Optimization of biomethane production and distribution networks derived from livestock waste in Northwestern Argentina

Abstract

In the current context of climate change and energy transition, biomethane is emerging as a sustainable biofuel with significant potential for transportation and injection into the natural gas grid. This study proposes a mixedinteger linear programming (MILP) model to design the optimal configuration of the biomethane supply chain over a multi-period horizon. The model integrates two objective functions: an economic one (total cost) and an environmental one (global warming potential), incorporating Life Cycle Assessment as a methodology to evaluate environmental impacts. Key constraints are imposed, including livestock waste availability, product demand, and mass balances, allowing the assessment of two strategic approaches: (i) maximizing the use of available feedstock and (ii) partially satisfying the demand for compressed natural gas. Model results include the optimal location, capacity, and number of biomethane production facilities, as well as the annual flows of raw materials to be processed and the product obtained. A trade-off between objectives is observed, as prioritizing cost reduction leads to a higher environmental impact and vice versa. Furthermore, the optimal supply chain configuration varies depending on the strategy adopted and the selected objective function. Finally, in the optimizations performed, the environmental credits outweigh the global warming potential generated by the supply chain, confirming the role of biomethane as a viable solution for climate change mitigation.

En el contexto actual de cambio climático y transición energética, el biometano se posiciona como un biocombustible sostenible con gran potencial para el transporte y la inyección en la red de gas natural. Este estudio propone un modelo de programación mixto entero lineal (MILP) para diseñar la configuración óptima de la cadena de suministros del biometano producido por digestión de estiércol bovino en un horizonte multiperíodo. El modelo integra dos funciones objetivo: una económica (costos totales) y otra ambiental (potencial de calentamiento global), incorporando el Análisis de Ciclo de Vida como metodología para evaluar los impactos ambientales. Se imponen restricciones clave, como la disponibilidad de estiércol, la demanda del producto y los balances de materia, permitiendo evaluar dos enfoques estratégicos: (i) maximización del uso de materia prima disponible y (ii) satisfacción parcial de la demanda de gas natural comprimido para transporte. Los resultados del modelo determinan la ubicación, capacidad y cantidad óptima de plantas de producción de biometano, así como los flujos anuales de materia prima a procesar y de producto obtenido. Como resultado se observa un compromiso entre los objetivos, ya que priorizar la reducción de costos conlleva un mayor impacto ambiental y viceversa. Además, la configuración óptima de la cadena de suministros varía según la estrategia adoptada y la función objetivo elegida. Finalmente, en las optimizaciones realizadas, los créditos ambientales superan el potencial de calentamiento global generada por la cadena de suministros, reafirmando el papel del biometano como una solución viable para la mitigación del cambio climático.