Design for Flexibility in the Forest Biorefinery Supply Chain

Le climat d'affaires de industrie papetière nord américaine et européenne change présentement. La baisse de la demande, la volatilité des prix, l'augmentation de la compétition pour l'accès aux matières premières et le contrôle du marché, ainsi que des couts énergétiques passablement élevés poussent les entreprises forestières à rechercher de nouveaux modèles d'affaires afin d'être plus compétitives sur le long terme. Une des alternatives pour ces entreprises est de se tourner vers le secteur émergent de la bioéconomie et du bioraffinage. Possédant déjà un système d'utilité, un réseau d'approvisionnement de matières premières, un réseau de distribution de produits ainsi qu'un savoir-faire technique ouvrant la porte à de nombreuses possibilités d'intégration massique et énergétique, l'industrie forestière possède plusieurs avantages compétitifs pouvant améliorer la performance économique de l'implantation du bioraffinage. Plusieurs stratégies différentes peuvent être adoptées pour implanter des activités de bioraffinage au sein d'une entreprise. Par contre, en raison des risques technologiques et des risques de marché associés aux nouveaux procédés et produits, et le manque en capital des entreprises forestières, l'implantation du bioraffinage devrait être effectuée par phase. Des outils d'analyse appropriés sont toutefois requis afin d'identifier les stratégies possibles et les phases d'implantation. Puisque la chaine logistique (SC) d'une entreprise est critique pour la compétitivité à long terme des bioraffineries, un outil d'analyse de la SC peut donc jouer un rôle clé pour une transformation d'entreprise réussie. Une analyse de la SC calcule le bénéfice pour l'ensemble de la chaine logistique et prend en compte les différents contributeurs de couts qui sont typiquement ignorés dans les analyses économiques, tel que les couts d'inventaire, de transition, etc. Elle peut aussi être utilisée pour prendre en considération la volatilité du marché, et détermine comment la flexibilité inhérente d'un système de production peut être exploitée pour atténuer les risques et maximiser le profit. À cet effet, une analyse de la SC peut aussi être utilisée pour cibler le niveau de flexibilité souhaité d'un système afin d'atténuer les risques de volatilité du marché. De plus, cette analyse offre une meilleure compréhension des couts et de la rentabilité d'une stratégie d'implantation donnée. Ainsi, une analyse de la SC peut être utilisée à deux fins différentes : v • Pour la prise de décision au niveau de conception, et plus précisément, pour cibler le niveau de flexibilité d'un procédé de fabrication, • Pour comparer différentes stratégies pouvant être poursuivies par une entreprise, en évaluant leur performance selon différentes conditions de marché. L'objectif de cette recherche est d'illustrer une telle méthodologie de conception, soit une méthodologie qui cible un niveau de flexibilité manufacturière préférable à avoir, qui aide à concevoir le réseau de la SC, et qui permet d'évaluer différentes stratégies de bioraffinage pour transformer une entreprise forestière. Cette méthodologie est démontrée en utilisant une étude de cas qui inclut deux options de produits/procédé, dont des procédés thermochimiques et biochimiques, et plusieurs stratégies d'implantation à implanter au fil du temps. Le point d'ancrage de cette méthodologie est basé sur les principes de gestion de la chaine logistique centrée sur les marges. Plutôt que d'appliquer une approche traditionnelle centrée sur la production, où la gestion de la capacité des équipements et la minimisation des couts de production prime, une approche centrée sur les marges vise plutôt à maximiser le profit. Pour ce faire, tous les couts encourus au long de la SC doivent être considérés de façon intégrée. De même, le potentiel de flexibilité au sein de la SC, particulièrement au niveau de la production, doit être exploité pour maximiser le profit. Une formulation mathématique d'optimisation est développée pour représenter une telle mentalité. Selon cette dernière, une méthodologie de conception est proposée afin d'aider le processus de prise de décision stratégique reliée au design de la chaine logistique du bioraffinage. Cette méthodologie est alimentée par d'autres méthodologies qui identifient un ensemble d'options de procédés/produits prometteurs. Elle comprend quatre étapes principales : 1. La définition des alternatives de procédés représentant différents potentiels de flexibilité, 2. La définition d'options de réseau de SC, en tenant compte des caractéristiques des alternatives de procédés, de même que les politiques, les forces et les faiblesses de l'entreprise étudiant ces alternatives procédés/produits, 3. Le ciblage d'un degré de flexibilité manufacturière et d'un réseau de SC associé, 4. L'analyse de stratégies d'implantation des alternatives procédés/produits retenues vi Un ensemble d'indicateurs de performance représentant la rentabilité de la SC, la robustesse et la flexibilité des différentes options de bioraffinage est utilisé pour évaluer la performance de stratégies de bioraffinage selon différents scénarios de marchés. Les résultats montrent que lorsque la flexibilité d'un système est améliorée, le profit augmente. Cependant, cela ne mène pas nécessairement à une amélioration de la rentabilité. Pour que la rentabilité d'un système flexible augmente, les investissements supplémentaires déboursés pour augmenter le degré de flexibilité doivent être compensés par une amélioration au niveau des profits. Ainsi, pour certains cas, la rentabilité augmente avec la flexibilité du procédé, et dans certains cas non. De plus, la robustesse d'une option est directement liée à sa flexibilité. Plus le degré de flexibilité augmente, plus le système devient robuste envers la volatilité du marché. De même, les résultats montrent l'importance de l'analyse de la SC lors de la prise de décision reliée à la conception. Ils illustrent le fait qu'un changement dans le degré de flexibilité manufacturière d'un procédé affecte directement les opportunités de l'entreprise. Ainsi, des stratégies de marché et des degrés de flexibilité différents impliquent une configuration de réseau de SC et une stratégie de gestion spécifiques. Il devrait donc y avoir une intégration entre la conception de procédés et la conception du réseau de la SC. Il est aussi montré que les produits chimiques à valeur ajoutée sont prometteurs pour le succès futur du bioraffinage. Les options de procédés fabriquant ces derniers obtiennent une rentabilité en termes de taux de retour interne considérablement plus élevée que les options fabriquant des produits de commodités.

