه ریزی وجود دارد.  از نظر استراتژیک تصمیماتی که توسط مدل پیشنهادی تحت مفروضات فوق الذکر ارائه می شود شامل تعیین تعداد بهینه، مکانها و ظرفیتهای مراکز کشت جاتروفا، مراکز جمع آوری و پیش پردازش بذر جاتروفا و روغن پخت و پز، تصفیه خانه های زیستی و مراکز توزیع و گزینه مناسب فناوری در هر پالایشگاه زیستی تاسیس شده. از نظر تاکتیکی تصمیماتی که باید در نظر گرفته شود شامل مقادیر تولید، سطح موجودی، جریان موادکل بین گره های شبکه و مدهای حمل و نقل مناسب دردوره های مختلف است. درمدل پیشنهادی ظرفیت تسهیلات از طریق متغیرهای تصمیم گیری پیوسته تعیین می شود تا از هزینه های متغیر اضافی جلوگیری شود درحالیکه برخی از مطالعات متغیرهای صفر و یکی را برای تعیین ظرفیت امکانات فرض می کنندکه منجر به انتخاب تاسیساتی با ظرفیت بیشتر از حد مورد نیاز می شود.

تابع هدف:

تایع هدف مسئله به حداقل رساندن ارزش خالص فعلی هزینه هاست که شامل 1. هزینه های ثابت افتتاحیه، 2. هزینه های متغیر افتتاحیه، 3. هزینه های تولید،4. هزینه های نگهداری موجودی و5. هزینه حمل و نقل است.

1.       هزینه های ثابت افتتاحیه: این هزینه ها شامل هزینه های ثابت کشت جاتروفا و هزینه های افتتاح مراکز جمع آوری، پیش  پردازش، پالایشگاه های زیستی و مراکز توزیع است

2.       هزینه های متغیر افتتاح: این هزینه ها شامل هزینه های متغیر کشت جاتروفا ،هزینه های ظرفیت دهی مراکز جمع آوری، پیش پردازش ها، پالایشگاه های زیستی و مراکز توزیع می باشد.

3.       هزینه های تولید: این هزینه ها شامل کل هزینه های تولید بذر جاتروفا، هزینه جمع آوری پسماند روغن پخت و پز، هزینه های پیش پردازش بذر جاتروفا، هزینه های فیلتر و تمیز کردن روغن پخت و پز، هزینه های تولید بیودیزل و هزینه های تولید گلیسیرین را محاسبه می کند.

4.       هزینه های نگهداری موجودی: این هزینه ها، هزینه نگهداری موجودی در مراکز جمع آوری و پیش پردازش بذر جاتروفا و روغن پخت و پز، پالایشگاه های زیستی و مراکز توزیع را در نظر می گیرد.

5.       هزینه های حمل و نقل: هزینه های مواد مختلف حمل و نقل بین لایه های مختلف شبکه با مد های مختلف حمل و نقل را در دوره های مختلف در نظر می گیرد.

محدودیت ها

Ø      محدودیت های(6) تا (9)مربوط به محدودیت ارضای عرضه و تقاضا است

محدودیت ها (6) و (7) به ترتیب برای هر دوره نیازهای بیودیزل و گلیسیرین را در شهرهای مختلف برآورده می کنند. به عبارت دیگر ، میزان بیودیزل منتقل شده از مراکز توزیع به منطقه مشتری و همچنین مقدار گلیسیرین حمل شده از پالایشگاه های زیستی به یک شهر، برابر با تقاضای مربوطه در هر دوره است. محدودیت های (8) و (9) اطمینان حاصل می کند که همه دانه های جاتروفا و ضایعات روغن پخت و پز جمع آوری شده و به مراکز جمع آوری مربوطه در هر دوره منتقل می شوند.

Ø      محدودیت های(10) تا (14) در ارتباط با بالانس تولید است.

محدودیت (10) مقدار جاتروفای حاصل را در هر منطقه کشت محاسبه می کند. محدودیت های (11) و (12) مقدار روغن تولید شده جاتروفا و ضایعات فیلتر شده روغن پخت و پز را در مراکز جمع آوری و پیش پردازش مربوطه در هر دوره محاسبه می کند. محدودیت (13) میزان بیودیزل تولید شده از روغن جاتروفا و روغن پخت و پز دریافت شده از مراکز جمع آوری در هر پالایشگاه زیستی با فناوری انتخاب شده را در هر دوره بیان می کند. معادل (14) میزان گلیسیرین تولید شده در پالایشگاه زیستی با فناوری مرتبط را بیان می کند.

Ø      محدودیت های(15) تا (19) معادلات بالانس موجودی را نشان می دهند.

محدودیت (15) محدودیت بالانس موجودی در مرکز جمع آوری و پیش پردازش بذرهای جاتروفا را نشان می دهد. این محدودیت تضمین می کند که موجودی بذر جاتروفا در مرکز جمع آوری و پیش پردازش در هر دوره برابر با موجودی بذر جاتروفا باقی مانده از دوره قبل به علاوه مقدار بذر جاتروفا تولید شده در آن دوره منهای مقدار دانه جاتروفایی که تبدیل به روغن شده و به پالایشگاه های زیستی منتقل شده است می باشد. معادله (16) همانند محدودیت قبل بیان کننده موجودی ضایعات روغن پخت و پز در هر دوره است. محدودیت ها (17) و (18) به ترتیب موجودی بیودیزل و گلیسیرین در هر پالایشگاه زیستی را نشان می دهد. معادله (19) موجودی بیودیزل را در هر مرکز توزیع در هر دوره در بیان می کند.

