MODELIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN BAJO CARACTERÍSTICAS ESPACIALMENTE EXPLÍCITAS DE CADENAS DE SUMINISTRO DE BIOETANOL. Ricardo Andrés Ortiz Gutiérrez, Fabrizio Bezzo CAPE-Lab, Departamento de Ingenieria Industrial,Universidad de Pádua,via Marzolo 9, 35131, Pádua, Italia. * E-mail: ricardoandres.ortizgutierrez@studenti.unipd.it Abstract El presente trabajo propone un modelo de Programación Entera Mixta (MILP) espacialmente explícito representando la evolución dinámica de una cadena de sumininistro (SC) de bioetanol sujeta a un incremento de la demanda de biocombustible y bajo un esquema de reducción de gases de efecto invernadero (GEI) con el tiempo, concebido como un problema de optimización requiriéndose que la totalidad del sistema cumpla con el doble objetivo: i) la maximización de los resultados financieros de la empresa (valor actual neto, VAN) y ii) reducción al mínimo del impacto sobre el calentamiento global (en términos de las emisiones totales de GEI) en la operación del sistema. La producción de bioetanol en el norte de Italia es elegida como caso de estudio demostrativo. Keywords: MILP optimization, ethanol supply chains, carbon trading, biogas. 1. Introducción. Los biocombustibles fueron indicados primero como una opción para proporcionar un trasporte de bajo consumo energético, contribuyendo al mismo tiempo un consumo más seguro, competitivo y sostenible de combustibles. Las Directivas de la Unión Europea (UE) en materia de energía renovable, han establecido ambiciosos objetivos para todos los miembros de la UE con el propósito de alcanzar una cuota del 10% de energía procedente de fuentes renovables para el año 2020 en el sector del transporte. Como meta de sostenibilidad se ha establecido la reducción de gases de efecto invernadero (GEI) arribando a un límite mínimo del 35% a partir de 2009, el 50% a partir de 2017 y del 60% a partir de 2018. El bioetanol producido de primera generación se ha indicado primeramente como la solución mas competitiva. El aspecto económico de la producción de bioetanol de primera generación depende en gran medida de los costos del suministro de materias primas [1,2]. Además, la rentabilidad del negocio recae profundamente en i) los ingresos secundarios provenientes del uso final de los subproductos (i.e. los granos secos de destilería con solubles, DDGS), así como ii) en los subsidios gubernamentales usualmente desplegados para apoyar la industria de biocombustibles. Herramientas de toma de decisiones que abarquen toda la supply chain (SC) son necesarias para dirigir este cambio de paradigma hacia infraestructuras más sostenibles. El objetivo de este trabajo es proponer un modelo MILP para optimizar simultaneamente el comportamiento ambiental y financiero de una SC de producción de bioetanol. Dentro de la formulación son incorporadas características espacialmente explícitas, de multiperiodo y multi-nivel para orientar las decisiones e inversiones a través de un enfoque global, integrando el análisis de SC (SCA) con las técnicas de análisis de ciclo de vida (LCA) [3,4]. 2. Supuestos y Métodos. Este trabajo aborda el diseño estratégico y la planeación de una SC general de biocombustible a lo largo de un tiempo de 15 años, dividido en cinco intervalos de tiempo (de tres años de longitud cada uno)[5], considerando un amplio set de tecnologías alternativas de producción las cuales se presentan en la Tabla 1. Tabla 1. Identificación y descripción del producto de cada tecnología pertenecientes al set k. k Proceso Productos DGP DGP-CHP ADWS ADTS Ethanol DDGS Power 1 x x x 2 x x x 3 x x x 4 x x x x Las variables principales a ser optimizadas a lo largo del plazo planeado con la mejor configuración de la SC de bioetanol en terminos de (i) la localización geográfica de los sitios de producción de biomasa (local o importada) y la taza de producción, (ii) selección de la(s) tegnología(s), ubicación y tamaño de las plantas planeadas, (iii) caracterización de la logística de transporte, (iv) rendimiento financiero del sistema, y (v) el impacto sobre el calentamiento global. 3. Caso de estudio. La emergente producción de etanol a base de biomasa en el Norte de Italia durante el periodo de 2012 a 2026 será evaluado como caso estudio para ilustrar la aplicabilidad y capacidades del enfoque propuesto en dirección del diseño estratégico y planeación de sistemas, tales como las cadenas de suministro de biocombustibles. Se presentarán solo los resultados para el caso del óptimo económico. 