Optimal management of bio-based energy supply chains under parametric uncertainty through a data-driven decision-support framework

This paper addresses the optimal management of a multi-objective bio-based energy supply chain network subjected to multiple sources of uncertainty. The complexity to obtain an optimal solution using traditional uncertainty management methods dramatically increases with the number of uncertain factors considered. Such a complexity produces that, if tractable, the problem is solved after a large computational effort. Therefore, in this work a data-driven decision-making framework is proposed to address this issue. Such a framework exploits machine learning techniques to efficiently approximate the optimal management decisions considering a set of uncertain parameters that continuously influence the process behavior as an input. A design of computer experiments technique is used in order to combine these parameters and produce a matrix of representative information. These data are used to optimize the deterministic multi-objective bio-based energy network problem through conventional optimization methods, leading to a detailed (but elementary) map of the optimal management decisions based on the uncertain parameters. Afterwards, the detailed data-driven relations are described/identified using an Ordinary Kriging meta-model. The result exhibits a very high accuracy of the parametric meta-models for predicting the optimal decision variables in comparison with the traditional stochastic approach. Besides, and more importantly, a dramatic reduction of the computational effort required to obtain these optimal values in response to the change of the uncertain parameters is achieved. Thus the use of the proposed data-driven decision tool promotes a time-effective optimal decision making, which represents a step forward to use data-driven strategy in large-scale/complex industrial problems.Peer ReviewedPostprint (published version

Processes integration: Multiplant complex vs multipurpose plant assessment

This paper presents a tool for the generation and evaluation of different alternatives of product production. The importance of this approach lies in the integration of synthesis, design, operation, and scheduling decisions. When simultaneously approached, these decisions allow consideration of the relationships and effects between critical elements of the problem that are usually analyzed sequentially. Two different scenarios are modeled in order to evaluate and select which production process is convenient to develop: multipurpose plant and multiplant complex with single-product batch plants. The methodology is illustrated by an industrially motivated case study involving the production of three products: torula yeast, bakery yeast, and brandy. According to different production conditions, both scenarios are solved, and the analysis and conclusions with regards to the most favorable production scheme are reported.Fil: Corsano, Gabriela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño; ArgentinaFil: Montagna, Jorge Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño; ArgentinaFil: Iribarren, Oscar Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño; ArgentinaFil: Aguirre, Pio Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño; Argentin

Coordinating industrial production and cogeneration systems to exploit electricity price fluctuations

Las fluctuaciones en el precio de la electricidad, procedentes de la aplicación de programas de respuesta de la demanda, son una oportunidad para que las industrias que cuenten con sistemas de cogeneración puedan reducir sus costes de producción mientras hacen que la red eléctrica sea más estable y segura en su conjunto. Dada la cantidad de factores involucrados y la dificultad que esto supone a la hora de tomar decisiones, en esta tesis se presenta una metodología basada en optimización dinámica que permite la gestión óptima de ambos sistemas y se aplica en simulación al caso de estudio de una industria azucarera. Como principales resultados, se ha obtenido que utilizando la metodología propuesta los costes variables de producción se pueden reducir hasta un 2.55% si se utiliza una tarifa por tramos típica, y en torno a un 5.41% si se utilizan los precios dados por el mercado eléctrico directamente.Departamento de Ingeniería de Sistemas y AutomáticaDoctorado en Ingeniería Industria

A contribution to support decision making in energy/water sypply chain optimisation

