University of Groningen
Supply chain design and planning for LNG as a transportation fuel
Lopez Alvarez, Jose
DOI:
10.33612/diss.131459842
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2020
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Lopez Alvarez, J. (2020). Supply chain design and planning for LNG as a transportation fuel. University of Groningen, SOM research school. https://doi.org/10.33612/diss.131459842
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Een stijgende zorg om de sociale- en milieueffecten als gevolg van het gebruik van vervuilende transportbrandstoffen, heeft gezorgd voor een groeiende interesse in het gebruik van alternatieve brandstoffen, zoals liquefied natural gas (LNG). Sup-ply chain management beslissingen (zoals het ontwerp van het distributienetwerk, het plannen van het transport en het voorraadbeheer) spelen een kritische rol bij het realiseren van potenti¨ele milieu en economische voordelen van het gebruik van LNG als transportbrandstof. Het nemen van deze beslissingen wordt bemoeilijkt door twee belangrijke uitdagingen. Ten eerste, zijn het distributienetwerk en de vraag naar LNG nog niet voldoende ontwikkeld. De vraag zal naar verwachting groeien als het distributienetwerk zich verder ontwikkelt. Echter dergelijke investeringen vergen een stijging van de vraag. Deze twee aspecten samen resulteren in een kip-en-ei-probleem. Ten tweede, is LNG een cryogene vloeistof die continu verdampt. Dit verdampingsproces zorgt niet alleen voor een vermindering van de hoeveelheid van de brandstof, maar heeft ook een impact op de kwaliteit hiervan. LNG van een lage kwaliteit kan niet worden verkocht als het onder de marktstandaard komt. Het ontwikkelen van nieuwe logistieke/supply chain management beslissingson-dersteunende modellen rekening houdende met deze uitdagingen is noodzakelijk. Door het meenemen van deze aspecten zullen de nieuw te ontwikkelen modellen verschillen van de modellen die beschikbaar zijn in de literatuur.
Dit proefschrift presenteert vier projecten waarin vraagstukken rondom locatie-routeringsbeslissingen, voorraadbeheer en lot-sizing binnen LNG netwerken worden bestudeerd. In hoofdstuk 2 bespreken we de uitdagingen van de huidige onder-ontwikkelde distributienetwerken voor LNG als transport brandstof. Specifiek, kijken we naar een locatie-routeringsvraagstuk en het vinden van locaties voor
kleinsch-132
alige LNG opslagfaciliteiten. Daarbij wordt ook rekening gehouden met de plan-ning voor transportroutes voor het vervoer van LNG vanuit de opslaglocatie naar klanten. Een specifieke eigenschap van dit probleem is dat het het directe trans-port van de terminals op verschillende niveaus van de LNG supply chain naar de eindgebruikers toelaat. We hebben het probleem geformuleerd als een mixed-integer model. We hebben een hybride exact algoritme ontwikkeld om het op te lossen. Dit algoritme is een uitbreiding van de ”variabel MIP neighborhood descent: . In de literatuur wordt deze methode ge¨ıntroduceerd voor het oplossen van locatie-routeringsvraagstukken in de distributieketen voor contant geld. Een numerieke studie toont aan dat deze methode beter presteert dan zowel het originele algor-itme als een commerci¨ele oplosser. Verder maken we gebruik van ons model om een case te ontwikkelen, waarbij we rekening houden met de LNG distributieketen in de Europese TEN-T-netwerken. Daarbij geven we inzicht in de effecten van het openen van satelliet-faciliteiten en het doen van investeringen in binnenvaartschepen voor het bunkeren voor het uitbreiden van de distributieketen voor het gebruik van LNG als een transportbrandstof in Europa.
In hoofdstuk 3-5, bestuderen we nieuwe vraagstukken rondom voorraadbeheer die zich voordoen in de LNG distributieketen. In het bijzonder houden we bij het modelleren en het introduceren van oplossingsmethodieken rekening met de neg-atieve effecten van de verslechtering van de kwaliteit van LNG als gevolg van het verdampen en proberen we deze effecten te beperken. In hoofdstuk 3 richten we ons op een nieuw voorraadbeheerprobleem voor vloeistoffen die hinder ondervinden van het verslechteren van de kwaliteit en waarvan de kwaliteit kan worden be¨ınvloed door het bijmengen. In dit project is het belangrijkste doel om door het uitvoeren van een analytische studie inzichten te verkrijgen in de effecten die de eigenschap-pen van LNG hebben op het nemen van beslissingen rondom het beheren van voor-raden. Daarvoor analyseren we een situatie waarin de vraag deterministisch is. Ver-der nemen we aan dat twee leveranciers beschikbaar zijn, de ene met de vloeistof van een lage kwaliteit tegen een lage prijs, en de andere met een vloeistof van een betere kwaliteit tegen een hoge prijs. Door een grondige analyse van het probleem hebben we een aantal structurele kenmerken van een optimale oplossingsmethode voor het bestudeerde probleem ge¨ıdentificeerd. Uit deze karakterisering blijkt dat, bijvoorbeeld, een poging om de kwaliteit van voorraden te vergroten door het bij-mengen moet worden vermeden tenzij de kwaliteit van de voorraad het minimum
heeft bereikt. Deze karakterisering zorgt niet alleen voor een intu¨ıtieve weergave van het effect van de verslechtering van de kwaliteit van LNG op het beheer van voorraden, maar het kan ook nuttig zijn voor het ontwerp van een heuristiek en ex-acte benaderingen om op die manier optimale oplossingsmethoden te vinden voor het vraagstuk van voorraadbheer van vloeibare stoffen waarvan de kwaliteit kan worden opgewaardeerd via bijmengen.
