Supporting the Industrial Symbiosis practice: Emergence and Sustainability of Self-Organized Industrial Symbiosis Networks

Industrial symbiosis is a useful approach to support the sustainable development. In fact, by exchanging wastes for inputs, firms can mitigate the environmental impact of their production processes and reduce production costs, thereby increasing their competitiveness. This thesis focuses on self-organized industrial symbiosis networks, networks of firms exchanging wastes for inputs which emerge from the bottom, as the result of a self-organized process undertaken by the involved firms. Despite the literature recognizes self-organized industrial symbiosis networks as a promising tool, these networks are currently underdeveloped in terms of practical applications compared to theoretical opportunities. Such an issue strongly limits the efficacy of the industrial symbiosis approach in tackling the challenges of sustainable development. The aim of this thesis is to support the development of self-organized industrial symbiosis networks by addressing two different but related issues: the emergence and sustainability over the long period of these networks. The first part of the thesis is aimed to investigate two barriers hampering the spontaneous emergence of self-organized industrial symbiosis networks, recognized by the literature but unsolved so far. In particular, I formalized all the business models that firms can adopt to implement the industrial symbiosis approach and discussed the possible business scenarios arising from the cooperation among firms, each of them adopting its own business model. Furthermore, I designed a contractual mechanism to align the incentives among firms, fairly sharing the economic benefits stemming from the symbiotic exchanges, and tested its efficacy by adopting the agent-based simulation approach. The second part of this thesis is aimed to develop a theoretical framework for the sustainability of industrial symbiosis networks over the long period and validate it by agent-based simulations. By taking contribution from the ecological literature, sustainability of self-organized industrial symbiosis networks over the long period is supposed to be maximized when symbiotic networks are characterized by an optimal balance between two features: efficiency of waste exchanges and resilience to perturbations. Firstly, I separately investigated efficiency and resilience of industrial symbiosis networks and then I validated my theoretical framework. The thesis is organized as follows. Chapter 1 discusses the state-of-the-art about industrial symbiosis and industrial symbiosis networks through a critical review of the literature. Moreover, the motivation of this study, the specific research questions, and the adopted methodologies are presented. Chapter 2 addresses business models supporting the industrial symbiosis approach whereas Chapter 3 is focused on the contractual mechanisms aligning the incentives among firms. Chapter 4 and Chapter 5 are devoted to investigate the features of efficiency and resilience in the industrial symbiosis field, respectively. Chapter 6 investigates the effect of these features on the sustainability of industrial symbiosis networks. Finally, conclusions are provided.

La simbiosi industriale è un utile approccio per supportare lo sviluppo sostenibile. Valorizzando scarti prodotti da un processo produttivo come input per altri processi, le imprese possono mitigare l’impatto ambientale dei propri processi produttivi e ridurre i costi di produzione, incrementando così la propria competitività. Questa tesi si focalizza sulle self-organized industrial symbiosis networks, reti di imprese che scambiano rifiuti tra di loro. Queste reti emergono dal basso in maniera spontanea, come risultato di un processo di auto-organizzazione delle imprese coinvolte. Nonostante la letteratura scientifica riconosca le self-organized industrial symbiosis networks come uno strumento promettente, queste reti sono attualmente sottosviluppate in termini di applicazioni pratiche comparate con le opportunità teoriche. Questo aspetto limita fortemente l’efficacia dell’approccio di simbiosi industriale nell’affrontare le sfide dello sviluppo sostenibile. Lo scopo di questa tesi è supportare lo sviluppo delle self-organized industrial symbiosis networks analizzando due aspetti che, pur essendo diversi, presentano una forte interrelazione: l’emergenza spontanea di queste reti e la loro sostenibilità nel lungo periodo. La prima parte della tesi affronta due barriere che frenano l’emergenza spontanea delle self-organized industrial symbiosis networks. Nonostante queste barriere siano riconosciute dalla letteratura scientifica, nessuna soluzione è stata finora fornita. In particolare, ho formalizzato tutti i modelli di business che le imprese possono adottare per implementare l’approccio di simbiosi industriale e ho discusso i possibili scenari di business che possono nascere dalla collaborazione tra imprese diverse, ciascuna della quali orientata al proprio modello di business. Inoltre, ho progettato un meccanismo contrattuale per allineare gli incentivi tra le imprese, ripartendo in maniera equa i benefici economici creati dagli scambi simbiotici, testandone poi l’efficacia tramite simulazione ad agenti. La seconda parte della tesi è orientata a sviluppare un quadro concettuale riguardo alla sostenibilità delle self-organized industrial symbiosis networks nel lungo periodo, validandolo mediante simulazione ad agenti. Prendendo spunto dalla letteratura in campo ecologico, ho supposto che la sostenibilità delle self-organized industrial symbiosis networks nel lungo periodo possa essere massimizzata quando i network simbiotici sono caratterizzati da un bilanciamento ottimale tra due proprietà: efficienza nello scambio dei rifiuti e resilienza alle perturbazioni. In primis, ho investigato separatamente efficienza e resilienza dei network simbiotici e ho poi validato il mio quadro concettuale. La tesi è organizzata come segue. Il Capitolo 1 discute lo stato dell’arte riguardo alla simbiosi industriale e alle industrial symbiosis networks attraverso una review critica della letteratura. Inoltre, nel capitolo sono esposte le motivazioni dello studio, le specifiche domande di ricerca e le metodologie adottate. Il Capitolo 2 analizza i modelli di business che supportano la simbiosi industriale mentre il Capitolo 3 è focalizzato ai meccanismi contrattuali in grado di garantire un corretto allineamento degli incentivi tra le imprese. Il Capitolo 4 e il Capitolo 5 investigano rispettivamente le proprietà di efficienza e resilienza dei network simbiotici. Il Capitolo 6 investiga l’effetto combinato di queste proprietà sulla sostenibilità delle industrial symbiosis networks. Infine, sono esposte le conclusioni del mio lavoro.