Cadre méthodologique d'identification de stratégies préférentielles de bioraffinage forestier par une approche stage-and-gate

Les réalités entourant le secteur des produits forestiers ont favorisé la mise en place de stratégies de diversification de produits et l'émergence du bioraffinage, principalement dans les compagnies papetières qui ont vu leur compétitivité être sévèrement affaiblie dans la dernière décennie. Au développement du bioraffinage s'associent indéniablement de nombreux défis, lesquels sont reliés aux diverses perspectives de risques technologique, économique, et stratégique qu'implique la transformation du modèle d'affaires des compagnies concernées. Une des difficultés majeures dans ce contexte réside en la sélection des produits sur lesquels bâtir la transformation envisagée, étape que rend complexe la vaste panoplie de possibilités qu'offrent la biomasse végétale et les technologies de conversion existantes. Le présent projet de recherche s'est penché sur cette problématique avec pour objectif principal le développement d'une approche de conception permettant de considérer de manière systématique différentes perspectives de risque auxquelles une compagnie forestière pourrait faire face, dans le but d'identifier les stratégies qui selon son contexte, peuvent être qualifiées de préférentielles. La revue des notions relatives à la conception et au développement de nouveaux produits dans la littérature a permis de recommander les processus de type stage-and-gate pour le développement des alternatives de bioraffinage en raison de l'approche multidisciplinaire d'atténuation du risque qui y est intrinsèque, moyennant toutefois une adaptation pour l'évaluation de portefeuilles multiproduits. Dans la présente thèse, cette adaptation s'est concentrée sur les étapes initiatrices du processus d'innovation. Elle a porté sur la considération d'approches d'implantation séquentielle des portefeuilles de produits de bioraffinage, et sur la définition de critères d'évaluation en vue de l'amélioration de la prise de décision. Les travaux qui ont supporté le développement de l'approche méthodologique ont été axés autour de deux études de cas, la première examinant l'implantation de stratégies de bioraffinage basé sur la lignine dans une compagnie forestière nord-américaine, et la seconde couvrant le développement de critères représentatifs des perspectives de marché et de compétitivité dans le contexte du bioraffinage basé sur le triticale. En a résulté une méthodologie constituée de deux stages et deux gates, qui correspond à une évolution des stages « Découverte » et « Définition du projet », dans le processus stage-and-gate de deuxième génération typique. La première étape met l'emphase sur la clarification des objectifs stratégiques de la compagnie forestière relativement au bioraffinage, notamment de son envergure et de son importance dans la vision à long-terme vis-à-vis de l'activité principale de la compagnie. L'interprétation des motivations et barrières qui en découlent oriente la génération des alternatives à considérer, mais permet principalement d'établir les critères à employer au premier jalon de triage. Il a été démontré que leur utilisation avec des seuils de préférence stricte permet de réduire considérablement l'ensemble d'alternatives initialement défini à un nombre gérable pour les étapes subséquentes de développement. Aux alternatives retenues sont ensuite associés des plans d'implantation par phases, lesquels sont définis en fonction du positionnement sur la chaîne de valeur associée aux produits ciblés dans chacune des phases, et du mode de développement en intégration verticale ou horizontale qui relie les phases. La comparaison des interprétations faites des critères d'évaluation découlant des analyses de la première étude de cas – pour laquelle des combinaisons procédé-produits-plan d'implantation ont été systématiquement définies – et de ceux de la seconde étude – pour laquelle uniquement des combinaisons procédé-produits ont été considérées – a permis de mettre en relief les améliorations qu'apporte la considération d'une approche d'implantation séquentielle dans le processus stage-and-gate, notamment quant à l'appréciation des sources majeures de risque associés aux variantes des portefeuilles de produits lors de leur mise en place. Les analyses menées selon les perspectives technico-économique, environnementale et de compétitivité donnent ensuite lieu à la définition de critères représentatifs des potentiels de création de valeur et d'atténuation de risque associés à chacune des stratégies. L'emploi d'une méthode de prise de décision à critères multiples (MCDM) est recommandé à cet effet pour faciliter l'agrégation des préférences des acteurs de décision en considérant ces diverses perspectives.

