Optimizing environmental and economic aspects of collaborative transportation and logistics related to construction and demolition projects

Abstract

Overskuddsmasser fra bygg- og anleggsprosjekter representerer den største avfallskategorien i mange regioner rundt omkring i verden. Slike masser har et stort, uutnyttet resirkuleringspotensial. For å imøtekomme nasjonale og internasjonale mål om minst 70 % gjenvinning av overskuddsmasser er det nødvendig å legge til rette for bærekraftig massehåndtering i bransjen. På en annen side er det et økende behov for byggemasser, samtidig som mange av overskuddsmassene er verdifulle, ikke-fornybare ressurser som bør utnyttes til det fulle for å unngå knapphet på ressurser. Resirkulering og gjenbruk av overskuddsmasser er derfor viktig både miljømessig og økonomisk, for å redusere deponering, transport og utvinning av jomfruelige råvarer. Dette ønsker Bærum kommune å legge til rette for gjennom samarbeidsprosjektet Bærum Ressursbank, som også er utgangspunktet for masteroppgaven.

Formålet med denne masteroppgaven er å gi beslutningsstøtte til planlegging av gjenvinning og håndtering av overskuddsmasse fra utbyggingsprosjekter. Hensikten er å se på økonomiske og miljømessige effekter av transport, behandling og gjenbruk. Hypotesen er at samarbeid mellom aktører i bransjen og bedre planlegging av gjenvinning og massetransport vil gjøre det mulig å gjenbruke mer av overskuddsmassene og redusere transportbehov. Dette vil i så fall gi både miljømessige og økonomiske besparelser.

For å løse disse problemstillingene, er det utarbeidet en modell for å finne distribusjonsnettverket av overskuddsmasser og hvilke anlegg som behøver ulike gjenvinningsmaskiner. Modellen er en Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimiseringsmodell som kombinerer formuleringer fra problemer som tar for seg forsyningskjedenettverk (supply chain network problems) og returtransport (backhauling). Modellen ser på både miljømessige og økonomiske kriterier, fra både prosjekteieres og samfunnets ståsted. Modellen har blitt brukt med reelle data for å optimere og analysere transport og logistikk i Bærum kommune.

Hovedbidraget fra masteroppgaven er en modell som kan benyttes som beslutningsstøtte for både private og offentlige aktører for å planlegge transport og logistikk rundt overskuddsmasser. Resultater fra analysene som er gjort viser både økonomiske og miljømessige besparelser av å koordinere massetransporten mellom prosjektene. Ved å få alle aktørene til å samarbeide kan så mye som 99 % av behovene for byggemasser hentes fra overskuddsmasse fra andre prosjekter. Analysen viser også en reduksjon i utslipp og kostnader på henholdsvis 20 % og 34 % ved samarbeid, sammenliknet med et tilfelle hvor alle enkeltaktører optimerer transport og logistikk individuelt. Et viktig aspekt som blir avdekket er at det kan være vanskelig å vise alle miljømessige konsekvenser kun ved å se på utslipp av CO2. I studien som er gjort her, er et eksempel på dette at besparelsen i antall kilometer tomkjøring er så mye som 55 % hvis prosjekter samarbeider om transport, noe som er betydelig mer enn besparelsene i rene karbonutslipp. Dette er likevel et viktig mål på hvordan lokalbefolkningen påvirkes.

Modellen som er utviklet i denne masteroppgaven er klar til å bli tatt i bruk til industrielle formål, noe flere aktører i bransjen har vist interesse for. Med kvalitetssikring av input-data vil resultatene bli enda mer nøyaktige, og brukes til beslutningsstøtte for både kommunale og statlige aktører, prosjekteiere, entreprenører og andre i bygg- og anleggsbransjen.

The largest waste types in many regions throughout the world are represented by surplus rock, stone fractions and other construction- and demolition waste, with a large potential for reuse and recycling. In order to fulfil national and international goals of 70 % material recovery from construction and demolition projects it is necessary to facilitate adequate management of these wastes. On the other hand, there is an increased demand and scarcity of natural occurring material. Thus, recycling and reuse of construction and demolition waste are of both environmental and economic importance, as it can reduce landfill, transportation and resource extraction. The municipality of Bærum wants to facilitate an optimal use of such masses through the collaborative project Bærum Ressursbank. This initiative is the origin of this master thesis.

The aim of this paper is to provide decision support for planning of recycling and handling of surplus material from construction and demolition projects. The hypothesis is that a better planning of mass transportation and recycling collaboratively across projects will facilitate increased reuse of waste materials and reduced transportation needs, resulting in both economic and environmental benefits.

This is done by finding the distribution network of construction masses and which processing machines that are needed at different recycling facilities. The problem is solved by the means of a deterministic Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization model that combine a supply chain network problem formulation with a formulation of transportation backhauling (in this thesis denoted roundtrip). The model considers both environmental (CO2 emissions) and economic criteria, from the perspectives of individual project owners and the overall system/society. Using this model, different scenarios are analysed based on a real-life case in the municipality of Bærum in Norway.

The main contribution of this thesis is a developed model which can be used as a decision support tool for both government agencies and commercial participants in the construction and demolition sector when planning transportation and logistics around construction wastes. The paper shows that if trade and transportation of masses are planned cooperatively across projects, close to all demand is possible to get from recycled and reused construction waste. Furthermore, the analysis show that emissions and costs can be reduced at least 20 % and 34 %, respectively, compared to individually optimizing each respective project. However, the results indicate that not all environmental impacts are reflected by only considering CO2 emissions. In the case study carried out in this thesis, benefits for local inhabitants surpass the reductions in carbon emissions, as a transportation collaboration could reduce kilometres empty driving of trucks by as much as 55 %.

The model proposed in this master thesis is ready to be implemented in real world applications. Several industry participants have already shown interest for the model with positive feedbacks. By increasing the quality of input data even more, the produced results become increasingly accurate, and can be used as decision support for governmental agencies, project owners, entrepreneurs and other parties in the construction and demolition sector.