The seeking of process sustainability forces enterprises to change their operations. Additionally, the industrial globalization implies a very dynamic market that, among other issues, promotes the enterprises competition. Therefore, the efficient control and use of their Key Performance Indicators, including profitability, cost reduction, demand satisfaction and environmental impact associated to the development of new products, is a significant challenge. All the above indicators can be efficiently controlled through the Supply Chain Management. Thus, companies work towards the optimization of their individual operations under competitive environments taking advantage of the flexibility provided by the virtually inexistent world market restrictions. This is achieved by the coordination of the resource flows, across all the entities and echelons belonging to the system network. Nevertheless, such coordination is significantly complicated if considering the presence of uncertainty and even more if seeking for a win-win outcome. The purpose of this thesis is extending the current decision making strategies to expedite these tasks in industrial processes. Such a contribution is based on the development of efficient mathematical models that allows coordinating large amount of information synchronizing the production and distribution tasks in terms of economic, environmental and social criteria. This thesis starts presents an overview of the requirements of sustainable production processes, describing and analyzing the current methods and tools used and identifying the most relevant open issues. All the above is always within the framework of Process System Engineering literature. The second part of this thesis is focused in stressing the current Multi-Objective solution strategies. During this part, first explores how the profitability of the Supply Chain can be enhanced by considering simultaneously multiple objectives under demand uncertainties. Particularly, solution frameworks have been proposed in which different multi-criteria decision making strategies have been combined with stochastic approaches. Furthermore, additional performance indicators (including financial and operational ones) have been included in the same solution framework to evaluate its capabilities. This framework was also applied to decentralized supply chains problems in order to explore its capabilities to produce solution that improves the performances of each one of the SC entities simultaneously. Consequently, a new generalized mathematical formulation which integrates many performance indicators in the production process within a supply chain is efficiently solved. Afterwards, the third part of the thesis extends the proposed solution framework to address the uncertainty management. Particularly, the consideration of different types and sources of uncertainty (e.g. external and internal ones) where considered, through the implementation of preventive approaches. This part also explores the use of solution strategies that efficiently selects the number of scenarios that represent the uncertainty conditions. Finally, the importance and effect of each uncertainty source over the process performance is detailed analyzed through the use of surrogate models that promote the sensitivity analysis of those uncertainties. The third part of this thesis is focused on the integration of the above multi-objective and uncertainty approaches for the optimization of a sustainable Supply Chain. Besides the integration of different solution approaches, this part also considers the integration of hierarchical decision levels, by the exploitation of mathematical models that assess the consequences of considering simultaneously design and planning decisions under centralized and decentralized Supply Chains. Finally, the last part of this thesis provides the final conclusions and further work to be developed.La globalización industrial genera un ambiente dinámico en los mercados que, entre otras cosas, promueve la competencia entre corporaciones. Por lo tanto, el uso eficiente de las los indicadores de rendimiento, incluyendo rentabilidad, satisfacción de la demanda y en general el impacto ambiental, representa un area de oportunidad importante. El control de estos indicadores tiene un efecto positivo si se combinan con la gestión de cadena de suministro. Por lo tanto, las compañías buscan definir sus operaciones para permanecer activas dentro de un ambiente competitivo, tomando en cuenta las restricciones en el mercado mundial. Lo anterior puede ser logrado mediante la coordinación de los flujos de recursos a través de todas las entidades y escalones pertenecientes a la red del sistema. Sin embargo, dicha coordinación se complica significativamente si se quiere considerar la presencia de incertidumbre, y aún más, si se busca exclusivamente un ganar-ganar. El propósito de esta tesis es extender el alcance de las estrategias de toma de decisiones con el fin de facilitar estas tareas dentro de procesos industriales. Estas contribuciones se basan en el desarrollo de modelos matemáticos eficientes que permitan coordinar grandes cantidades de información sincronizando las tareas de producción y distribución en términos económicos, ambientales y sociales. Esta tesis inicia presentando una visión global de los requerimientos de un proceso de producción sostenible, describiendo y analizando los métodos y herramientas actuales así como identificando las áreas de oportunidad más relevantes dentro del marco de ingeniería de procesos La segunda parte se enfoca en enfatizar las capacidades de las estrategias de solución multi-objetivo, durante la cual, se explora el mejoramiento de la rentabilidad de la cadena de suministro considerando múltiples objetivos bajo incertidumbres en la demanda. Particularmente, diferentes marcos de solución han sido propuestos en los que varias estrategias de toma de decisión multi-criterio han sido combinadas con aproximaciones estocásticas. Por otra parte, indicadores de rendimiento (incluyendo financiero y operacional) han sido incluidos en el mismo marco de solución para evaluar sus capacidades. Este marco fue aplicado también a problemas de cadenas de suministro descentralizados con el fin de explorar sus capacidades de producir soluciones que mejoran simultáneamente el rendimiento para cada uno de las entidades dentro de la cadena de suministro. Consecuentemente, una nueva formulación que integra varios indicadores de rendimiento en los procesos de producción fue propuesta y validada. La tercera parte de la tesis extiende el marco de solución propuesto para abordar el manejo de incertidumbres. Particularmente, la consideración de diferentes tipos y fuentes de incertidumbre (p.ej. externos e internos) fueron considerados, mediante la implementación de aproximaciones preventivas. Esta parte también explora el uso de estrategias de solución que elige eficientemente el número de escenarios necesario que representan las condiciones inciertas. Finalmente, la importancia y efecto de cada una de las fuentes de incertidumbre sobre el rendimiento del proceso es analizado en detalle mediante el uso de meta modelos que promueven el análisis de sensibilidad de dichas incertidumbres. La tercera parte de esta tesis se enfoca en la integración de las metodologías de multi-objetivo e incertidumbre anteriormente expuestas para la optimización de cadenas de suministro sostenibles. Además de la integración de diferentes métodos. Esta parte también considera la integración de diferentes niveles jerárquicos de decisión, mediante el aprovechamiento de modelos matemáticos que evalúan lasconsecuencias de considerar simultáneamente las decisiones de diseño y planeación de una cadena de suministro centralizada y descentralizada. La parte final de la tesis detalla las conclusiones y el trabajo a futuro necesario sobre esta línea de investigaciónPostprint (published version