4. Resultados y Discusión. El problema fue resuleto por medio del resulotor CPLEX con la herramienta de modelado GAMS®. La tendencia de los resultados pone de manifiesto el conflicto entre el desempeño ambiental y económico para hacer frente a la producción de biocombustibles. La configuración óptima en términos de rendimiento económico implica un VAN marginal de 1.19 €/GJetOH contra un impacto ambiental global de 60.7 kg de CO2-eq./GJetOH correspondiendo a una reducción de GEI de un 29% en comparación con la gasolina, esto sería insuficiente para alcanzar la meta 2017 (al 50%) y la reducción del 60% exigido para el 2020. El diseño del sistema implicaría el establecimiento de plantas de producción estándar DGP (k=1) y la tecnología que implica la digestión anaerobia de la vinaza fina (k=4). El potencial de reducción de ese impacto representa en la alrededor del 84% de reducción de GEI siendo suficiente para satisfacer el objetivo tanto del 2017 y 2020 (50% y 60%, respectivamente). Cabe destacar que la tecnología de DGP no se ha seleccionado, esto nos permite deducir que la inclusión del sistema anaerobio ha mejorado la cadena de suministro económica y ambientalmente. La figura 1 ilustra el diseño y la estrategia de planificación que incluye el sistema de transporte detallada de la solución óptima para el rendimiento económico en el final del horizonte de tiempo. La solución para la configuración económica del diseño del sistema (Figura 1) implicaría el establecimiento de seis plantas de producción basados en la tecnología ADTS (k=4) y el DGP (k=1), donde las tres primeras de ellas se pondría en operación durante el primer periodo de tiempo (t=1). La más grande, la planta 2, correspondiente a una capacidad de producción nominal de alrededor de 233 kt/año se encuentra en la zona industrial de Porto Viro (g=43). La planta 3 se instala en el puerto de Génova (g=46) con una capacidad nominal de producción de 215 kt/año, que al igual que la planta 2 situada a lo largo de las costas se alimentan a través del maíz importado. Figura 1 Diseño y estrategia de planificación (t=5) para el caso óptimo económico. La última planta creada durante el período inicial se encuentra dentro de la zona industrial de Venecia (g=32) con una capacidad de producción nominal de 110 kt/año, permitiendo la entrada de biomasa importada del extranjero. Eventualmente, son necesarias otras trés plantas para satisfacer la demanda en el Norte de Italia durante los últimos periodos de tiempo. La siguiente planta es localizada en la zona industrial de Turín (g=25), a ésta se le asigna un tamaño pequeño de producción de etanol de alrededor de 110 kt/año, produciéndose la biomasa necesaria de manera local. Inmediatamente después, es necesario establecer una planta en la zona portuaria de Ravena (g=52) lo que le permite la facilidad de aceptar biomasa importada, con una capacidad nominal de 110 kt/año. La planta número 6, establecida en los últimos periodos debe ser situada en la zona vecina a Milán (g=27) con una capacidad de produccón de 185 kt/año donde la materia prima es cosechada localmente. Es notable que para la configuración óptima del caso económico la biomasa es principalmente importada desde el extranjero (69%), lo que permite un mejor desempeño económico en términos de costos de suministro de la biomasa, debido al bajo precio del maíz importado y de los ingresos globales positivamente afectados por los grandes ingresos provenientes del negocio paralelo con el sub-producto DDGS. En cuanto al sistema de transporte se refiere, se prefieren las trayectorias de agua (barcazas y buques) siempre que sean viables, de lo contrario el ferrocarril es elegido para el suministro de la biomasa y productos. 5. Conclusiones. En este trabajo se ha presentado y discutido una estructura de modelización multi-objetivo MILP espacialmente explícito y multi-periodo para el diseño y planificación viable y sostenible de una SC de biocombustibles multi-escalón. El propósito del estudio ha sido construir una herramienta de toma de decisiones que pueda ser útil para orientar y dirigir la transición hacia una producción mas sostenible de biocombustibles bajo criterios tanto económicos como ambientales. Los resultados de optimización demuestran cómo la integración del sistema de digestión anaerobia en las infraestructuras de primera generación podría asegurar un equilibrio viable entre el desempeño económico y ambiental. 6. Agradecimientos. R. A. Ortiz Gutiérrez agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por la beca de doctorado otorgada. Referencias [1] Petrou, E.C.,&Pappis,C.P. Energy & Fuels, 23, (2009), 1055–1066. [2] Solomon, B.D.,&Johnson,N.H. Ecological Economics, 68, (2009), 2137–2144. [3] Delucchi, M.A. University of California: Davis,(2006) U.S.A. [4] Hugo A, Pistikopoulos EN. J Cleaner Prod.,13, (2005), 1471e91. [5] Giarola, S., Zamboni, A., Bezzo, F., Comput. Chem. Eng., 35, (2011), 1782–1797.