In hoofdstuk 4 formuleren we een lot sizing probleem waar meerdere LNG lever-anciers beschikbaar zijn die elk LNG aanbieden, maar met een andere prijs-kwaliteit verhouding. In eerste instantie formuleren we het probleem als een mixed-integer niet-lineair model dat we vervolgens herformuleren met behulp van een lineairiser-ingtechniek waarbij sommige variabelen worden gediscretiseerd. Daarnaast ontwer-pen we twee heuristieken die ge¨ınspireerd zijn op het Wagner en Within algoritme. De eerste heuristiek is een methode waarbij bestellingen voor het aanvullen van de voorraad alleen worden geplaatst in die periodes waarbij het voorraadniveau nul is.De tweede benadering is een decompositie heuristiek waar we uitsluitend kijken naar methoden waarbij het aantal keren waarin het LNG wordt bijgemend tussen periodes zonder voorraad wordt gelimiteerd. Door middel van numerieke analyses, laten we zien dat de tweede methode beter presteert dan de andere benaderingen wanneer we kijken naar de oplossingskwaliteit en rekentijden.
In hoofdstuk 5 beschouwen we een vraagstuk voor voorraadbeheer in de situatie met een leverancier en stochastische vraag aan LNG opslagfaciliteiten. We voegen als beslissingsvariabele het verwijderen van LNG uit de voorraad toe vanwege de stochastische aard van het probleem. Het probleem wordt gemodelleerd als een Markov beslissingsproces. Onze analyse van de optimale oplossingsmethoden van het probleem leidt ons tot het voorstellen van een (S, s, v, k) regel voor het beheren van voorraden waarin wordt aangegeven wanneer en hoeveel LNG moet worden aangevuld en/of verwijderd uit de voorraad. Met een numerieke studie tonen we aan dat het verschil in de prestaties van onze methode met het optimum gemid-deld 1,65 % is. Een van de belangrijkste conclusies van ons onderzoek is dat de verwijdering van LNG een essentieel element is in methoden voor voorraadbeheer van LNG-systemen, omdat het systeem anders een tijdelijke impasse kan bereiken waarin de LNG niet kan worden gebruikt om aan de vraag te voldoen noch kan worden opgewaardeerd om aan de vereiste minimale kwaliteitseisen te voldoen.
manage-134
ment inzichten. De methodologische bijdragen blijken uit de introductie van nieuwe beslissingsproblemen en bijbehorende formuleringen van modellen, alsmede uit de ontwikkeling van exacte en heuristische benaderingen die in staat zijn om oplossin-gen van hoge kwaliteit te vinden. Daarnaast bieden ze inzichten voor het ontwerp en de planning van LNG distributienetwerken in de praktijk, evenals een aantal in-teressante open vragen voor toekomstig onderzoek.
First of all, I would like to express my gratitude to Iris, Paul and Onur, for all the time and effort that you invested in me and my PhD project during the last years. Iris, I want to thank you for believing in me from the very beginning, and also for creating an ideal setting for me to develop my skills and accomplish my goals as a PhD candidate. Paul, from the moment you became my master’s thesis supervisor, I’ve grown greatly professionally and personally. I will always be grateful for your guidance during these years. Onur, thank you for all the patience and hard work. I enjoyed a lot our discussions and I learned a lot from them.
I’m also very grateful to my friends and PhD colleagues Hendrik, Roel and Bart. Your friendship and support while I was adapting to a new life in the Netherlands made the transition much easier. Michiel, Albert and Gerlach, thanks for sharing with me your knowledge and ideas, I’ve learned a lot from you during the last years. Albert, Aline, Amak, Anna, Chengyong, Constantinos, Dennis, Gerlacht, Hendrik, Jan Eise, Lissane, Michiel, Mitchell, Robert Jan, Roel and Sabine, thanks for the great memories we built together during our PhD journey.
Professors Bernd Heidergott, Dennis Huisman and Jan Riezebos, thank you for agreeing to be part of the assessment committee.
I would also like to thank people with whom I collaborated in all different re-search projects in which I was involved. Evrim, Iris, Kees Jan, Leandro, Marjolein, Michiel, Nick, Onur, Paul, Roel and Rogier, I had a great time working together and I learned a lot from you. I would also want to thank Sander Gersen (expert on gas quality and combustion) from DNV GL for his contribution to my research regarding the physio-chemical properties of LNG.
136
papa Rafael Jos´e, por el apoyo y afecto incondicional. Siempre estar´e agradecido por todos los sacrificios que han hecho para construir las oportunidades que he tenido a lo largo de mi vida. Renate, thank you for all the happiness that you have brought to my life.
Jos´e Alejandro L ´opez ´Alvarez was born in Bogot´a, Colombia on February 13, 1988. In 2006 he finished his pre-university studies at Gimanasio de los Cerros. In 2011, he obtained a Bachelor’s degree in Industrial Engineering with emphasis on Operations Research from Universidad de los Andes, Colombia.
Jos´e Alejandro started the master in Supply Chain Management on 2012 at the University of Groningen, the Netherlands. Upon finalizing his master, he worked as a junior researcher for 16 months at the same University. During this period, he was involved in different practical and academic projects related to the development of the distribution network of liquefied natural gas as a transportation fuel in the Netherlands. In 2015, he became a PhD candidate of the department of Operations at the University of Groningen. During this time, he published his research in peer-reviewed journals such as Omega and Interfaces. Additionally, he participated in international scientific conferences.