Food industry supply chain planning with product quality indicators

Quantitative supply chain modelling has contributed substantially to a number of fields, such as the automotive industry, logistics and computer hardware. The inherent methods and optimisation techniques could also be explored in relation to the food industry in order to offer potential benefits. One of the major issues of the food industry is to overcome supply seasonality and on-shelf demand. On the shelf demand is the consumer’s in store demand which could also be seasonal. Objective of this work is to add flexibility to seasonal products (i.e. soup) in order to meet the on-shelf demand. In order to achieve this, a preparation process is introduced and integrated into the manufacturing system. This process increases the shelf-life of raw materials before starting the production process. This process, however, affects the quality of fresh raw materials and requires energy. Therefore, a supply chain model is developed, which is based on the link between the quality of the raw material and the processing conditions, which have an effect on the process’ energy consumption and on the overall product quality. It is challenging to quantify the quality by looking at the processing conditions (degrees of freedom) and by linking it with energy in order to control and optimise the quality and energy consumption for each product. The degrees of freedom are defined differently for each process and state. Therefore, the developed model could be applied to all states and processes in order to generate an optimum solution. Moreover, based on the developed model, we have determined key factors in the whole chain, which are most likely to affect the product quality and consequently overall demand. There are two main quality indicator classes to be optimised, which are both considered in the model: static and time dependent indicators. Also, this work considers three different preparation processes – the air-dry, freeze-dry and freezing process – in order to increase the shelf-life of fresh raw materials and to add flexibility to them. A model based on the interrelationship between the quality and the processing conditions has been developed. This new methodology simplifies and enables the model to find the optimum processing conditions in order to obtain optimum quality across all quality indicators, whilst ensuring minimum energy consumption. This model is later integrated into the supply chain system, where it generates optimum solutions, which are then fed into the supply chain model. The supply chain model optimises the quality in terms of customer satisfaction, energy consumption and wastage of the system linked to environmental issues, and cost, so that the final products are more economical. In this system, both the manufacturing and inventory systems are optimised. This model is later implemented with a real world industrial case study (provided by the industrial collaborator). Two case studies are considered (soya milk and soup) and interestingly enough only one of them (soup) corresponds with this model. The advantage of this model is that it compares the two systems and then establishes which system generates an optimum end product.Open Acces

