Biomass Procurement Cost Minimization for Implementation of a Retrofit Biorefinery in a Pulp and Paper Mill

La récente récession économique a touché de plein fouet l'industrie des produits du bois, laquelle a dû s'ajuster à la chute de la demande pour ses produits phares, notamment la pâte et le papier. Pour les compagnies forestières, une des pistes de solution consiste à varier l'éventail de produits qu'elles proposent en implantant des procédés de bioraffinage en rétro-installation dans leurs usines. Cependant, la production de produits à valeur ajoutée en plus des produits existants requiert une utilisation plus complète des ressources, et entrainera certainement des changements le long de la chaîne d'approvisionnement. Ainsi, la modernisation d'une usine en rétro-installation s'effectue sur le moyen-à-long terme, et l'évolution de la chaîne d'approvisionnement impacte non seulement l'usine concernée, mais la compagnie dans son ensemble. L'impact sur les coûts de l'usine influencera notamment le choix de la compagnie d'implanter ou non un procédé de bioraffinage donné. Par conséquent, il est dans l'intérêt d'une usine d'explorer au préalable les options d'approvisionnement de la biomasse pour comprendre les effets sur le coût global. L'objectif du présent projet est de déterminer différentes stratégies d'approvisionnement de la biomasse pour une bioraffinerie qui soient économiquement viables, qui engendrent une réduction des coûts d'approvisionnement, tout en satisfaisant les besoins en termes de qualité et de quantité de matière première. La réalisation de la recherche se base sur l'étude de cas d'une usine de papier journal et de son réseau de distribution de produits forestiers. Ce contexte a été utilisé pour le développement du cadre méthodologique et des outils de modélisation requis pour atteindre les objectifs. La structure de la simulation, de l'optimisation et des modèles de coûts associés vise à représenter au mieux les activités d'approvisionnement menées par la compagnie à l'étude. L'approvisionnement en matières premières est destiné aux opérations courantes (papier journal et cogénération) et futures (bioraffinerie) de l'usine. La méthode de comptabilité par activité ou activity-based cost (ABC) a été utilisée par le modèle de simulation pour calculer les coûts de livraison aux usines par produit et bloc de coupe. Ces coûts sont ensuite intégrés au modèle d'optimisation qui vise à satisfaire les demandes de l'usine en matière première sur une base annuelle. Les modèles peuvent être vus comme des plateformes d'évaluation de différentes stratégies d'approvisionnement suivant les processus entrepris par la bioraffinerie durant sa période d'activité. De l'analyse de ces processus découlent des informations relatives aux quantités de matière première et coûts qui guideront les décideurs dans leur sélection d'une stratégie de bioraffinage qui tienne compte de manière effective des ressources disponibles. Le projet analyse les coûts d'approvisionnement en matière première et la faisabilité de onze scénarios impliquant deux technologies de bioraffinage : (1) la pyrolyse rapide et (2) le fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, dit Organosolv. Les scénarios considèrent différentes variantes d'intégration au procédé de production de papier journal de l'usine, sur un horizon de vingt ans. Dans cet horizon de temps, l'usine peut (ou non) décider de stopper, partiellement ou complètement, la production de papier journal. En plus des lignes de production de pâte et papier et des procédés de bioraffinage implantés, l'usine possède aussi une chaudière à biomasse et une unité de cogénération qui desservent les besoins en vapeur et en électricité de l'usine. Les variations des prix et de la demande en énergie des procédés implantés sont considérées sur la durée du projet, de même que les variations de la demande en biomasse pour le fonctionnement de la chaudière. Les nouvelles contraintes s'appliquant à la chaine d'approvisionnement en biomasse suite à l'implantation de nouveaux procédés ont été intégrées au modèle d'optimisation. Afin de réduire