Developing an innovative decision support system for modelling and holistic optimization of the LNG supply chain

Abstract

Natural gas is considered to be an important alternative energy source for many countries, albeit with a forecasted demand lower from 45% to 55% depending on the forecast scenario by 2050 (BP, 2023). Until 2050, natural gas demand will not decrease sharply as in the following years, many regulations (EEXI, CII, ETS, FuelEU) will require natural gas to reduce carbon emissions. The LNG supply chain includes three stages with several types of facilities corresponding to each stage of the supply chain, namely liquefaction (upstream), transportation (midstream) and regasification (downstream). In the case of an integrated organization active across the LNG supply chain, quantitative data such as shipowner and charterer costs are available for processing and planning. However, this is not the case when two independent parties operate separately. On the one hand the owner of an LNG fleet, usually active only in the midstream supply chain transporting the LNG. On the other hand, the charterer trading the LNG, who is usually active both in the upstream supply chain with stake in liquefaction terminal(s) and in the downstream supply chain with different legal entities active in the marketing and selling of the LNG. The research focused on the midstream section of the LNG supply chain, i.e. the LNG shipping market and more specifically on tramp shipowners, who seek to maximize their profits by optimizing the deployment of the fleet to minimize its operational cost. The objective of the research was to support the tactical planning of the tramp LNG shipowners, using an optimization approach. The results could contribute to enhance the proactivity on significant investment decisions in assets of the midstream LNG supply chain. The objective was met by developing a novel mathematical model for the optimization of LNGC tramp fleet planning, which will support the decision-maker on a tactical level. More specifically, the target of the model was to optimize the operation of a heterogeneous LNG fleet from the scope of the tramp shipowner, assigning vessels to contracts - associated with cargoes and trade routes between liquefaction and regasification terminals – that prove to be financially attractive, in terms of operational cost and profit. The model was representative to the real-life problem the LNG midstream supply chain described below and addresses aspects not covered by the current scientific literature review. The specific real-life problem of the LNG midstream supply chain was identified from the shipowner’s scope. In short, the problem was how the profit from the ownership of a heterogeneous fleet of LNGCs can be maximized over a fixed annual time horizon. The mathematical formulation of the tactical planning problem adopted the goal of cost minimization for the fleet under operation, as a mean to increase the profit of the shipowner, due to the fact that the profit is a result of the revenue minus the cost. To achieve the optimization and the envisaged goal, a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model was developed. Its assumptions, notation, objective function, constraints and solution algorithm were elaborated at length in the Dissertation. Data parameters related to the LNGCs and the import / export terminals between which the LNGCs operate. As the interested party is the shipowner, specific monetary streams and the technical data associated with them are examined. In terms of cost-related parameters, the research was not limited to fixed costs that burden the shipowner on all occasions but included an innovative cost analysis and distribution mechanism that co-calculated the variable operating cost of the LNGCs undertaken by the charterer. With regards to terminal parameters, the distance between the various export and import terminals had a significant impact on the optimization of the tactical plan. Another parameter addressed the storage capacity of each LNG terminal. Finally, loading and unloading rates were also considered. It is important to underline the contribution of the research, which can be identified to several aspects. First, the research that combined the aforementioned research concepts could support shipowners to overcome the traditional, empirical, management approach, which dominates the shipping industry. This was achieved as the research produced a solution, offering a more proactive planning approach to the decision maker, i.e. the LNG tramp shipowner. Another contribution was that the research incorporates and promotes tactical planning methods (with managerial implications) for LNG tram shipowners, drawing experience from industrial shipowners that have been implementing scientific planning methods using the concept of tactical planning. To this end, the Dissertation presented mathematical models, the conceptual architecture and function of which span over the desired time horizon, encompassing required data parameters. Based on the Author’s review of the literature, the proposed approach for the optimization of LNG tramp shipping operations was considered as a novel one. Not only, the Dissertation identified a research gap in the relevant scientific literature for the midstream LNG supply chain, but also the proposed model dealt with optimization of the real-life problem, using MILP method in order to minimize cost function for the LNG fleet as a whole, thus affecting positively the LNG tramp shipowner. Finally, apart from the actual mathematical modelling, the dissertation proposed a proactive decision support process to tramp shipping management to identify pathways to decrease the operational cost and find additional profit sources, utilizing OR techniques.The proposed model could affect important corporate decisions of the LNG tramp shipowner, as well as of other stakeholders across the LNG supply chain. LNG charterers could use the proposed model to explore the impact of operational measures, such as slow steaming and evaluate alternative options when seeking LNGCs to contract for specific time charters. LNG tramp shipowners and charterers, even more so LNG producers and suppliers, could benefit to align the tactical planning of their organizations, accelerate their decision process and be more flexible. This is extremely important nowadays, as tactical planning proves to be even more important than strategic planning due to events that can change long term plans. The proposed model could also be used to improve LNG supply chain volatility and resilience by supporting the reallocation of assets (LNGCs, LNG supply and stock), because decisions by shipowners partially affect the available LNGCs in the market and could enable or be a barrier for the seamless trade of LNG.

