Design of Closed Loop Supply Chains

Increased concern for the environment has lead to new techniques to design products and supply chains that are both economically and ecologically feasible. This paper deals with the product - and corresponding supply chain design for a refrigerator. Literature study shows that there are many models to support product design and logistics separately, but not in an integrated way. In our research we develop quantitative modelling to support an optimal design structure of a product, i.e. modularity, repairability, recyclability, as well as the optimal locations and goods flows allocation in the logistics system. Environmental impacts are measured by energy and waste. Economic costs are modelled as linear functions of volumes with a fixed set-up component for facilities. We apply this model using real life R&D data of a Japanese consumer electronics company. The model is run for different scenarios using different parameter settings such as centralised versus decentralised logistics, alternative product designs, varying return quality and quantity, and potential environmental legislation based on producer responsibility.supply chain management;reverse logistics;facility location;network design;product design

Selection of Wood Supply Contracts to Reduce Cost in the Presence of Risks in Procurement Planning

Les activités d'achat dans l'industrie des pâtes et papiers représentent une part importante du coût global de la chaîne d'approvisionnement. Les décideurs prévoient l'approvisionnement en bois requis jusqu'à un an à l'avance afin de garantir le volume d'approvisionnement pour le processus de production en continu dans leur usine. Des contrats réguliers, flexibles et d'options avec des fournisseurs de différents groupes sont disponibles. Les fournisseurs sont regroupés en fonction de caractéristiques communes, telles que la propriété des terres forestières. Cependant, lors de l'exécution du plan, des risques affectent les opérations d'approvisionnement. Si les risques ne sont pas intégrés dans le processus de planification des achats, l'atténuation de leur impact sera generalement coûteuse et compliquée. Des contrats ad hoc coûteux supplémentaires pourraient être nécessaires pour compenser le manque de livraisons. Pour aborder ce problème dans cette thèse, dans un premier projet, un modèle mathématique déterministe des opérations d'approvisionnement est développé. L'objectif du modèle est de proposer un plan d'approvisionnement annuel pour minimiser le coût total des opérations relatives. Les opérations sont soumises à des contraintes telles qu’une proportion minimale de l'offre par chaque groupe de fournisseurs, des niveaux cibles des stocks, de la satisfaction de la demande, la capacité par la cour à bois et la capacité du procédé de mise en copeaux. Les décisions sont liées à la sélection des contrats d'approvisionnement, à l'ouverture de cour à bois et aux flux du bois. Dans un deuxième projet, une évaluation du plan d'approvisionnement à partir du modèle déterministe du premier projet est effectuée en utilisant une approche de simulation Monte Carlo. Trois stratégies contractuelles différentes sont comparées : fixes, flexibles et une combinaison des deux types des contrats. L'approche de simulation de ce projet évalue la performance du plan par la valeur attendue et la variabilité du coût total, lorsque le plan est exécuté pendant l'horizon de planification. Dans un troisième projet, une approche de programmation stochastique en deux étapes est utilisée pour fournir un plan d'approvisionnement fiable. L'objectif du modèle est de minimiser le coût prévu du plan d'approvisionnement en présence de différents scénarios générés en fonction des risques. Les décisions lors de la première étape sont la sélection des contrats dans la première période et l'ouverture des cours à bois. Les décisions de la deuxième étape concernent la sélection des contrats commençant après la première période, les flux, l'inventaire et la production du procédé de la mise en copeaux. iii L'étude de cas utilisée dans cette thèse est inspirée par Domtar, une entreprise des pâtes et papiers située au Québec, Canada. Les résultats des trois projets de cette thèse aident les décideurs à réduire les contraintes humaines liées à la planification complexe des achats. Les modèles mathématiques développés fournissent une base pour l'évaluation de la stratégie d'approvisionnement sélectionnée. Cette tâche est presque impossible avec les approches actuelles de l'entreprise, car les évaluations nécessitent la formulation de risques d'approvisionnement. L'approche de programmation stochastique montre de meilleurs résultats financiers par rapport à la planification déterministe, avec une faible variabilité dans l'atténuation de l'impact des risques.Procurement activities in the pulp and paper industry account for an important part of the overall supply chain cost. Procurement decision-makers plan for the required wood supply up to one year in advance to guarantee the supply volume for the continuous production process at their mill. Regular, flexible and option contracts with suppliers in different groups are available. Suppliers are grouped based on common characteristics such as forestland ownership. However, during the execution of the plan, sourcing risks affect procurement operations. If risks are not integrated into the procurement planning process, mitigating their impact is likely to be expensive and complicated. Additional expensive ad hoc contracts might be required to compensate for the lack of deliveries. To tackle this problem, the first project of this thesis demonstrates the development of a deterministic mathematical model of procurement operations. The objective of the model is to propose an annual procurement plan to minimize the total cost of procurement operations. The operations are subject to constraints such as the minimum share of supply for each group of suppliers, inventory target levels, demand, woodyard capacity, and chipping process capacity. The decisions are related to the selection of sourcing contracts, woodyards opening, and wood supply flow. In the second project, an evaluation of the procurement plan from the deterministic model from project one is performed by using a Monte Carlo simulation approach. Three different strategies are compared as fixed, flexible, and a mix of both contracts. The simulation approach in this project evaluates the performance of the plan by the expected value and variability of the total cost when the plan is executed during the planning horizon. In the third project, a two-stage stochastic programming approach is used to provide a reliable procurement plan. The objective of the model is to minimize the expected cost of the procurement plan in the presence of different scenarios generated based on sourcing risks. First-stage decisions are the selection of contracts in the first period and the opening of woodyards. Second-stage decisions concern the selection of contracts starting after the first period, flow, inventory, and chipping process production. The case study used in this thesis was inspired by Domtar, which is a pulp and paper company located in Quebec, Canada. The results of three projects in this doctoral dissertation support decision-makers to reduce the human limitation in performing complicated procurement planning. The developed mathematical models provide a basis to evaluate the selected procurement strategy. This task is nearly impossible with current approaches in the company, as the evaluations require the formulation of v sourcing risks. The stochastic programming approach shows better financial results comparing to deterministic planning, with low variability in mitigating the impact of risks

