Orman ürünleri endüstrisi temelli bir endüstriyel simbiyoz ağı için deterministik ve stokastik modeller
Deterministic and stochastic models for an industrial symbiosis network based on forest products industry
Yazar: MURAT YEŞİLKAYA
Danışman: DOÇ. DR. GÜLESİN SENA DAŞ
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Durağan olmayan stokastik talep = Nonstationary stochastic demand ; Endüstriyel simbiyoz = Industrial symbiosis ; Kapalı döngü tedarik zinciri ağ tasarımı = Closed loop supply chain network design ; Matematiksel modeller = Mathematical models ; Optimizasyon modelleri = Optimization models ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Küreselleşen dünyada artan nüfus ve çevre kirliliği nedeniyle, doğal kaynakların tasarruf edilmesi ve sürdürülebilirlik kritik bir konu haline gelmiştir. Bu kapsamda kaynak sürdürülebilirliğini ve temiz üretim yaklaşımını teşvik eden endüstriyel simbiyoz (ES) kavramı popülerlik kazanmıştır. ES, işletmelerin birbirlerinin atık malzeme, enerji ve yan ürünlerinin tekrar kullanımını teşvik ederek hammadde tasarrufu ve enerji verimliliği sağlamayı hedefleyen bir yaklaşımdır.

Bu tez çalışmasının amacı; temiz üretim ve sürdürülebilir kaynak yönetimini destekleyen orman endüstrisi temelli bir ES ağı tasarlamaktır. ES ağları işletmelerin gönüllü işbirliğine dayandığı için işletmeler kar elde ettikleri sürece bu ağda kalacaklardır. Bu amaçla, ES uygulamalarının sıklıkla tercih edildiği orman endüstrisi bir ES ağı tasarlanmıştır. Orman endüstrisinde faaliyet gösteren kereste, kontrplak, yongalevha, liflevha, kağıt ve pelet tesisleri gibi işletmeleri barındıran bu ES ağı bir eko-endüstriyel park (EEP) bünyesinde konumlandırılmıştır. EEP'de faaliyet gösteren işletmelerin konumu ALDEP algoritması kullanılarak belirlenmiştir. Bu teorik EEP'deki işletmelerin kuracağı ES ağı yaşam döngüsü analizi kullanılarak elde edilmiştir. Sonrasında bu ağ çok amaçlı çok dönemli deterministik bir model kullanılarak analiz edilmiştir. Geliştirilen model hem ağırlıklı toplam hem de e-kısıt yöntemleri çözülmüştür. Modelde malzeme değişiminin mevcut olmadığı ilk döneme kıyasla, sonraki dönemlerde beklendiği gibi ES ağına dahil olan işletmelerin üretim maliyetleri ve emisyonları azalmıştır. Buna ek olarak ağda önemli miktarda su, atık ve yan ürün değişimi gözlenmiştir.

İşletmelerin faaliyet alanlarındaki son ürünleri üretmeleri esnasında ortaya çıkan yan ürünlerin değiş tokuşuna dayalı bu ES ağı son ürün talebinden etkilenmektedir. ES ağının sürdürülebilirliğine dayalı bu durumun incelenmesi amacıyla talebinin stokastik olduğu iki aşamalı stokastik bir model önerilmiştir. Son ürün talebindeki dalgalanmanın etkisini görmek için ise farklı değişim katsayısı değerleri (cv=0,2 , cv=0,1 ve cv=0,01) kullanılmıştır. Model örneklem yakınsama algoritması ile çözülmüş ve tüm cv değerleri için çok küçük bir (%0,04'ün altında) optimalite boşluğuna ulaşılmıştır. cv değeri arttıkça hem işletmelerin karlılığı azalmış hem de değiş tokuş edilen yan ürün miktarı ile yan ürün stok miktarı da azalmıştır. Stokastik talep durumunda, ağdaki işletmelerin kârındaki düşüşe rağmen ağın sürdürülebilir olduğu görülmüştür.

Abstract:
Due to the increasing population and environmental pollution in the globalizing world, saving natural resources and sustainability has become a critical issue. In this context, the concept of industrial symbiosis (IS), which promotes resource sustainability and cleaner production approach, has gained popularity. IS aims to provide raw material savings and energy efficiency by enabling the reuse of waste materials, energy and by-products.

The aim of this thesis is to design a forest industry based IS network that supports cleaner production and sustainable resource management. Since IS networks are based on the voluntary cooperation of businesses, companies would stay in these networks as long as they make profit. For this purpose, a forest industry-based ES network is designed, where ES applications are frequently preferred.  This ES network, which includes enterprises operating in the forest industry such as sawmill, plywood, particleboard, fiberboard, paper and pellet plants, is located within an eco-industrial park (EEP). The location of plants operating within an eco-industrial park (EIP) is determined using the ALDEP algorithm. The IS network in this theoretical EIP is established using life cycle analysis. Afterwards this network is analyzed using a multi-objective multi-period deterministic model. The developed model is solved by both weighted-sum and e-constraint methods. Compared to the first period when there was no material exchange, the production costs and emissions of the companies included in the IS network decreased in the following periods as expected. In addition, significant exchange of water, waste and by-products are observed in the network.

This IS network, which is based on the exchange of by-products that arise during the production of the final products of the companies, is affected by the demand for the final product. In order to examine this situation based on the sustainability of the network, a two-stage stochastic model with stochastic demand is proposed. Different coefficients of variation (cv=0.2 , cv=0.1 and cv=0.01) are used to see the effect of fluctuation in the final product demand. The model is solved with the sample average approximation algorithm and a very small optimality gap (less than 0.04%) is reached for all cv values.  As the cv value increased, both the profitability of the companies decreased, and the amount of exchanged by-products and by-product stocks also decreased. In case of stochastic demand, it has been seen that the network is sustainable despite the decrease in the profit of the companies in the network.