Adapting the Experience Curve for Estimating Biorefinery Costs

Le secteur des pâtes et papiers du Canada est aux prises avec des difficultés financières en raison de la diminution de la demande pour les produits papetiers traditionnels, la concurrence accrue provenant des pays à moindre coût de main-d'oeuvre et de matières premières, et l'augmentation des prix de l'énergie. L'intégration de bioraffineries dans ce secteur permettrait de diversifier le portefeuille de produits et les sources de revenus, et améliorer la compétitivité de l'industrie. Cependant l'intégration du bioraffinage soulève des incertitudes quant aux coûts de production. Une mauvaise estimation des coûts du bioraffinage à différents stades de développement (laboratoire, pilote ou démonstration) peut affecter la qualité des décisions prises au sujet de la commercialisation. Toute compagnie papetière a besoin d'évaluer avec précision les coûts de production des candidats au bioraffinage, qui varieront au cours du temps, afin de prendre des décisions éclairées pour l'avenir. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle d'évaluation des coûts des nouvelles technologies de bioraffinage avant et après la commercialisation en s'inspirant de l'approche basée sur la courbe d'expérience, et de l'appliquer ensuite à des études de cas basés sur un procédé de séparation et production de lignine intégré dans une usine de mise en pâte Kraft. La méthodologie utilisée dans cette thèse inclut une revue de la littérature sur les méthodes d'estimation des coûts, sur les courbes d'expérience pour les technologies dans le domaine de l'énergie et sur le bioraffinage forestier, la proposition et l'adaptation d'un modèle d'évaluation de coûts de bioraffinage, l'application de ce modèle à des études de cas de bioraffinage basé sur la valorisation de la lignine. L'application à des études de cas inclut une analyse par large blocs (LBA), l'évaluation des facteurs de sous-estimation et de réduction des coûts, et leur utilisation dans le modèle basé sur les courbes d'expérience. Les facteurs fondamentaux qui influent sur les coûts avant et après la commercialisation des produits de bioraffinage ont été identifiés. Les facteurs influençant le coût de production lors de la mise à l'échelle commerciale sont les suivants: le caractère novateur de la technologie; le niveau de l'ingénierie de conception; l'appréciation du risque associé à l'intégration ; le biais d'optimisme des développeurs de technologies et de projets. Les facteurs influençant le coût de production après la mise à l'échelle commerciale sont les suivants: les économies d'échelle ; vi l'amélioration des procédés en raison de l'apprentissage; le moindre conservatisme dans la conception en raison de l'apprentissage ; l'amélioration incrémentielle des procédés résultant de ajout de nouvelles technologies. Un modèle basé sur ces facteurs a été proposé ; il a été ensuite appliqué à des études de cas. Deux études de cas de bioraffinage basé sur la lignine ont été identifiées et sélectionnées selon leur technologie novatrice et leur différent niveau de développement : un procédé de séparation et valorisation des principaux constituants de la biomasse forestière qui utilise un solvant organique (solvent pulping); et un procédé de précipitation et extraction de la lignine contenue dans la liqueur noire du procédé de pâte kraft, suivi d'un traitement produisant un précurseur de résine phénol-formol. Pour la première mise à l'échelle commerciale, les deux études de cas ont montré une sous-estimation des coûts. Les coûts du procédé basé sur un solvant organique doivent être réévalués de 200 dollars par tonne de résine phénol-formol, tandis que ceux du procédé de précipitation et traitement de lignine doivent être réévalués de 100 dollars par tonne de résine phénol-formol. Pour la situation après la production à l'échelle commerciale, les coûts de production doivent être réduits dans les deux études de cas. Les coûts de production relatifs aux procédé basé sur un solvant organique diminuent de 23% quand la production cumulée double (ratio d'amélioration = 0.77); Les coûts de production relatifs au procédé de précipitation et traitement de la lignine diminuent de 4% quand la production cumulée double (ratio d'amélioration = 0.96). L'application de ce modèle peut apporter des informations essentielles sur les coûts des technologies de bioraffinage et être utilisée pour les processus de prise de décision tels que la prise de décision multicritères (MCDM). Par exemple, sur la base des résultats obtenus, on peut comprendre que le procédé de précipitation et traitement de la lignine produisant le précurseur de la résine phénol-formol est plus prometteur à court terme car les coûts d'investissement et d'opération sont inférieurs. Cependant, le procédé basé sur le solvant organique offre plus de possibilités de réduction des coûts de production à l'échelle commerciale et permet de produire de la lignine de meilleure qualité et en quantité supérieure. Les futurs travaux pourraient inclure l'application de ce modèle à d'autres études de cas afin d'affiner notre compréhension des différences entre les coûts réels et estimées, et sa validation. vii Des informations fournies par le modèle pourraient être utilisés dans des processus de prise de décision tels que la technique de décision multicritère (MCDM).

