Sustainability Assessment of Biorefinery Strategies Under Uncertainty and Risk Using Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) Approach

Le bioraffinage est potentiellement une solution novatrice en rétro-installation dans l'industrie des produits forestiers, ainsi que dans le contexte de projet d'implantation Greenfield dans le secteur agricole. L'intégration de cette gamme de technologies émergentes dans des installations existantes de production de pâte et papier supporterait l'industrie forestière dans la transformation de son modèle d'affaires grâce à la production d'un portefeuille de produits élargi. Dans le contexte du bioraffinage Greenfield, les actionnaires visent à atteindre un avantage compétitif en pénétrant le marché avec des produits verts. Les stratégies de bioraffinage ne sont pas toutes durables, et à chaque stratégie sont rattachés des risques particuliers. En prenant la perspective de l'investisseur, il est critique que les stratégies non durables soient éliminées de la liste des possibilités de bioraffinage dès les premières étapes stratégiques de conception. Malgré la nécessité d'impliquer l'incertitude dans la prise de décision stratégique, spécifiquement dans le contexte du bioraffinage considérant des technologies émergentes, aucune source de littérature ne fait référence à une approche systématique afin d'identifier les stratégies durables considérant plusieurs sources d'incertitude et considérant l'attitude de risque des preneurs de décision. . L'objectif global de cette thèse est d'illustrer une méthodologie de conception pour la prise de décision stratégique prenant en compte l'incertitude tout en quantifiant l'attitude de risque des preneurs de décision, ce afin d'identifier des stratégies de bioraffinage durables. La méthodologie proposée a été démontrée par deux études de cas illustrées par (a) le bioraffinage agricole du triticale dans un contexte d'implantation Greenfield, et (b) le bioraffinage forestier en rétro-installation dans une usine de pâte Kraft. Afin de minimiser les risques, une approche par phase a été considérée pour l'implantation sur le court et le long terme des stratégies de bioraffinage à l'étude. La méthodologie présentée dans cette thèse vise à évaluer les alternatives de bioraffinage d'un point de vue économique, de compétitivité de marché, et environnemental, en utilisant les outils d'analyse de systèmes incluant les analyses technico-économiques classiques. Les résultats de ces évaluations sont incorporés dans un ensemble de critères ‘intelligents' de durabilité. Contrairement aux analyses conventionnelles qui, généralement, utilisent seulement, pour la prise de décision, des indicateurs de rentabilité sur le court terme, ce travail définit des critères multidisciplinaires représentant la rentabilité, la performance économique d'un point de vue du modèle d'affaires, les impacts environnementaux potentiels, la compétitivité de marché, ainsi que les risques technologiques et de marché – tels des indicateurs de durabilité du bioraffinage. Ces critères sont inévitablement en conflit, et doivent être agrégés en un score unique de durabilité pour chaque stratégie de bioraffinage, en menant un processus de prise de décision multicritère (MCDM – acronyme anglais), basé sur un panel multidisciplinaire impliquant des panélistes aux expertises variées afin de couvrir toutes les dimensions critiques qui seront considérées dans la prise de décision stratégique. L'approche MCDM offre certains avantages par rapport aux autres méthodes disponibles incluant : (a) la reconnaissance des préférences des preneurs de décision considérant l'importance relative des critères, (b) la recherche d'un consensus parmi les parties prenantes au projet, et (c) la concentration sur l'interprétation des critères. Un haut niveau d'incertitude est associé avec l'information récoltée en début d'une phase de conception qui, si ignoré, compromettra la sélection des stratégies de bioraffinage. Dans n'importe quelle situation incertaine, les preneurs de décision doivent faire face au risque, et dès lors qu'il y a un risque, chaque preneur de décision démontre une attitude spécifique vis à vis du risque, étant soit opposé au risque, soit neutre au risque ou preneur de risque. Il est critique que tant l'incertitude que les risques soient considérés dans la prise de décision stratégiques. Lorsque ces concepts sont pris en considération, les paramètres MCDM incluant les facteurs de pondération et la fonction d'utilité peuvent être affectés ainsi que la décision finale. Lorsque l'incertitude est considérée dans l'évaluation des critères, chaque critère doit être présenté aux preneurs de décision considérant un éventail de valeurs comprises entre des limites probables minimum et maximum qui peuvent affecter les facteurs de pondération des critères. Par exemple, dans le cas où l'incertitude dans les valeurs des critères est considérablement redondante entre les alternatives, les critères ne permettent plus aux preneurs de décision de différencier les alternatives. Comparé à la prise de décision dans des conditions déterministes où l'incertitude n'est pas évaluée, les preneurs de décision attribuent un facteur de pondération plus petit pour les critères concernés. D'autre part, l'attitude vis à vis du risque des preneurs de décision affecte la fonction d'utilité, représentant la préférence des preneurs de décision, et qui, par défaut, est normalement considérée comme linéaire. (neutralité quant au risque) dans l'absence de quantification de l'attitude de risque des preneurs de décision. Dans cette thèse, une méthodologie pratique et systématique est développée et démontrée afin de prendre des décisions plus ‘intelligentes' au niveau stratégique de conception en évaluant la durabilité des stratégies de bioraffinage considérant l'incertitude et les risques. Les données d'incertitude ont été quantifiées grâce à une méthode d'analyse de risque stochastique (analyse Monte Carlo) par le biais de fonctions de distribution de probabilité pour les critères de durabilité. Également, l'incertitude du panel a été considérée en terme de niveau de consensus parmi les membres du panel afin de prendre une décision finale. Cependant, l'attitude de risque des preneurs de décision a été mesurée utilisant une loterie et impliquant une théorie d'aversion au risque par laquelle la préférence des preneurs de décision est quantifiée pour la prise de décision. En raison de la quantification de l'incertitude et des risques, les preneurs de décision ont gagné une compréhension détaillée résultant en une décision plus robuste. Une des réalisations de cette thèse démontre qu'adresser l'attitude de risque des preneurs de décision tout en impliquant l'incertitude dans la prise de décision pourrait aider à mieux différencier les alternatives et conséquemment permettre aux preneurs de décision d'éliminer plus d'options à un niveau stratégique avec une plus grande confiance. Les résultats dans cette thèse illustrent l'importance d'appliquer une approche systématique pour la prise de décision stratégique, considérant des critères de durabilité et impliquant l'incertitude et l'attitude de risque des preneurs de décision dans la prise de décision multicritère. Une fois ces concepts acquis par la haute gestion des entreprises, un consensus peut alors être atteint objectivement et systématiquement pour la prise de décision permettant ainsi une meilleure décision.