A taxonomy of logistics innovations

In this paper we present a taxonomy of supply chain and logistics innovations, which is based on an extensive literature survey. Our primary goal is to provide guidelines for choosing the most appropriate innovations for a company, such that the company can outrun its competitors. We investigate the factors, both internal and external to the company, that determine the applicability and effectiveness of the listed innovations. We support our suggestions with real world cases reported in literature

Modellering av virkninger på skogsektoren av økt bruk av skogbasert bioenergi i Europa og syd-østlige USA

The European Union (henceforth, EU) is now well on track to meet the 2020 targets for renewable energy production and consumption, and recently a new 2030 Framework for climate and energy has been proposed. The forest sector is supposed to make a significant contribution towards meeting green economy objectives. Moreover, it is of high interest to analyze the potential impacts of EU’s renewable energy directive (RED 1 and the ongoing RED 2) on the forest sector in Europe and overseas. In order to examine global challenges regarding energy, climate change, ecological impacts, technology developments and sustainable use of land and natural resources in the upcoming circular bioeconomy era (EEA 2018), improved analysis tools are required. The utilization of Forest Sector Models (henceforth, FSMs), linking forestry and forest industry activities, has been found useful for assessing the interplay between forest resources and forest commodity markets, accounting for competition and synergies between different uses of wood. This thesis investigates the impacts of increased use of wood-based bioenergy on forest resources and markets of forest and wood products, and explores the strengths and weaknesses of FSMs.Unia Europejska (odtąd UE) jest na dobrej drodze, aby osiągnąć wyznaczone na 2020 rok cele w zakresie produkcji i zużycia energii odnawialnej. Także ostatnio, nowe ramy klimatyczne i energetyczne zostały zaproponowane na rok 2030. Zakłada się, że sektor leśny1 ma znacząco przyczynić się do osiągnięcia celów zielonej gospodarki. Ponadto niezwykle istotne jest przeanalizowanie potencjalnych skutków unijnej dyrektywy w sprawie energii odnawialnej (RED 1 i trwająca RED 2) na sektor leśny w Europie i za granicą. Aby zbadać globalne wyzwania dotyczące energii, zmian klimatu, skutków ekologicznych, rozwoju technologii oraz zrównoważonego użytkowania zasobów lądowych i naturalnych w nadchodzącej erze biogospodarki o obiegu zamkniętym (EEA 2018), potrzebne są ulepszone narzędzia analityczne. Wykorzystanie modeli sektora leśnego (odtąd MSL), łączących działalność w zakresie leśnictwa i przemysłu drzewnego, okazało się przydatne do oceny wzajemnych zależności między zasobami leśnymi a rynkami surowca drzewnego, z uwzględnieniem konkurencji i synergii między różnymi zastosowaniami drewna. Niniejsza praca dotyczy wpływu zwiększonego wykorzystania bioenergii, opartej na drewnie, na zasoby leśne i rynki surowca drzewnego oraz analizuje mocne i słabe strony MSL

