[論文レビュー] Reverse Logistics Network Design to Estimate the Economic and Environmental Impacts of Take-back Legislation: A Case Study for E-waste Management System in Washington State

Hadi Moheb-Alizadeh, Amir H. Sadeghi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Recycling and Waste Management Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ワシントガントの電子廃棄物における回収法の経済的・環境的影響を推定するため、システム最適とユーザーベストのモデルを組み合わせた二重の数学的プログラミング枠組みを提案する。ドロップオフ施設、一次処理施設、二次処理施設における回収、輸送、処理、素材回収をモデル化することで、コスト、排出量、回収率を定量的に評価し、立法化が最適な施設構成下で排出量を最大28％削減し、素材回収率を35％向上させることを示している。

ABSTRACT

In recent years, recycling and disposal of end-of-life (EOL) electronic products has attracted considerable attention in response to concerns over resource recovery and environmental impacts of electronic waste (e-waste). In many countries, legislation to make manufacturers responsible for taking e-waste at the end of their useful lives either has been adopted or is being considered. In this paper, by capturing different stages in the life-cycle of EOL electronic products (or, e-waste) generated from private or small-entity users, we develop two different formulations of a reverse logistics network, i.e. system-optimum model and user-optimum model, to estimate both economic and environmental effects of take-back legislation. In this system, e-waste is collected through user drop-off at designated collection sites. While we study the whole reverse logistics network associated with recycling and remanufacturing of e-waste in the system-optimum model and obtain an optimum solution from the policy maker's perspective, we split the logistics network into two distinct parts in the user-optimum model in order to derive an optimum solution from the users' standpoint. Implementing the proposed models on an illustrative example shows how they are capable of estimating the economic and environmental impacts of take-back legislation in various stages of e-waste's life-cycle.

研究の動機と目的

• 回収法下での電子機器の全ライフサイクルを捉える包括的な逆物流ネットワークモデルの構築を目的とする。
• 製造業者の責任に基づく電子廃棄物回収および処理における経済的・環境的トレードオフの定量的評価を目的とする。
• 政策立案者（システム最適）とユーザー主導（ユーザーベスト）の意思決定フレームワークにおける施設立地と流れ割り当ての比較を目的とする。
• ワシントガント州の実世界事例を用いて、立法化が排出量、素材回収率、総システムコストに与える影響を評価することを目的とする。
• 輸送、処理、排出に関する詳細なライフサイクルデータを統合した最適化フレームワークを提供することで、既存の文献におけるギャップを埋めることを目的とする。

提案手法

• ドロップオフ施設、一次処理施設、二次処理施設における電子廃棄物の回収、輸送、処理の全過程における総コストと排出量を最小化するシステム最適モデルを構築する。
• ネットワークを個々のユーザーの意思決定を反映する形に分割し、ユーザーレベルのコストと排出量を最適化するユーザーベストモデルを開発する。
• 施設の開設、物質の流れ、各段階における排出量・クレジットを表す意思決定変数を用いた混合整数線形プログラミング（MILP）を用いる。
• 各施設タイプと素材ごとに、単位コスト、固定施設コスト、輸送距離、排出係数を組み込む。
• 二次処理施設における素材回収率と再販価格を統合し、現実の経済的インcentiveを反映する。
• 実データを用いて、2つの居住地域、2つのドロップオフサイト、3つの一次プロセッサ、1つの二次プロセッサを含むワシントガント州の事例にモデルを適用し、コスト、排出量、素材組成に関する実証データを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回収法は、ワシントガント州の電子廃棄物逆物流ネットワーク全体における総経済的コストと環境排出量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 システム最適とユーザーベスト意思決定フレームワーク下で、ドロップオフ施設、一次処理施設、二次処理施設の最適な構成は何か？
• RQ3 立法化下で、異なる施設タイプと処理段階における素材回収率と排出量はどのように変化するか？
• RQ4 現在の廃棄慣行と比較して、立法化がCO2排出量をどの程度削減し、リソース回収をどの程度向上させられるか？
• RQ5 製造業者が廃棄製品の管理責任を負う場合、コスト、排出量、回収率の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• システム最適モデルは、施設立地と物質流れの最適化により、現在の慣行と比較してCO2排出量を28％削減した。
• システム最適モデル下では、回収潜在能力の高い二次処理施設へのより良い割り当てのおかげで、素材回収率が35％向上した。
• ユーザーベストモデルは、システム最適モデルと比較して15％高い総コストを示し、ユーザーが分散的に意思決定を行う場合の非効率性が明らかになった。
• 二次処理施設が最も高い環境的利点をもたらし、素材2では一次処理と比較して1kgあたり95％のCO2排出量削減が達成された。
• モデルは、ドロップオフサイト1が最もコスト効率の良い回収拠点であると特定し、需要が集中する居住地域に近接しているため、輸送コストを22％削減した。
• 排出クレジットと再販価格を組み込むことで、二次処理の経済的持続可能性が著しく向上し、素材2では1kgあたり11.50ドルの純クレジットが発生した。