Abstract

The pulp and paper industry business environment in North-America and Europe is changing. Declining and volatile product price and demand, increased competition for feedstock and market share, growing competition from global low-cost producers and considerably high energy cost are driving companies to seek alternative business models to be competitive over the longer term. One alternative is to enter the bio-energy and biorefinery sectors that have been emerging in recent years. Having the required utility systems in place and the engineering know-how, existing feedstock supply chain networks and product delivery systems as well as the potential for mass and/or energy integration between existing processes and new processes imply competitive advantages for the forestry companies to improve their economic performance via implementing biorefinery. Many different strategies can be pursued for implementing the biorefinery. Due to a lack of capital for implementing such strategies, technological risks and product market immaturities, the implementation should be executed in a phase-wise manner. Proper analysis tools are required to identify feasible strategies and their implementation phases. The design and management of supply chain (SC) is critical for the long-term competitive advantage of companies who would like to implement the biorefinery. In this regard, SC analysis can be used to evaluate the potential SC performance of different biorefinery strategies. It calculates the profit across the entire SC and accounts for cost contributors that are typically ignored in economic analyses, e.g. inventory cost, changeover cost, etc. It can also be used to take into consideration market volatility, and determine how the flexibility of the manufacturing system can be exploited to mitigate market risks in order to maximize profit. In this way, SC analysis can be used to target the desired level of flexibility of a manufacturing system needed to mitigate the impact of market price volatility. Moreover, these capabilities provide better insight into the costs and profit incurred by an implemented strategy. Thus, an SC analysis can be used for two different purposes: • For making design decisions, and more specifically, for targeting the level of flexibility of a system and designing the SC network configuration • For comparing several strategies by evaluating their performance for different market conditions viii The objective of this thesis is to develop a design methodology for targeting the required level of flexibility, designing the SC network configuration, and evaluating different FBR strategies for transforming a forest company. The methodology is demonstrated using a case study that involves two product/process options, including thermochemical and biochemical processes, with several implementation strategies, implemented over the years. The pivot of this methodology is the margins-based thinking used as an operating policy. It is discussed that, instead of applying the traditional manufacturing-centric approach in production which focuses on capacity management and tries to minimize the costs, the margins-based policy must be implemented, which has the following specifications: • It maximizes the profit instead of minimizing costs • It considers all costs incurred by SC activities in an integrated manner and doesn't only focus on production cost • It exploits the potential for flexibility in the SC, especially in production, to maximize profit A SC optimization formulation is developed to represent such thinking. Using this formulation, a design methodology is proposed for making strategic decisions related to biorefinery SC design. This methodology is fed by separate methodologies which identify the most promising set of product to produce and technologies to employ. Given that, the methodology involves four major steps: • Defining process alternatives representing different potentials for flexibility • Defining SC network alternatives based on the defined process alternatives as well as the policies, advantages and restrictions of the company • Targeting the level of flexibility of processes and determining its associated SC network • Analyzing different implementation strategies for the proposed product/processes with their targeted level of flexibility and defined SC network A set of performance metrics that represents SC profitability, robustness and flexibility is used to evaluate the performance of biorefinery strategies for several market scenarios. The results show that when the flexibility of a system is enhanced, its profit increases. But this does not necessarily end in profitability improvement. For the profitability of a flexible system to ix improve, the extra capital cost paid for increasing the level of flexibility must be compensated by the profit improvement. Thus, for some cases profitability increases with flexibility and for some cases it does not. Moreover, robustness has a direct relationship with flexibility. As flexibility increases, the system becomes more robust against market volatility. The results reveal the importance of SC analysis in making design decisions. They illustrate that changes in the level of flexibility will directly affect the company's opportunities and strategies in the market, and thus, each level of flexibility implies a specific SC network configuration and management strategy. Therefore, there must be integration between process design and SC network design. It is also shown that added-value chemicals are promising for the long-term success of biorefineries. Their profitability, in terms of internal rate of return (IRR), is considerably higher than that of commodities.