Life cycle assessment (LCA) applied to the process industry: a review

Purpose : Life cycle assessment (LCA) methodology is a well-established analytical method to quantify environmental impacts, which has been mainly applied to products. However, recent literature would suggest that it has also the potential as an analysis and design tool for processes, and stresses that one of the biggest challenges of this decade in the field of process systems engineering (PSE) is the development of tools for environmental considerations. Method : This article attempts to give an overview of the integration of LCA methodology in the context of industrial ecology, and focuses on the use of this methodology for environmental considerations concerning process design and optimization. Results : The review identifies that LCA is often used as a multi-objective optimization of processes: practitioners use LCA to obtain the inventory and inject the results into the optimization model. It also shows that most of the LCA studies undertaken on process analysis consider the unit processes as black boxes and build the inventory analysis on fixed operating conditions. Conclusions : The article highlights the interest to better assimilate PSE tools with LCA methodology, in order to produce a more detailed analysis. This will allow optimizing the influence of process operating conditions on environmental impacts and including detailed environmental results into process industry

Integrated batch process development based on mixed-logic dynamic optimization

Specialty chemicals industry relies on batch manufacturing, since it requires the frequent adaptation of production systems to market fluctuations. To be first in the market, batch industry requires decision-support systems for the rapid development and implementation of chemical processes. Moreover, the processes should be competitive to ensure their long-term viability. General-purpose and flexible plants and the consideration of physicochemical insights to define an efficient operation are also cornerstones for the success of specialty chemical industries. Precisely, this thesis tackles the systematic development of batch processes that are efficient, economically competitive, and environmentally friendly, to assist their agile introduction into production systems in grassroots and retrofit scenarios. Synthesis of conceptual processing schemes and plant allocation subproblems are solved simultaneously, taking into account the plant design. With this purpose, an optimization-based approach is proposed, where all structural alternatives are represented in a State-Equipment Network (SEN) superstructure, following formulated into a Mixed-Logic Dynamic Optimization (MLDO) problem which is later solved to minimize an objective function. Essentially, the strength of the proposed methodology lies in the modeling strategy which combines the different kinds of decisions of the integrated problem in a unique optimization model. Accordingly, it considers: (i) synthesis and allocation alternatives combination, (ii) dynamic process performance models and dynamic control variable profiles, (iii) discrete events associated to transitions of batch phases and operations, (iv) quantitative and qualitative information, (v) material transference synchronization to ensure batch integrity between unit procedures, and (vi) batch and semicontinuous processing elements. Different strategies can be used to solve the resulting MLDO problem. A deterministic direct-simultaneous approach is first proposed. The mixed-logic problem is reformulated into a mixed-integer one, which is fully-discretized to provide a Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) that is optimized using conventional solvers. Then, a Differential Genetic Algorithm (DGA) and a hybrid approach are presented. The purpose of these evolutionary strategies is to pose solution alternatives that keep solution goodness while seek for the improvement of computational efficiency to handle industrial-size problems. The optimization-based approach is applied in retrofit scenarios to solve the simultaneous process synthesis and plant allocation, taking into account the physical restrictions of existing plant elements. The production of specialty chemicals based on a competitive reactions system in an existing reactor network is first defined through process development and improvement according to different economic scenarios, decision criteria, and plant modifications. Additionally, a photo-Fenton process is optimized to