Methodology for Identifying Promising Retrofit Integrated Forest Biorefinery Strategies - Design Decision Making Under Uncertainty

Le bioraffinage forestier est de plus en plus considéré comme une activité future prometteuse pour l'industrie forestière, et comme une approche plus respectueuse de l'environnement pour répondre aux besoins de la société en matière d'énergie, de produits chimiques et de matériaux. Le bioraffinage forestier est basé en partie sur les mêmes principes que ceux de l'industrie pétrochimique et cible pratiquement le même marché de produits. L'industrie forestière possède toutefois un avantage particulier comparativement à l'industrie chimique pour cette transformation : elle possède une expérience de longue date quant à la récolte et la transformation de matières premières biologiques. D'un autre côté, la compétitivité actuelle de l'industrie des pâtes et papiers (P&P) dans les pays traditionnels de production de P&P est compromise, et ce à cause du vieillissement de ses installations, des coûts d'énergie élevés, d'une réglementation stricte et des attentes élevées du public. Dans ce contexte, la prise de décision pour un investissement dans un procédé de bioraffinage devient un défi important et donne alors lieu à des pressions supplémentaires sur la conception de procédé et sur les processus de prise de décision visant à identifier les meilleures opportunités. L'identification et la gestion des caractéristiques aux niveaux du procédé et de gestion stratégique, de même que les incertitudes reliées à l'implantation en rétro-installation du bioraffinage forestier est nécessaire pour la prise de décision concernant le choix d'investissements stratégiques. Présentement, de nombreuses méthodes sont appliquées à différentes étapes du cycle de gestion des affaires afin d'analyser l'impact des incertitudes. Au niveau du procédé, des méthodes et outils de conception de nouveaux procédés ou de procédés en rétro-installation sont appliqués pour analyser la rentabilité de projets stratégiques. Au niveau de l'entreprise ou de l'usine, des méthodes avancées de comptabilité sont utilisées pour analyser la performance au niveau des coûts des unités, et des rapports financiers sont effectués périodiquement pour caractériser la performance de l'entreprise. De plus, la prise de décision en groupe est de plus en plus utilisée pour la planification stratégique et les décisions d'investissement. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie qui améliore le lien entre la conception de procédé en rétro-installation, la comptabilité analytique et les activités de prise de décision reliées à l'investissement en capital, afin d'améliorer le processus de prise de décision relié à l'investissement dans le bioraffinage forestier. Cette méthodologie est appliquée à une étude de cas considérant l'implantation en rétro-installation du bioraffinage dans une usine de P&P kraft. La méthodologie consiste en la prise de décision par étapes successives, en commençant par une présélection d'alternatives de procédés basée sur des analyses technico-économique et de risques traditionnelles. La deuxième étape du processus décisionnel utilise un nouveau cadre combinant à la fois le processus de prise de décision d'investissements stratégiques, et la conception et la simulation de procédés par le biais d'un modèle économique basé les principes de comptabilité par activités. Les modèles de coûts liés à la simulation de procédé sont d'une part en mesure de représenter avec précision les coûts de fabrication de tous les produits après l'implantation de procédés de bioraffinage. D'autre part, ces modèles sont capables de fournir des indicateurs financiers utiles pour l'évaluation des performances des projets stratégiques à court et à long terme. Par ailleurs, une analyse de risques utilisant une analyse stochastique multivariée peut être utilisée puisque toutes les mesures de performance sont explicitement quantifiées. Les résultats de l'étude de cas montrent que l'analyse systématique des incertitudes externes peut fournir des informations essentielles sur les performances d'un projet dans le pire scénario, et ce même à l'étape de présélection des alternatives de procédé. Par ailleurs, l'analyse stochastique multivariée permet une évaluation plus objective des incertitudes au lieu d'utiliser des méthodes subjectives. De plus, les résultats d'analyse des alternatives de procédés retenues en utilisant le cadre élaboré quantifient clairement les impacts économiques des projets de rétro-installation. Ces impacts varient entre les alternatives, et ce à cause des différents potentiels d'intégration et des différentes contraintes du système de production existant. Dans le cas d'un processus normal de conception de procédé et d'affectation de capitaux, cette information sur les coûts ne serait disponible que pour les projets implantés et ce, après leur mise en service. Le changement dans la compétitivité des coûts dans l'activité principale de l'entreprise peut être un facteur particulièrement important pour les producteurs de commodités papetières ayant des coûts de production élevés. En effet, lors d'un panel multicritères de décision (MCDM) où les différents calculs étaient basés sur ces données de coûts d'opération plus précises, l'intensité de différents critères de performance stratégiquement importants, tels que la performance du capital et la capacité de paiement pour les matières premières a été évaluée. Ce panel a montré que, même si certains critères de performance de projet à court terme ont été privilégiés, de bonnes performances au niveau des usines avaient également un rôle important dans le classement global. Ainsi, le classement final des alternatives obtenu lors de ce panel différait de celui obtenu lorsque seul le critère de rentabilité du projet était utilisé. De plus, les diverses importances relatives des critères de sélection de projet attribuées par les différents membres du personnel de l'entreprise ayant participé au panel ont démontré le caractère multiforme de ce problème décisionnel de choix d'investissements stratégiques. Par ailleurs, le fait d'utiliser une analyse de sensibilité lors du panel MCDM a permis d'illustrer l'impact des divergences de préférences des panélistes sur le classement des alternatives. En résumé, l'utilisation de cette méthodologie a d'abord permis de réduire un grand nombre d'alternatives de procédé pour l'usine de P&P à un premier ensemble d'alternatives potentielles, pour ensuite identifier une seule combinaison produit-procédé plus prometteuse. Cette méthodologie a donc été en mesure de lier systématiquement différentes analyses pour aider une entreprise manufacturière lors de la prise de décision pour le choix d'investissements. Les travaux futurs comprennent l'élargissement de ce cadre méthodologique au processus de décision d'investissements stratégiques au niveau corporatif, afin d'améliorer davantage la gestion des actifs et la planification stratégique. Par ailleurs, une analyse des performances au niveau des opérations pourrait être incluse dans ce cadre afin de faire la conception de procédés de bioraffinage forestier flexibles bien adaptés à la stratégie d'entreprise.

