Towards the reduction of greenhouse gas emissions : models and algorithms for ridesharing and carbon capture and storage

Avec la ratification de l'Accord de Paris, les pays se sont engagés à limiter le réchauffement climatique bien en dessous de 2, de préférence à 1,5 degrés Celsius, par rapport aux niveaux préindustriels. À cette fin, les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES, tels que CO2) doivent être réduites pour atteindre des émissions nettes de carbone nulles d'ici 2050. Cet objectif ambitieux peut être atteint grâce à différentes stratégies d'atténuation des GES, telles que l'électrification, les changements de comportement des consommateurs, l'amélioration de l'efficacité énergétique des procédés, l'utilisation de substituts aux combustibles fossiles (tels que la bioénergie ou l'hydrogène), le captage et le stockage du carbone (CSC), entre autres. Cette thèse vise à contribuer à deux de ces stratégies : le covoiturage (qui appartient à la catégorie des changements de comportement du consommateur) et la capture et le stockage du carbone. Cette thèse fournit des modèles mathématiques et d'optimisation et des algorithmes pour la planification opérationnelle et tactique des systèmes de covoiturage, et des heuristiques pour la planification stratégique d'un réseau de captage et de stockage du carbone. Dans le covoiturage, les émissions sont réduites lorsque les individus voyagent ensemble au lieu de conduire seuls. Dans ce contexte, cette thèse fournit de nouveaux modèles mathématiques pour représenter les systèmes de covoiturage, allant des problèmes d'affectation stochastique à deux étapes aux problèmes d'empaquetage d'ensembles stochastiques à deux étapes qui peuvent représenter un large éventail de systèmes de covoiturage. Ces modèles aident les décideurs dans leur planification opérationnelle des covoiturages, où les conducteurs et les passagers doivent être jumelés pour le covoiturage à court terme. De plus, cette thèse explore la planification tactique des systèmes de covoiturage en comparant différents modes de fonctionnement du covoiturage et les paramètres de la plateforme (par exemple, le partage des revenus et les pénalités). De nouvelles caractéristiques de problèmes sont étudiées, telles que l'incertitude du conducteur et du passager, la flexibilité de réappariement et la réservation de l'offre de conducteur via les frais de réservation et les pénalités. En particulier, la flexibilité de réappariement peut augmenter l'efficacité d'une plateforme de covoiturage, et la réservation de l'offre de conducteurs via les frais de réservation et les pénalités peut augmenter la satisfaction des utilisateurs grâce à une compensation garantie si un covoiturage n'est pas fourni. Des expériences computationnelles détaillées sont menées et des informations managériales sont fournies. Malgré la possibilité de réduction des émissions grâce au covoiturage et à d'autres stratégies d'atténuation, des études macroéconomiques mondiales montrent que même si plusieurs stratégies d'atténuation des GES sont utilisées simultanément, il ne sera probablement pas possible d'atteindre des émissions nettes nulles d'ici 2050 sans le CSC. Ici, le CO2 est capturé à partir des sites émetteurs et transporté vers des réservoirs géologiques, où il est injecté pour un stockage à long terme. Cette thèse considère un problème de planification stratégique multipériode pour l'optimisation d'une chaîne de valeur CSC. Ce problème est un problème combiné de localisation des installations et de conception du réseau où une infrastructure CSC est prévue pour les prochaines décennies. En raison des défis informatiques associés à ce problème, une heuristique est introduite, qui est capable de trouver de meilleures solutions qu'un solveur commercial de programmation mathématique, pour une fraction du temps de calcul. Cette heuristique comporte des phases d'intensification et de diversification, une génération améliorée de solutions réalisables par programmation dynamique, et une étape finale de raffinement basée sur un modèle restreint. Dans l'ensemble, les contributions de cette thèse sur le covoiturage et le CSC fournissent des modèles de programmation mathématique, des algorithmes et des informations managériales qui peuvent aider les praticiens et les parties prenantes à planifier des émissions nettes nulles.With the ratification of the Paris Agreement, countries committed to limiting global warming to well below 2, preferably to 1.5 degrees Celsius, compared to pre-industrial levels. To this end, anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions (such as CO2) must be reduced to reach net-zero carbon emissions by 2050. This ambitious target may be met by means of different GHG mitigation strategies, such as electrification, changes in consumer behavior, improving the energy efficiency of processes, using substitutes for fossil fuels (such as bioenergy or hydrogen), and carbon capture and storage (CCS). This thesis aims at contributing to two of these strategies: ridesharing (which belongs to the category of changes in consumer behavior) and carbon capture and storage. This thesis provides mathematical and optimization models and algorithms for the operational and tactical planning of ridesharing systems, and heuristics for the strategic planning of a carbon capture and storage network. In ridesharing, emissions are reduced when individuals travel together instead of driving alone. In this context, this thesis provides novel mathematical models to represent ridesharing systems, ranging from two-stage stochastic assignment problems to two-stage stochastic set packing problems that can represent a wide variety of ridesharing systems. These models aid decision makers in their operational planning of rideshares, where drivers and riders have to be matched for ridesharing on the short-term. Additionally, this thesis explores the tactical planning of ridesharing systems by comparing different modes of ridesharing operation and platform parameters (e.g., revenue share and penalties). Novel problem characteristics are studied, such as driver and rider uncertainty, rematching flexibility, and reservation of driver supply through booking fees and penalties. In particular, rematching flexibility may increase the efficiency of a ridesharing platform, and the reservation of driver supply through booking fees and penalties may increase user satisfaction through guaranteed compensation if a rideshare is not provided. Extensive computational experiments are conducted and managerial insights are given. Despite the opportunity to reduce emissions through ridesharing and other mitigation strategies, global macroeconomic studies show that even if several GHG mitigation strategies are used simultaneously, achieving net-zero emissions by 2050 will likely not be possible without CCS. Here, CO2 is captured from emitter sites and transported to geological reservoirs, where it is injected for long-term storage. This thesis considers a multiperiod strategic planning problem for the optimization of a CCS value chain. This problem is a combined facility location and network design problem where a CCS infrastructure is planned for the next decades. Due to the computational challenges associated with that problem, a slope scaling heuristic is introduced, which is capable of finding better solutions than a state-of-the-art general-purpose mathematical programming solver, at a fraction of the computational time. This heuristic has intensification and diversification phases, improved generation of feasible solutions through dynamic programming, and a final refining step based on a restricted model. Overall, the contributions of this thesis on ridesharing and CCS provide mathematical programming models, algorithms, and managerial insights that may help practitioners and stakeholders plan for net-zero emissions

Computer Controlled Urban Transportation: A Survey of Concepts, Methods, and International Experiences

This book is concerned with the present and future traffic problems in the developing and developed world. It examines possible solutions to those problems based on technological innovations and implementing large-scale computerized traffic and transportation control systems. It discusses the basic concepts and methods for control and automation that have been proposed, developed, and implemented, and experience from real applications of these in different cities and nations

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Being infrastructure-less and without central administration control, wireless ad-hoc networking is playing a more and more important role in extending the coverage of traditional wireless infrastructure (cellular networks, wireless LAN, etc). This book includes state-of the-art techniques and solutions for wireless ad-hoc networks. It focuses on the following topics in ad-hoc networks: vehicular ad-hoc networks, security and caching, TCP in ad-hoc networks and emerging applications. It is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks

Solving Multi-objective Integer Programs using Convex Preference Cones

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