Abstract

The biorefinery is a potential game-changing solution for retrofit in the forest products industry, and in the greenfield context for the agricultural industry. Integration of this set of emerging technologies into existing pulp and paper facilities would help the forestry industry with business transformation by the manufacture of an expanded product portfolio. In a greenfield biorefinery context, stakeholders are more aiming to achieve a competitive advantage by penetrating the green products market. Not all biorefinery strategies are sustainable, and each strategy has its own particular risks. Using the investor perspective it is critical that unsustainable strategies are screened out from the list of biorefinery possibilities during the strategic early design stage. Despite of necessity of involving uncertainty in strategic decision-making especially in the context biorefinery as an emerging technology, a systematic approach to identify sustainable strategies considering different sources of uncertainty and addressing risk attitude of decision makers, is missing in literature. The overall objective of this thesis is to illustrate a design-based methodology for strategic decision-making under uncertainty while quantifying risk attitude of decision makers, in order to identify sustainable biorefinery strategies. The proposed methodology has been demonstrated by two case studies addressing (a) the triticale-based greenfield agriculture biorefinery, and (b) the forest biomass-based biorefinery in retrofit to a kraft pulp mill. In order to mitigate risk, a phased approach has been considered for candidate biorefinery strategies, to be implemented over the near and then longer-term. The methodology presented in this thesis assesses biorefinery alternatives from economic, market competitiveness and environmental perspectives, using systems analysis tools including classical techno-economic assessment. The results of these assessments are incorporated into a set of “intelligent” sustainability criteria. In contrast to conventional analyses which generally use only short-term profitability metrics for decision-making, this work defines multidisciplinary criteria representing profitability and business-oriented economic performance, potential environmental footprint, market competitiveness, as well as technology and market risks - as indicators of biorefinery sustainability. These criteria are inevitably conflicting, and thus they need to be aggregated into a unique sustainability score for each biorefinery strategy, through conducting a multi-criteria decision-making (MCDM) by a multi-disciplinary panel with various backgrounds to ensure that expertise in the critical dimensions that should be considered in strategic decision making is captured. MCDM approach offers certain advantages over the other available methods, including: (a) reflecting the preferences of decision makers regarding the relative importance of the criteria, (b) consensus building among project stakeholders and (c) a focus on criterion interpretation. There is a high level of uncertainty associated with information at the early stage of design that if ignored, the biorefinery strategy selection may not be well-informed. In addition, in any uncertain situation, decision-makers must face risk, and whenever there is risk, each individual decision-maker has his/her own attitude toward risk, that is risk averse, risk neutral or risk prone. It is critical that both uncertainty and risk attitude of decision makers be addressed in strategic decision-making. When these concepts are taken into consideration, MCDM parameters including weighting factors and utility functions of decision criteria and consequently the final decision can be affected. When involving uncertainty in criteria evaluation, each criterion should be presented to decision-makers as a range of values within a minimum and a maximum probable limit, which can result in changing the criteria weighting factors. For example, in the case that involving uncertainty in criterion values shows considerable overlap between the alternatives, that criterion can not help decision-makers anymore to differentiate between the alternatives. Compared to the deterministic condition where uncertainty is not evaluated, decision makers would likely attribute a lower weighting factor to this criterion. Moreover, the risk attitude of decision-makers affects the utility function, representing preference of decision makers, which is normally considered linear by default (risk neutrality) in the absence of quantifying attitude toward risk of decision makers. In this thesis, a practical and systematic methodology is developed and demonstrated whose goal is to make more “intelligent” decisions at strategic level of design, by assessing sustainability of biorefinery strategies under both uncertainty and risk. The data uncertainty has been quantified by a stochastic risk analysis method (Monte Carlo analysis) in the form of probability distribution functions of sustainability criteria. In addition, panel uncertainty has been addressed in terms of the level of consensus among the panel members for making the final decision. Moreover, the risk attitude of decision-makers has been measured using a lottery approach and applying risk aversion theory, by which the preference of decision-makers is quantified for decision making. As a consequence of quantifying uncertainty and risk, decision-makers were provided with improved understanding resulting in more robust decisions. One of the achievements in this thesis is showing that addressing risk attitude of decision makers on top of involving uncertainty in strategic decision making could help to more differentiate between the alternatives and consequently enabled decision makers to screen out more options at the strategic level with more confidence. The results in this thesis illustrate the importance of applying a systematic approach for making a strategic design decision, considering sustainability criteria and involving uncertainty and decision makers' risk attitude in multi-criteria decision-making. Once these concepts are understood by the senior management of companies, then consensus building can be objectively and systematically accounted for, in decision making and a better decision can be made.