Abstract

Forest biorefinery is increasingly been considered as potential future business for traditional forest industry, and a more environmentally benign approach for supplying the demand of energy, chemicals and materials for the society. The forest biorefinery is partly based on the same principles, and it targets the same market sector, as traditional petro-chemical industry. However, the forest industry possesses a unique advantage over the chemical industry that is the long experience in bio-based feedstocks and their processing. The current pulp and paper (P&P) industry's competitiveness in traditional P&P countries due to ageing assets, high energy costs, strict regulations and high environmental expectations from the public, makes however the investment decision making challenging and thus gives rise to additional pressure on the design and decision making processes to help identifying the right opportunities. Identification and management of the process and business level characteristics and uncertainties of retrofit forest biorefinery implementation is required in the strategic investment decision making. Currently, many methods are applied in different functions of the business life-cycle to analyse similar characteristics and impacts of uncertainties for varying purposes: at process level, retrofit and greenfield process design methods and tools are applied to investigate project feasibility and profitability for potential operational and strategic projects; at business or facility level, advanced cost accounting methods are used to analyse manufacturing system cost-performance, financial reporting is conducted to report business performance periodically, and group decision making is utilised in strategic planning and investment decision making. The objective of this thesis is to develop a methodology to improve the link between retrofit process design, cost accounting and capital investment decision making activities to further enhance the investment decision making process for forest biorefinery. The methodology is applied in a case study considering retrofit biorefinery implementation into a kraft P&P mill. The methodology consists of step-wise decision making starting with pre-screening of retrofit design alternatives based on traditional techno-economics and risk analysis, followed by an advanced decision making procedure. This second decision making step uses a novel framework combining process design and simulation through cost accounting models, based on activity-based costing principles, to strategic investment decision making process. The cost models linked to process simulation are able to accurately represent the manufacturing costs of all products after retrofit biorefinery implementation, and on the other hand, these models are able to provide useful financial measures of short- and long-term performance of the projects and the facility for strategic investment decision making. Moreover, risk analysis using stochastic multivariate analysis can be utilized since all performance metrics are explicitly quantified. Results of the case study application of the framework show, that systematic analysis of external uncertainties can provide critical information about the worst-case scenario project performance already in the project pre-screening stage. Moreover, multivariate stochastic analysis enables a more objective assessment of the uncertainties instead of using subjective scoring methods. Furthermore, the analysis results of the retained retrofit design alternatives using the developed framework clearly quantified the cost-impacts of the retrofit projects. These impacts vary between alternatives because of different integration potential and system constraints. In the case of normal process design and capital appropriation process, this cost information would be available only for the implemented project when it is operating. The change in the core business cost competitiveness can be especially important factor for the higher cost producers of commodity P&P products. Evaluation of the intensities of different strategically important performance criteria, such as capital performance or feedstock paying capability, based on this more accurate operating cost data showed that even though short-term project performance criteria were preferred, good facility-level performance based on the multi-criteria decision making (MCDM) panel had an important role in the overall ranking. The final ranking of the alternatives differed from that of using only a single criterion, project profitability. The attribute importance preferences of mill and company personnel from varying positions demonstrated the multi-faceted nature of this strategic investment decision making problem. Moreover, using sensitivity analysis in the MCDM was also able to illustrate the impact of the panellists' preference differences on the ranking. In summary, the complete methodology was able to narrow down a large amount of P&P mill retrofit alternatives first to a set of potential candidates and further to a most potential process-product combination, and thus was able to systematically link the different analysis activities in a manufacturing firm to aid investment decision making. Future work includes the expansion of this framework into the strategic investment decision making at the corporate level, to further enhance the asset management and strategic planning. Furthermore, operations-performance analysis can be included in the framework to obtain flexible forest biorefinery designs with good strategic fit.