eliminate an emergent wastewater pollutant in a given pilot plant, pursuing the minimization of processing time and cost. Batch process development in grassroots scenarios is also proven to be a problem of utmost importance to deal with uncertainty in future markets. Seeking for plant flexibility in several demand scenarios, the expected profit is maximized through a two-stage stochastic formulation that includes simultaneous plant design, process synthesis, and plant allocation decisions. A heuristic solution algorithm is used to handle the problem complexity. A grassroots plant design is defined to implement the previous competitive reaction system, where decisions like the feed-forward trajectories or operating modes allow the adaptation of master recipes to different demands. Finally, an acrylic fiber production example is presented to illustrate process development decisions like the selection of tasks, technological alternatives, chemicals, and solvent reuse.La indústria de productes químics especials es basa en la fabricació discontinua, ja que permet adaptar de forma freqüent els sistemes de producció en funció de les fluctuacions de mercat. Per ser líder al sector, són necessàries eines de suport a la decisió que ajudin a l’àgil desenvolupament i implementació de nous processos. A més, aquests han de ser competitius per garantir la seva viabilitat a llarg termini. Altres peces clau per una operació eficient són l’ús de plantes flexibles així com l’estudi dels fenòmens fisicoquímics. Aquesta tesis aborda justament el desenvolupament sistemàtic de processos químics discontinus que siguin eficients, econòmicament competitius i ecològics, per contribuir a la seva ràpida introducció en els sistemes de producció, tant en escenaris de plantes existents com des de les bases. En concret, es planteja la resolució simultània de la síntesi conceptual d’esquemes de procés i l’assignació d’equips, tenint en compte el disseny de la planta. Amb aquest objectiu, es proposa una metodologia de solució basada en optimització, on les alternatives estructurals es representen en una Xarxa d’Estats i Equips (SEN per les sigles en anglès) que es formula mitjançant un problema d’Optimització Dinàmica Mixta-Lògica (MLDO per les sigles en anglès) que es resol minimitzant una funció objectiu. La solidesa de la metodologia proposada rau en la estratègia de modelat del problema MLDO, que integra els diferents tipus de decisions en un sol model d’optimització. En concret, es consideren: (i) la combinació d’alternatives de síntesi i assignació d’equips, (ii) models de procés i trajectòries de control dinàmics, (iii) esdeveniments discrets associats al canvi de fase i operació, (iv) informació quantitativa i qualitativa, (v) sincronització de transferències de material en tasques consecutives, i (vi) elements de processat discontinus i semi-continus. Existeixen diverses estratègies per resoldre el problema MLDO resultant. En aquesta tesi es proposa en primer lloc un mètode determinístic directe-simultani, on el model mixt-lògic es transforma en un mixt-enter. Aquest es discretitza al seu torn de forma completa per obtenir un problema de Programació No-Lineal Mixta-Entera (MINLP per les sigles en anglès) el qual es pot resoldre utilitzant algoritmes d’optimització convencionals. A més, es presenten un Algoritme Genètic Diferencial (DGA per les sigles en anglès) i un mètode híbrid. Totes dues estratègies esdevenen alternatives de cerca amb l’objectiu de mantenir la bondat de la solució i millorar l’eficàcia de computació per tractar problemes de dimensió industrial. La metodologia de solució proposada s’aplica al desenvolupament de processos discontinus en escenaris de plantes existents, tenint en compte les restriccions físiques dels equips. Un primer exemple aborda la manufactura de productes químics basada en un sistema de reaccions competitives. Concretament, es desenvolupa i millora el procés de producció implementat en una xarxa de reactors considerant diferents escenaris econòmics, criteris de decisió, i modificacions de planta. En un segon exemple, s’optimitza el procés foto-Fenton per ser executat en una planta pilot per eliminar contaminants emergents. Buscant integrar el desenvolupament de procés i el disseny de plantes flexibles en escenaris de base, es presenta una formulació estocàstica en dues etapes per a optimitzar el benefici esperat d’acord a diversos escenaris de demanda. Per gestionar la complexitat d’aquest problema es proposa la utilització d’una heurística. Com a exemple, es planteja el disseny d’una