[논문 리뷰] 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. Sadeghi외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 24.

Recycling and Waste Management Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 워싱턴 주의 전자 폐기물에 대한 반납 법제의 경제적 및 환경적 영향을 평가하기 위해 시스템 최적화 및 사용자 최적화 모델을 포함하는 이중 수학적 프로그래밍 프레임워크를 제안한다. 수거, 운반, 처리 및 자원 회수를 내림내기 시설, 주요 처리 시설, 이차 처리 시설을 통해 모델링함으로써, 비용, 배출가스 및 자원 회수율을 정량화하였으며, 법제가 최적의 시설 구성 조건에서 이산화탄소 배출량을 최대 28% 감소시키고 자원 회수율을 35% 향상시킬 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반납 법제 하에서 폐기 전자기기의 전 생애주기를 포괄하는 종합적인 역물류 네트워크 모델을 개발하기 위해.
• 제조업체의 책임 하에 전자 폐기물 수거 및 처리 과정에서의 경제적 및 환경적 상충 관계를 정량화하기 위해.
• 정책 수립자(시스템 최적화)와 사용자 중심(사용자 최적화)의 시설 위치 및 유량 할당 솔루션을 비교하기 위해.
• 실제 사례 연구를 통해 워싱턴 주의 실정에서 법제가 배출가스, 자원 회수율 및 총 시스템 비용에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존 문헌의 격차를 보완하기 위해 운반, 처리 및 배출가스에 관한 상세한 생애주기 데이터를 하나의 최적화 프레임워크에 통합하기 위해.

제안 방법

• 내림내기, 주요 및 이차 시설을 통해 전자 폐기물 수거, 운반 및 처리 과정에서의 총 시스템 비용과 배출가스를 최소화하는 시스템 최적화 모델을 수립한다.
• 사용자 개인의 결정을 반영하기 위해 네트워크를 분할하는 사용자 최적화 모델을 개발하며, 사용자 수준의 비용과 배출가스를 최적화한다.
• 시설 개설, 자원 유량, 각 단계의 배출가스/크레딧을 위한 결정 변수를 포함한 혼합정수선형계획법(MILP)을 사용한다.
• 각 시설 유형 및 자원에 대해 단위 비용, 고정 시설 비용, 운반 거리 및 배출계수를 통합한다.
• 이차 처리 시설에서의 자원 회수율과 재판매 가치를 통합하여 실제 경제적 인centives를 반영한다.
• 실제 데이터를 기반으로 한 워싱턴 주 사례 연구에 적용함: 거주지역 2개, 수거지점 2곳, 주요 처리시설 3곳, 이차 처리시설 1곳. 비용, 배출가스 및 자원 조성에 관한 실증 데이터를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반납 법제는 워싱턴 주의 전자 폐기물 역물류 네트워크 전반에 걸쳐 총 경제적 비용과 환경 오염 배출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 시스템 최적화 및 사용자 최적화 의사결정 프레임워크 하에서 내림내기, 주요 및 이차 시설의 최적 구성은 어떻게 되는가?
• RQ3 법제 하에서 다양한 시설 유형과 처리 단계에서 자원 회수율과 배출가스는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 기존 폐기 방식 대비 법제가 이산화탄소 배출량을 얼마나 줄이고 자원 회수를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제조업체가 폐기물 관리 책임을 지는 상황에서 비용, 배출가스 및 자원 회수 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 시스템 최적화 모델은 최적의 시설 위치와 자원 유량 할당을 통해 기존 관행 대비 총 이산화탄소 배출량을 28% 감소시켰다.
• 시스템 최적화 모델 하에서 자원 회수율은 이차 처리 시설의 높은 회수 잠재력에 기반한 더 나은 자원 배분으로 인해 35% 향상되었다.
• 사용자 최적화 모델은 시스템 최적화 모델 대비 총 비용이 15% 높게 나타나, 사용자가 분산된 결정을 내릴 경우 효율성 저하가 발생할 수 있음을 시사한다.
• 이차 처리 시설이 가장 높은 환경적 이점을 달성했으며, 자원 2는 주요 처리 대비 1kg당 처리 시 이산화탄소 배출량이 95% 감소하였다.
• 모델은 내림내기 시설 1이 가장 비용 효율적인 수거 지점임을 규명하였으며, 고수요 거주지역과의 근접성으로 인해 운반 비용이 22% 감소하였다.
• 배출가스 크레딧과 재판매 가치를 통합함으로써 이차 처리의 경제적 타당성이 크게 향상되었으며, 자원 2는 1kg당 순 크레딧 11.50달러를 창출하였다.