les coûts d'approvisionnement, les systèmes de récolte en forêt ont été changés du bois court au bois long, sur une période de 10 ans. Le changement de système devrait améliorer la récolte pour plusieurs produits (bois de sciage, bois à pâte, bois de chauffage et résidus) et réduire les coûts de récolte. Aussi, des contrats d'échange ont été mis en place pour assurer l'acheminement des copeaux produits par les scieries à l'usine de pâte et à la biorafinnerie. Les scenarios testés se concentrent sur la satisfaction de la demande en matière première selon les ressources disponibles dans la région pour les différents processus initiés ou stoppés à l'usine au cours des phases de transition de l'usine de pâte vers une usine de bioraffinage, tout en minimisant les coûts d'approvisionnement au cours de l'horizon de temps du projet. Les analyses et comparaisons de scénarios de bioraffinage couplées à l'optimisation de l'approvisionnement en biomasse permettent de déterminer quelle implantation de bioraffinage est techniquement et économiquement la plus réalisable pour l'usine et ses partenaires. Les résultats de l'analyse des scénarios indiquent que des coûts d'approvisionnement moindres sont obtenus quand le procédé de pyrolyse rapide est implanté comparativement au fractionnement par solvant organique. Ce résultat s'explique notament par le coût d'approvisionnement de copeaux de feuillus depuis une forêt en contenant peu. Des compromis pour chaque scénario ont été trouvés, permettent qui peuvent leur implantation à l'usine. Par exemple, le scénario créant le plus faible coût d'approvisionnement, induit un approvisionnement en copeaux de résineux pour le procédé de pyrolyse rapide, et une fermeture complète des lignes de production de papier journal lors de la sixième année. Cependant, en analysant le ratio du coût de la biomasse par rapport au revenu, le scénario se révèle avoir une valeur inacceptablement élevée à cause du compromis entre un produit (le papier journal) et un autre de moindre valeur (huile bio, vendue comme carburant de substitution). Pour d'autres scénarios de bioraffinage qui requièrent de plus grandes quantités de ressources forestières pour les procédés actuels et futurs de l'usine (par exemple utilisation de copeaux de bois de sciage pour la ligne de production de papier journal et utilisation de déchets de bois pour la pyrolyse rapide), la matière issue de la récolte est mieux exploitée. Il ressort cependant que ces scénarios tendent aussi à avoir des coûts annuels de biomasse plus élevés, à cause de la plus grande quantité de matière à acquérir. En ce qui est du fractionnement de la biomasse utilisant un solvant organique, le rapport du coût de la biomasse sur le revenu est acceptable seulement pour les scénarios où la production de papier journal est continue; ce qui sous-entend l'existence d'un flux continu de revenus issu de la vente du papier journal. Idéalement dans cette situation, l'usine augmenterait la capacité du procédé Organosolv. Cependant, l'étudié ne permet pas l'approvisionnement de telles quantités de matière (plus de 1000 tonnes/jour de copeaux pour le procédé de bioraffinage). Ainsi, le choix de la stratégie d'approvisionnement à utiliser dépendra grandement de la décision de l'usine de maintenir ou non sa ligne de production de papier journal. Dans l'ensemble le meilleur scénario pour l'usine serait celui de l'implantation d'une unité de pyrolyse rapide utilisant les déchets de bois, dont la bio-huile serait vendue comme substitut de combustible lourd, tout en maintenant la ligne de production du papier journal. D'autre part, si le procédé Organosolv était implanté, sa capacité ne devrait pas dépasser les 750 tonnes/jour, pour que le réseau d'approvisionnement de la biomasse puisse fournir assez de copeaux aux deux procédés (production de pâte, et bioraffinerie). Avec le développement et l'application de modèles de simulation et d'optimisation pour évaluer les scénarios de bioraffinage, tous les objectifs de ce projet de doctorat sont atteints et les hypothèses vérifiées, tout en contribuant à l'ensemble des connaissances.