planta de base on implementar l’anterior sistema de reaccions competitives. Decisions com les trajectòries dinàmiques de control o la configuració d’equips permeten adaptar la recepta màster en funció de la demanda. Un darrer exemple defineix el procés de producció de fibra acrílica, il·lustrant decisions com la selecció de tasques, tecnologia, reactius o reutilització de dissolvents.La industria productos químicos especiales se basa en la fabricación discontinua, la cual permite la adaptación frecuente de los sistemas de producción en función de las fluctuaciones de mercado. Para ser líder en el sector, son necesarias herramientas de soporte a la decisión que contribuyan al ágil desarrollo e implementación de nuevos procesos. Además, éstos deben ser competitivos para garantizar su viabilidad a largo plazo. Otras piezas clave para una operación eficiente son la utilización de plantas flexibles y el estudio de los fenómenos fisicoquímicos. Esta tesis aborda justamente el desarrollo sistemático de procesos químicos discontinuos que sean eficientes, económicamente competitivos y ecológicos, para contribuir a su rápida introducción en los sistemas de producción, ya sea en escenarios de plantas existentes o desde las bases. En particular, se plantea la resoluciónsimultánea de la síntesis conceptual de esquemas de proceso y la asignación de equipos, teniendo en cuenta además el diseño de planta.Con este fin, se propone una metodología de solución basada en optimización, donde todas las alternativas estructurales se representan en una Red de Estados y Equipos (SENpor sus siglas en inglés) que se formula mediante un problema de Optimización Dinámica Mixta-Lógica (MLDO por sus siglas en inglés) que se resuelve minimizando una función objetivo. La solidez de la metodología propuesta reside en la estrategia de modelado delproblema MLDO, que integra los diferentes tipos de decisiones en un solo modelo de optimización. En concreto, se consideran: (i) la combinación de alternativas de síntesis y asignación de equipos, (ii) modelos de proceso y trayectorias de control dinámicos, (iii)eventos discretos asociados al cambio de fase y operación, (iv) información cuantitativa y cualitativa, (v) sincronización de la transferencia de material en tareas consecutivas, y(vi) elementos de procesado discontinuos y semicontinuos.Existen diversas estrategias para resolver el problema MLDO resultante. En esta tesis se propone en primer lugar un método determinístico directo-simultáneo, donde el problema mixto-lógico se reformula en un mixto-entero. A su vez, éste se discretiza de formacompleta para obtener un problema de Programación No-Lineal Mixta-Entera (MINLP por sus siglas en inglés) el cual se puede resolver mediante algoritmos de optimización convencionales. Además, se presentan un Algoritmo Genético Diferencial (DGA por sussiglas en inglés) y un método híbrido. Ambas estrategias se plantean como alternativas de búsqueda con objeto de mantener la bondad de la solución y mejorar la eficacia de computación para tratar problemas de dimensión industrial.La metodología de solución propuesta se aplica al desarrollo de procesos discontinuos en escenarios con plantas existentes, teniendo en cuenta las restricciones físicas de los equipos. Un primer ejemplo aborda la fabricación de productos químicos basada en un sistema de reacciones competitivas. En concreto, se desarrolla y mejora el proceso de producción a implementar en una red de reactores considerando diferentes escenarios económicos, criterios de decisión, y modificaciones de planta. En un segundo ejemplo,se optimiza el proceso foto-Fenton a ser ejecutado en una planta piloto para eliminar contaminantes emergentes.Persiguiendo la integración del desarrollo de proceso con el diseño de plantas flexi-bles en escenarios base, se presenta asimismo una formulación estocástica en dos etapas para optimizar el beneficio esperado de acuerdo a varios escenarios de demanda. Paramanejar la complejidad de dicho problema se propone la utilización de una heurística.Como ejemplo, se plantea el diseño de una planta de base para implementar el anterior sistema de reacciones competitivas, donde decisiones como las trayectorias dinámicas de control o la configuración de equipos permiten adaptar la receta máster en función de lademandas. Por último, se presenta un ejemplo donde se define el proceso de producción de fibra acrílica, ilustrando decisiones como la selección de tareas, alternativas tecnológicas, reactivos químicos o la reutilización de disolventes.Postprint (published version