Το φυσικό αέριο θεωρείται σημαντική εναλλακτική πηγή ενέργειας για πολλές χώρες, αν και με προβλεπόμενη ζήτηση χαμηλότερη από 45% έως 55% ανάλογα με το προβλεπόμενο σενάριο έως το 2050 (BP, 2023). Μέχρι το 2050, η ζήτηση φυσικού αερίου δεν θα μειωθεί απότομα καθώς τα επόμενα χρόνια, πολλοί κανονισμοί (EEXI, CII, ETS, FuelEU) θα απαιτήσουν φυσικό αέριο για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα. Η αλυσίδα εφοδιασμού του Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου (ΥΦΑ) περιλαμβάνει τρία στάδια με διάφορους τύπους εγκαταστάσεων που αντιστοιχούν σε κάθε στάδιο της εφοδιαστικής αλυσίδας, δηλαδή υγροποίηση (ανάντη), μεταφορά (ενδιάμεσο) και επαναεριοποίηση (κατάντη). Στην περίπτωση ενός ολοκληρωμένου οργανισμού που δραστηριοποιείται σε όλη την αλυσίδα εφοδιασμού ΥΦΑ, διατίθενται ποσοτικά δεδομένα, όπως το κόστος του πλοιοκτήτη και του ναυλωτή για επεξεργασία και προγραμματισμό. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει όταν δύο ανεξάρτητα κόμματα λειτουργούν χωριστά. Αφενός, ο ιδιοκτήτης ενός στόλου ΥΦΑ, που συνήθως δραστηριοποιείται μόνο στη μέση αλυσίδα εφοδιασμού που μεταφέρει το ΥΦΑ. Από την άλλη πλευρά, ο ναυλωτής εμπορεύεται το ΥΦΑ και δραστηριοποιείται συνήθως τόσο στην ανάντη αλυσίδα εφοδιασμού με συμμετοχή σε τερματικό(α) υγροποίησης όσο και στην κατάντη αλυσίδα εφοδιασμού με διαφορετικές νομικές οντότητες που δραστηριοποιούνται στην εμπορία και την πώληση του ΥΦΑ. Η έρευνα επικεντρώθηκε στο μεσαίο τμήμα της εφοδιαστικής αλυσίδας ΥΦΑ, δηλαδή στην αγορά ναυτιλίας ΥΦΑ και πιο συγκεκριμένα στους πλοιοκτήτες (tramp shipping), οι οποίοι επιδιώκουν να μεγιστοποιήσουν τα κέρδη τους βελτιστοποιώντας την ανάπτυξη του στόλου για να ελαχιστοποιήσουν το λειτουργικό του κόστος. Ο στόχος της έρευνας ήταν να υποστηρίξει τον τακτικό σχεδιασμό στόλου πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ, χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση βελτιστοποίησης. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ενίσχυση του σχεδιασμού για σημαντικές επενδυτικές αποφάσεις με περιουσιακά στοιχεία της μεσαίας αλυσίδας εφοδιασμού ΥΦΑ. Ο στόχος επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη ενός νέου μαθηματικού μοντέλου για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του στόλου πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ, το οποίο θα υποστηρίξει τον υπεύθυνο λήψης αποφάσεων σε τακτικό επίπεδο. Πιο συγκεκριμένα, ο στόχος του μοντέλου ήταν να βελτιστοποιήσει τη λειτουργία ενός ετερογενούς στόλου πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ από την σκοπιά του πλοιοκτήτη, αντιστοιχίζοντας πλοία σε ναυλοσύμφωνα - που σχετίζονται με φορτία και συγκεκριμένες εμπορικές διαδρομές μεταξύ τερματικών υγροποίησης