Abstract

As the forest industry emerges from the last economic recession, it finds itself evolving, to adjust to changes happening in their product markets (wood products, pulp and paper, etc.). In order to flourish in these new markets, many changes will come about in forestry firms, including expanding product portfolios by incorporating more biorefinery processes into current facilities. However, the added production of multiple value-added products along with current production will imply a more complete utilization of current feedstocks, and will most likely put a strain on the feedstock procurement supply chain. Thus, as the transformation of mills into retrofit forest biorefineries occurs over a medium-to-long period of time, additional changes will have to occur throughout the mill (and company) supply-chains. These changes in procurement supply chains will have an impact on the bottom-line costs of the mill, and may ultimately determine whether or not a process is implemented. Therefore, it is in the best interest of the mills to explore biomass material procurement options beforehand, in order to better understand their effects on overall costs. The objective of the project was to determine the conditions where different biomass procurement strategies for a biorefinery, result in reduced feedstock procurement costs, such that, they satisfy the facility's feedstock quantity and quality requirements, and are economically viable for a forestry firm in a competitive market. A case study newsprint mill along with its forest material supply network was used to develop the necessary methodological framework and required modeling tools to prove the objectives. The simulation, optimization, and their associated cost models aim to imitate realistic procurement activities to source forest material for all of their current (i.e. newsprint and cogeneration) and future (i.e. biorefinery) operations. Activity-based cost (ABC) accounting methods, were used within the simulation model, to calculate delivered product costs for each product extracted from each harvesting cutblock in the network, which was then used in the optimization model to fulfill the customers' feedstock demands on an annual basis. The models can thus be used as a platform for evaluating various optimized procurement strategies for a company according to the process activities (which will determine the feedstock requirements) undertaken during the biorefinery's lifespan. This creates valuable feedstock x quantity and cost information which will assist decision-makers in developing the correct biorefinery implementation strategy that considers existing feedstock resources within the area. The project analyzed the feedstock procurement costs and feasibility of 11 biorefinery scenarios involving two biorefinery technologies (fast pyrolysis, and organic solvent pulping) retrofitted in a newsprint production mill, over a 20 year biorefinery project lifespan. During this time, the newsprint mill may (or may not) choose to partially (or completely) shut down newsprint production. Along with the main pulp and paper production lines, and the implemented biorefinery processes, the mill also has a biomass boiler and cogeneration plant to produce steam and power consumed at the mill. Over the lifespan of the project, steam and power demands will change depending on the processes implemented, and so will the biomass demands of the boiler. Along with process changes, other modifications are done to the biomass procurement supply chain and included within the optimization model as constraints. To reduce biomass procurement costs, forest harvesting systems are changed from cut-to-length to full-tree equipment over a 10 year period of time. This harvesting system change is expected to improve the integrated harvesting of multiple forest products (sawlogs, pulp logs, fuel logs and residues) as well as reduce harvesting costs due to the lower harvesting cost of using a full-tree system. Also, fibre exchange contracts are in place with local sawmills to exchange sawlogs harvested for chip materials used by the pulp and paper mill and biorefinery. The tested scenarios focused on fulfilling feedstock demand according to available resources in the area, for the different processes being initiated or shutdown at the mill during the transition phases from P&P mill to biorefinery, while minimizing procurement costs over the lifespan of the project. Biorefinery scenario analyses coupled with optimized biomass procurement costs for the simulated forest network determined which biorefinery implementation has the best technical and economic feasibility for the mill, and surrounding forest industry. Results from the scenario analyses indicate that lower procurement costs are obtained when a pyrolysis process is implemented instead of an organic solvent due to the higher cost of providing hardwood chips from a forest with low amounts of hardwoods. xi Certain trade-offs were found to be present in each scenario, that may affect their application in the newsprint mill used. The lowest cost procurement scenario for example involves the procurement of softwood chips for the pyrolysis process, as well as a complete exit from newsprint operations by year six. However, when analyzed with a biomass cost to revenue ratio, this scenario was found to have a value above 0.5 which makes it economically un-attractive. This is due in part to the trade-off of one commodity product (newsprint) for another (bio-oil) with lesser value (sold as a fuel oil substitute). In other biorefinery scenarios that utilize higher quantities of products from the forest for both the current and future biorefinery processes (e.g running newsprint while running pyrolysis biorefinery using hogfuel as a feedstock) tend to better utilize all the materials coming from harvesting operations (i.e. chips, residues, barks, hogfuels); nevertheless, they also tend to have higher total biomass costs per year due to the procurement of larger quantities of materials. In the organic solvent pulping biorefinery, the biomass cost to revenue ratio was found to be acceptable only in scenarios where newsprint production was continued, due to the continued revenues from newsprint. Ideally in this situation the mill would increase the capacity of the organosolv process, however it was found that the biomass network cannot provide such large quantities of materials (above 1000 dry tonnes per day of woodchips for the biorefinery process). Thus, the decision on which procurement strategy to use will depend on whether the mill decides or not to maintain its newsprint production. If newsprint production is continued, and a pyrolysis technology is selected, than the use of hogfuel as a feedstock for the pyrolysis process is better suited as it will reduce feedstock costs, since there is an abundance of unused hogfuel in the supply chain. On the other hand, if organic solvent production is used, newsprint production must be maintained and the scale of the organosolv process needs to be reduced to 750tpd for the biomass procurement network to be able to produce enough woodchips to supply both processes. With the development and application of both simulation and optimization models to evaluate biorefinery scenarios, all the objectives of the PhD study were accomplished, and the hypotheses proven, while contributing to the body of knowledge.