A review of discrete-time optimization models for tactical production planning

This is an Accepted Manuscript of an article published in International Journal of Production Research on 27 Mar 2014, available online: http://doi.org/10.1080/00207543.2014.899721[EN] This study presents a review of optimization models for tactical production planning. The objective of this research is to identify streams and future research directions in this field based on the different classification criteria proposed. The major findings indicate that: (1) the most popular production-planning area is master production scheduling with a big-bucket time-type period; (2) most of the considered limited resources correspond to productive resources and, to a lesser extent, to inventory capacities; (3) the consideration of backlogs, set-up times, parallel machines, overtime capacities and network-type multisite configuration stand out in terms of extensions; (4) the most widely used modelling approach is linear/integer/mixed integer linear programming solved with exact algorithms, such as branch-and-bound, in commercial MIP solvers; (5) CPLEX, C and its variants and Lindo/Lingo are the most popular development tools among solvers, programming languages and modelling languages, respectively; (6) most works perform numerical experiments with random created instances, while a small number of works were validated by real-world data from industrial firms, of which the most popular are sawmills, wood and furniture, automobile and semiconductors and electronic devices.This study has been funded by the Universitat Politècnica de València projects: ‘Material Requirement Planning Fourth Generation (MRPIV)’ (Ref. PAID-05-12) and ‘Quantitative Models for the Design of Socially Responsible Supply Chains under Uncertainty Conditions. Application of Solution Strategies based on Hybrid Metaheuristics’ (PAID-06-12).Díaz-Madroñero Boluda, FM.; Mula, J.; Peidro Payá, D. (2014). A review of discrete-time optimization models for tactical production planning. International Journal of Production Research. 52(17):5171-5205. doi:10.1080/00207543.2014.899721S51715205521

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.---------- 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

Cooperation in manure-based biogas production networks: An agent-based modeling approach

Biogas production from manure has been proposed as a partial solution to energy and environmental concerns. However, manure markets face distortions caused by considerable unbalance between supply and demand and environmental regulations imposed for soil and water protection. Such market distortions influence the cooperation between animal farmers, biogas producers and arable land owners causing fluctuations in manure prices paid (or incurred) by animal farmers. This paper adopts an agent-based modeling approach to investigate the interactions between manure suppliers, i.e., animal farmers, and biogas producers in an industrial symbiosis case example consisting of 19 municipalities in the Overijssel region (eastern Netherlands). To find the manure price for successful cooperation schemes, we measure the impact of manure discharge cost, dimension and dispersion of animal farms, incentives provided by the government for bioenergy production, and the investment costs of biogas plants for different scales on the economic returns for both actor types and favorable market conditions. Findings show that manure exchange prices may vary between −3.33 €/t manure (i.e., animal farmer pays to biogas producer) and 7.03 €/t manure (i.e., biogas producer pays to animal farmer) and thanks to cooperation, actors can create a total economic value added between 3.73 €/t manure and 39.37 €/t manure. Hence, there are cases in which animal farmers can profitably be paid, but the presence of a supply surplus not met by demand provides an advantage to arable land owners and biogas producers in the price contracting phase in the current situation in the Netherlands