και επαναεριοποίησης - που αποδεικνύονται ελκυστικά οικονομικά, όσον αφορά το λειτουργικό κόστος και το κέρδος. Το μοντέλο ήταν αντιπροσωπευτικό για πραγματικά προβλήματα σχεδιασμού του ενδιάμεσου τμήματος της εφοδιαστικής αλυσίδας ΥΦΑ που περιγράφεται παρακάτω και αντιμετωπίζει πτυχές που δεν καλύπτονται από την τρέχουσα επιστημονική βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, το πρόβλημα ήταν πώς το κέρδος από την ιδιοκτησία ενός ετερογενούς στόλου πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ μπορεί να μεγιστοποιηθεί σε ένα σταθερό ετήσιο χρονικό ορίζοντα. Η μαθηματική διατύπωση του προβλήματος τακτικού σχεδιασμού υιοθέτησε τον στόχο της ελαχιστοποίησης του κόστους για τον υπό λειτουργία στόλο, ως μέσο αύξησης του κέρδους του πλοιοκτήτη, λόγω του γεγονότος ότι το κέρδος είναι ισούται με τα εσόδα μείον το κόστος. Για την επίτευξη της βελτιστοποίησης και του προβλεπόμενου στόχου, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο Μικτού Ακέραιου Γραμμικού Προγραμματισμού (MILP). Οι παραδοχές, η σημειογραφία, η αντικειμενική συνάρτηση, οι περιορισμοί και ο αλγόριθμος λύσης αναλύθηκαν εκτενώς στη Διατριβή. Παράμετροι δεδομένων που σχετίζονται με τα πλοία μεταφοράς ΥΦΑ και τα τερματικά εισαγωγής/εξαγωγής μεταξύ των οποίων λειτουργούν τα πλοία. Καθώς ο ενδιαφερόμενος είναι ο πλοιοκτήτης, εξετάζονται συγκεκριμένες νομισματικές ροές και τα τεχνικά δεδομένα που σχετίζονται με αυτές. Όσον αφορά τις παραμέτρους που σχετίζονται με το κόστος, η έρευνα δεν περιορίστηκε σε πάγια κόστη που επιβαρύνουν τον πλοιοκτήτη σε όλες τις περιπτώσεις, αλλά περιλάμβανε έναν καινοτόμο μηχανισμό ανάλυσης κόστους και διανομής που συνυπολογίζει το μεταβλητό κόστος λειτουργίας των πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ που αναλαμβάνει ο ναυλωτής. Όσον αφορά τις παραμέτρους του τερματικού, η απόσταση μεταξύ των διαφόρων τερματικών εξαγωγών και εισαγωγών είχε σημαντικό αντίκτυπο στη βελτιστοποίηση του τακτικού σχεδίου. Μια άλλη παράμετρος αφορούσε τη χωρητικότητα αποθήκευσης κάθε τερματικού ΥΦΑ. Τέλος, ελήφθησαν υπόψη και συγκεκριμένοι ρυθμοί φόρτωσης και εκφόρτωσης. Είναι σημαντικό να υπογραμμιστεί η συμβολή της έρευνας, η οποία μπορεί να προσδιοριστεί σε πολλές πτυχές. Πρώτον, η έρευνα που συνδύαζε τις προαναφερθείσες ερευνητικές έννοιες θα μπορούσε να υποστηρίξει τους πλοιοκτήτες να ξεπεράσουν την παραδοσιακή, εμπειρική, διαχειριστική προσέγγιση, η οποία κυριαρχεί στη ναυτιλία. Αυτό επιτεύχθηκε καθώς η έρευνα παρήγαγε μια λύση, προσφέροντας μια πιο προληπτική προσέγγιση σχεδιασμού στον λήψη αποφάσεων. Μια άλλη συνεισφορά ήταν ότι η έρευνα ενσωματώνει και προωθεί μεθόδους τακτικού σχεδιασμού (με διοικητικές προεκτάσεις) για πλοιοκτήτες, αντλώντας εμπειρία από