Cadre de planification intégrée de la chaîne logistique pour la gestion et l'évaluation de stratégies de bioraffinage forestier

Le bioraffinage est maintenant reconnu comme une solution prometteuse pour la transformation de l'industrie forestière. Ce concept offre l'opportunité aux entreprises forestières de diversifier leurs revenus par la production de nouveaux bioproduits à valeur ajoutée. La transition vers le bioraffinage implique toutefois plusieurs changements stratégiques importants, notamment dans le modèle d'affaires des entreprises. En effet, celles-ci devront à la fois se questionner sur la pertinence de rester ou non dans le domaine plus traditionnel des pâtes et papiers, faire la sélection d'un portefeuille de procédés et produits de bioraffinage, pénétrer de nouveaux marchés, et effectuer une gestion de la production permettant de minimiser le risque de volatilité du marché. Au cours des dernières années, les principes de gestion de la chaîne logistique ont été au cœur des recherches du milieu universitaire et de l'industrie afin d'accroître la rentabilité de l'ensemble des opérations. L'application des concepts de gestion de la chaîne logistique pourrait donc grandement aider les entreprises forestières à être plus compétitives globalement. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse était de concevoir une approche systématique pour la gestion et l'évaluation de stratégies de bioraffinage intégrées à une usine forestière. À cet effet, une approche de gestion de la chaîne logistique dite axée sur les marges de profit a été développée. Celle-ci intègre des concepts inspirés de la gestion des recettes, de la flexibilité manufacturière et de la comptabilité par activité. Les concepts sont incorporés dans un modèle de planification tactique dont l'objectif est de maximiser la rentabilité de l'entreprise. La structure du modèle mathématique et du modèle de coût associé permettent de représenter le plus fidèlement possible les activités de l'entreprise, de l'approvisionnement, jusqu'aux ventes. Il est ainsi possible de modéliser les différentes configurations de procédés présentes dans une usine et menant à la flexibilité manufacturière. Le modèle peut alors être utilisé comme plateforme pour évaluer différentes stratégies d'opération de l'entreprise, aux niveaux de la production et de la chaîne logistique. L'approche axée sur les marges de profit a été illustrée par l'étude du cas d'une usine de production de papier journal envisageant l'implantation d'un procédé de fractionnement de la biomasse pour fabriquer différents bioproduits. Diverses analyses tactiques et stratégiques ont été effectuées pour montrer la pertinence de l'approche comme outil d'aide à la prise de décision pour des problèmes de gestion propres au bioraffinage forestier. Le modèle a été utilisé pour évaluer la rentabilité d'une entreprise lors de sa transformation vers le bioraffinage, en considérant simultanément l'investissement dans de nouveaux procédés de bioraffinage et la fermeture d'actifs papetiers. En offrant une meilleure visualisation et une meilleure compréhension de la dynamique des coûts et de la chaîne logistique sous divers scénarios, l'outil permet d'éclairer le processus de prise de décision. Couplé à une analyse de scénarios, il offre aussi la possibilité de développer une stratégie d'implantation par phase qui stabiliserait les revenus lors de la transformation vers le bioraffinage. L'outil de planification a aussi été employé pour étudier la gestion de la production du portefeuille de produits permettant d'atténuer les risques causés par la volatilité du marché. Une des analyses reliées à la gestion du portefeuille porte sur l'exploitation de la flexibilité au niveau de la production de pâtes thermomécanique et désencrée afin de minimiser le coût d'approvisionnement en matières premières selon les conditions du marché. Une autre analyse étudie l'impact de la flexibilité de l'approvisionnement et de la production d'un procédé de fractionnement de la biomasse sur les ventes et la rentabilité. Les résultats de l'étude montrent que les processus d'approvisionnement et de production doivent être considérablement modifiés selon les conditions de marché pour produire un portefeuille de produits avec des marges optimales. La dynamique des coûts de production et le nombre d'interrelations présentes dans une bioraffinerie forestière complexifient l'identification des meilleures conditions d'opération. Ils corroborent ainsi la pertinence d'utiliser un tel modèle de planification pour identifier les meilleures opportunités. De plus, les résultats montrent que, dans un contexte où les ventes peuvent être variées jusqu'à un certain niveau, il peut être souhaitable de payer davantage pour certains types de biomasse si ces derniers offrent un portefeuille de produits avec de meilleurs revenus.

Abstract

Biorefining is now recognized as a promising solution to transform the struggling forestry industry and to generate value-added pathways. The implementation of new products and processes will help companies to diversify revenues, but implies several strategic changes in the business model. Companies will face the dilemma of exiting or not traditional pulp and paper operations, while selecting their biorefinery product and process portfolio. As well, they will have to enter new markets and manage production to minimize the risk of market volatility. Over the past decades, both industry and academia paid a lot of attention to supply-chain management in order to increase the cost effectiveness of overall operations. The application of supply-chain management concepts could therefore greatly help the transforming North American forestry industry to compete globally. The objective of this Ph.D. project was to propose and illustrate an integrated supply-chain planning framework for the management and the evaluation of forest biorefinery strategies. This framework, named margins-based, integrates principles from revenue management, activity-based cost accounting, and manufacturing flexibility in a tactical planning model that maximizes profit of a company. The structure of the mathematical model and its associated cost model aims to represent as closely as possible the activities of a company, from procurement to sales. It enables the modeling of different process configurations leading to manufacturing flexibility. The model can thus be used as a platform for evaluating various operating strategies of a company, at both production and supply-chain levels. A case study of a newsprint mill implementing a parallel biomass fractionation line producing several bioproducts was used to illustrate this margins-based approach. Various strategic and tactical analyses were conducted to show the relevance of the approach as a decision-making tool for management problems related to the forest biorefinery. The model was used to evaluate the profitability of a company during its transformation to the biorefinery, by considering the gradual divestment in pulp and paper activities, while implementing a new biorefinery process. Results show that the tool can enhance decision-making activities by providing a better visualization and better comprehension of supply-chain and cost- related dynamics under different scenarios. Coupled with a scenario analysis, it offers the opportunity to develop a phased implementation strategy that would stabilize profitability during the transformation to the biorefinery. The planning tool was also used to study the management of a product portfolio to mitigate the risk of market volatility. One analysis focused on the exploitation of thermomechanical and deinked pulping flexibility in order to minimize the cost of raw material procurement in different to market conditions. Another analysis examined the impact of feedstock and production flexibility of a fractionation process on sales and profitability. Results show that the procurement and production needed to manufacture the product mix that provides the optimum margins vary significantly. Biorefinery processes can have complex interrelations that make dynamics and trade-offs between manufacturing options not easy to identify and understand. Results thus highlight the relevance of using such planning tools to identify the best opportunities. In a context where sales can be varied to a certain level, results also show that it may be beneficial to pay more for certain types of biomass if they offer a product portfolio mix with higher revenues.