Ø      محدودیت های(20) تا (29) نشان دهنده محدودیت های ظرفیت است

محدودیت (20) حد بالا و پایین مکانهای تعیین شده برای کشت جاتروفا را بیان می کند. حد پایین به دلیل اقتصاد در نظر گرفتن مقیاس و حد بالا به دلیل نگرانی در مورد تنوع زیستی در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه گیاهان جاتروفا دوسال پس از کاشت محصول می دهند برای برداشت مداوم آنها ، فرض می کنیم که ظرفیت سطح زیرکشت جاتروفا به دوره زمانی بستگی ندارد،اما ظرفیت سایر تسهیلات به دوره های زمانی بستگی دارد. محدودیت های (21) و (22) میزان افزایش ظرفیت، حد پایین و بالا برای مراکز جمع آوری و پیش پردازش بذر جاتروفا را در نظر می گیرند. ظرفیت تسهیلات تاسیس شده در هر دوره برابر با ظرفیت تعیین شده در دوره قبل و ظرفیت افزایش یافته در دوره جاری است. محدودیت (23) و (24) میزان افزایش ظرفیت و حد پایین و بالا در مراکز جمع آوری و پیش پردازش ضایعات روغن پخت و پز را مشخص می کندو به همین ترتیب محدودیت ها (25) و (26) میزان افزایش ظرفیت و حد پایین و بالا برای تصفیه خانه های زیستی با فناوری مرتبط را نشان می دهند. محدودیت (27) بیانگر این است که برای هر پالایشگاه زیستی حداکثر می توان یک گزینه فناوری را تعیین کرد. محدودیت (28) و (29)میزان افزایش ظرفیت و حد پایین و بالا در مراکز توزیع است.

Ø      محدودیت های(30) تا (37) محدودیت های ظرفیت تولید و موجودی را بیان می کند.

محدودیت های (30) تا (33) به ترتیب محدودیت های ظرفیت مراکز جمع آوری و پیش پردازش دانه های جاتروفا، مراکز جمع آوری و پیش پردازش روغن پخت و پز، پالایشگاه های زیستی و مراکز توزیع هستند. محدودیت ها (34)تا(37) محدودیت ظرفیت برای نگهداری موجودی در تسهیلات ایجاد شده هستند.

نتیجه گیری و تحقیقات آتی:

به منظور بررسی عملکرد مدل پیشنهادی یک مطالعه موردی در ایران اجرا می شود. نتایج نشان می دهد که در نظر گرفتن مدل طراحی شبکه زنجیره تامین بیودیزل تحت شرایط پویا از ایجاد هزینه های غیر ضروری جلوگیری خواهد کرد. همچنین ، در نظر گرفتن تمام سطوح از مراکز تامین مواد اولیه تا نقاط تقاضای مشتری در بهینه سازی زنجیره تامین بیودیزل از راه حل های بهینه غیرکیپارچه جلوگیری خواهد کرد. برخی از مسیرهای تحقیقاتی آینده را می توان با توجه به شکاف ادبیات بررسی شده و نتایج این مقاله بصورت زیر در نظر گرفت.

مدل های آینده باید از بهینه سازی زنجیره تامین سوخت های زیستی به سمت بهینه سازی زنجیره تامین سوخت های زیستی نسل دوم حرکت کنند. از این رو، تمام سطوح از مراکز تأمین مواد اولیه تا نقاط تقاضای مشتری نهایی باید در بهینه سازی در نظر گرفته شوند. علاوه بر این، تمام تصمیمات مهم تاکتیکی و استراتژیک باید تحت شرایط پویا در نظر گرفته شوند تا به روشی بهینه تعیین شوند.

اگرچه ملاحظات فوق منجر به زنجیره های تامین مقیاس بزرگ می شود اما مدل های بدست آمده با فرضیات دنیای واقعی بسیار سازگار خواهند بود. ایجاد الگوریتم های حل اکتشافی و دقیق کارآمد یک نیاز اساسی در این زمینه است.این مقاله هیچ الگوریتم جامعی برای حل مدل های زنجیره تأمین سوخت زیستی در مقیاس های بزرگ نشان نمی دهد و بیشتر آنها از نرم افزارهای بهینه سازی تجاری استفاده می کنند. یکی دیگر از موضوعات مهم دیگر پرداختن به عدم قطعیت در مدل زنجیره تأمین سوخت زیستی است. محصول مواد اولیه، تقاضای سوخت زیستی، هزینه ها و پارامترهای تکنیکال متداول ترین پارامترهایی هستند که در معرض عدم قطعیت قرار دارند. موضوعات پایداری یعنی جنبه های زیست محیطی و اجتماعی باید علاوه بر جنبه اقتصادی مورد بررسی قرار گیرند. این ملاحظه به مدلهای بهینه سازی زنجیره تامین سوخت زیستی چند هدفه منجر می شود.