εταιρίες παραγωγής ΥΦΑ που ναυλώνουν και διαχειρίζονται στόλο πλοίων, εφαρμόζοντας μεθόδους επιστημονικού σχεδιασμού χρησιμοποιώντας την έννοια του τακτικού σχεδιασμού. Για το σκοπό αυτό, η Διατριβή παρουσίασε μαθηματικά μοντέλα, η εννοιολογική αρχιτεκτονική και λειτουργία των οποίων εκτείνεται στον επιθυμητό χρονικό ορίζοντα, περιλαμβάνοντας τις απαιτούμενες παραμέτρους δεδομένων. Με βάση την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας από τον συγγραφέα, η προτεινόμενη προσέγγιση για τη βελτιστοποίηση στόλου πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ θεωρήθηκε νέα. Όχι μόνο, η Διατριβή εντόπισε ένα ερευνητικό κενό στη σχετική επιστημονική βιβλιογραφία για ενδιάμεσο τμήμα της εφοδιαστικής αλυσίδας ΥΦΑ, αλλά και το προτεινόμενο μοντέλο ασχολήθηκε με τη βελτιστοποίηση του πραγματικού προβλήματος, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο MILP προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η συνάρτηση κόστους για τον στόλο ΥΦΑ ως ένα σύνολο, επηρεάζοντας έτσι θετικά τον πλοιοκτήτη. Τέλος, εκτός από την πραγματική μαθηματική μοντελοποίηση, η διατριβή πρότεινε μια προληπτική διαδικασία υποστήριξης αποφάσεων για τη διαχείριση της ναυτιλίας για τον εντοπισμό οδών για τη μείωση του λειτουργικού κόστους και την εύρεση πρόσθετων πηγών κέρδους, χρησιμοποιώντας τεχνικές επιχειρησιακής έρευνας. Το προτεινόμενο μοντέλο θα μπορούσε να επηρεάσει σημαντικές εταιρικές αποφάσεις του πλοιοκτήτη, καθώς και άλλων ενδιαφερόμενων μερών σε όλη την εφοδιαστική αλυσίδα ΥΦΑ. Οι ναυλωτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το προτεινόμενο μοντέλο για να διερευνήσουν τον αντίκτυπο των επιχειρησιακών μέτρων, όπως το slow-steaming και να αξιολογήσουν εναλλακτικές επιλογές όταν αναζητούν πλοία μεταφοράς ΥΦΑ για για συγκεκριμένες χρονικές ναυλώσεις. Οι πλοιοκτήτες και ναυλωτές πλοίων μεταφοράς ΥΦΑ, ακόμη περισσότερο οι παραγωγοί και οι προμηθευτές ΥΦΑ, θα μπορούσαν να ωφεληθούν για να ευθυγραμμίσουν τον τακτικό σχεδιασμό των οργανισμών τους, να επιταχύνουν τη διαδικασία λήψης αποφάσεων και να είναι πιο ευέλικτοι. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό στις μέρες μας, καθώς ο τακτικός σχεδιασμός αποδεικνύεται ακόμη πιο σημαντικός από τον στρατηγικό σχεδιασμό λόγω γεγονότων που μπορούν να αλλάξουν τα μακροπρόθεσμα σχέδια. Το προτεινόμενο μοντέλο θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της αστάθειας και της ανθεκτικότητας της εφοδιαστικής αλυσίδας ΥΦΑ υποστηρίζοντας την ανακατανομή των περιουσιακών στοιχείων (πλοία, προμήθεια ΥΦΑ και απόθεμα), επειδή οι αποφάσεις των πλοιοκτητών επηρεάζουν εν μέρει τα διαθέσιμα πλοία μεταφοράς ΥΦΑ στην αγορά και θα μπορούσαν να επιτρέψουν ή να αποτελέσουν εμπόδιο για το απρόσκοπτο εμπόριο ΥΦΑ.