Abstract

Canadian Pulp and Paper (P&P) sector is struggling with financial difficulties. This is due to decreases in demand for their traditional products, increasing energy prices and increased competition from low-cost countries. Biorefinery integration into this sector can bring competetiveness by diversifiying products portfolio and revenue sources. There are some uncertainties in integration of emerging biorefineries into P&P sector, such as first implementation costs and long-term competitiveness. On the other hand stage of development (laboratory, pilot or demonstration scales) of a biorefinery affects level of these uncertainties. This in turn makes comparison of biorefineries options more challenging. Poor cost estimation of biorefineries affect the quality of decision made about commercialization. Moreover In order for a pulp mill to make well-informed decisions, it is necessary to forecast commercial costs. The objective of this thesis is to propose a model inspired by experience curve approach to evaluate costs of emerging biorefinery technologies before and after commercialization. The model is applied in lignin-based case studies considering retrofit biorefinery implementation into a Kraft P&P mill. The methodology to accomplish the objective of this thesis consists of: • Reviewing literatures on o Early cost estimate analysis o Experience curves of energy technologies o Forest biorefineries • Proposing a model to underline factors impacting costs before and after commercialization • Application of model into two retrofit lignin-based biorefinery case studies: o Large Block Analysis (LBA) on the case studies o Evaluating the identified factors before and after commercialization o Operating the experience curve model based on gathered data from previous steps ix Fundamental factors that affect costs before and after commercialization of emerging biorefineries are identified. Then a new of experience curve based on these factors is proposed. The factors affecting the first commercial cost are: 1- New technology 2- Appreciation for and level of design engineering 3- Appreciation for risk associated with integration and scale up 4- Optimism bias of the technology and project developers. The factors affecting the post commercial costs are: 1- Economies-of-scale 2- Process operation optimization due to learning 3- Process design optimization and less conservatism in design due to learning 4- Process improvement with new technology additions post-implementation. The two lignin-based biorefinery case studies for application of this model were; solvent pulping and lignin precipitation processes. For the first commercial scale, both case studies showed cost underestimation; solvent pulping process by 200 ($\$$ per ton of PF resin precursor) and lignin precipitation by 100 ($\$$ per ton of PF resin precursor). At post commercial scales, costs of both case studies were reduced; solvent pulping with progress ratio of 77% and lignin precipitation with progress ratio of 96%. Application of this model can bring critical information about costs of biorefinery technologies in pre and post commercial scales for decision-making processes such as Multi Criteria Decision Making (MCDM). Fore example based on the achieved results, it can be understood that in short term of business strategy lignin precipitation process with less cost per ton of lignin precursor is more promising. On the other hand in long-term business strategy when demand and market of lignin products such as PF resin precursor are developed, solvent pulping process is more beneficial. This is mainly due to three factors: • More opportunities for cost reduction at commercial scales • More quantity x • Better quality of lignin Future work includes application of this model to more case studies to enhance its understanding. Furthermore suitable criteria based on achieved information from this model should be defined for decision-makings techniques. This will help to validate further the importance of this provided information.