Abstract

The business environment surrounding the forest products sector has favored the implementation of product diversification strategies and the emergence of biorefining, mainly in pulp and paper companies whose competitiveness has been severely weakened in the last decade. Developing a biorefinery undeniably implies many challenges, in link with the various technological, economic and strategic risks involved in business model transformation. One of the most critical challenges in this context concerns the selection of products on which the transformation would be built, a step that is especially complex due to the wide range of possibilities relative to vegetal biomass and to the existing conversion technologies. The main objective of this research project was to develop a product design approach that systematically considers the different perspectives of risk that a forest products company can face, in order to identify strategies that can be characterized as preferred considering the specific context of the company. The review of concepts relative to product design and to new product development in the literature has led to recommending stage-and-gate processes for the development of biorefinery alternatives, due to the multidisciplinary risk mitigation approach that is intrinsic to those processes. Nevertheless, an adaptation must be defined for biorefinery product portfolios, considering limitations of stage-and-gate processes in regards to the development of portfolios that include multiple products. In this thesis, that adaptation focused on the fuzzy front-end (FFE) section of the innovation process. It consisted of the consideration of phased-implementation approaches for biorefinery product portfolios and of defining refined assessment criteria to improve decision-making. Research activities that supported the development of the methodological approach were defined around two case studies, the first examining the implementation of lignin-based biorefinery strategies in a North American forest company, while the second assessed the development of criteria representative of market and competitiveness perspectives in the context of a triticalebased biorefinery. x These efforts resulted in a methodology consisting of two stages and two gates, which correspond to an evolution of the ''Discovery'' and ''Scoping" stages in the typical second-generation stageand- gate process. The first step aims at clarifying the company's strategic objectives considering the biorefinery, including mainly its scope and role in the long-term vision in regards to the core business activity. The interpretation of drivers and barriers follows ; it orients the generation of biorefinery alternatives to be considered, besides enabling to establish the set of criteria for the first triage gate. It has been shown that using these criteria as showstopper (with strict preference thresholds) leads to significantly reducing the initial set of possible alternatives to a manageable number, that is practical to be assessed in subsequent stages. Following the early triage, phased-implementation plans are defined for retained alternatives, based on the positioning on the value chains of targeted products in each phase, and on the vertical or horizontal integration approach that would shape the transition between phases. A comparison between the interpretations established by decision panels of criteria deriving from analyses in the first case study – for which process-products-implementation plan combinations were systematically defined – and those of the second study – for which only process-products combinations were considered – highlighted improvements in the stage-and-gate process resulting from the consideration of a sequential implementation approach. This mainly concerns the assessment of major sources of risk associated with product portfolios variants at different steps of their implementation. Assessment studies carried out under techno-economic, environmental and competitiveness perspectives then result in the definition of criteria representing value proposal and potential risks associated with each strategy. The use of a multi-criteria decision-making (MCDM) method is recommended, as it facilitates the aggregation of decision-maker preferences while considering these various perspectives. When combined, the results of the decision-making activities in the two case studies showed the overriding importance of market and competitiveness criteria as decision factors in the evaluation of biorefinery strategies. This has been made evident by the importance weights that decisionmakers attributed to that category and by their role in distinguishing strategies that had similar scores, in comparison with criteria representing the techno-economic and environmental perspectives. Employing the entire set of value- and risk-related criteria at the second gate of the methodology enables to effectively establish preferences between the strategies. The methodology developed in this thesis thus results in the systematic identification of a group that includes the most promising strategies given the context and the preferences of decision-makers within the forest products company. These strategies are characterized as preferred and are therefore approved to proceed to subsequent stages of the design process. The methodology also leads to identifying a second group of strategies, which are considered as alternative to the preferred ones. Given changes in the business environment, those might be re-evaluated and eventually be included in the first group.