A refinery faces uncertainties when planning purchase of raw materials and production. A stochastic programming model is developed with a detailed process for taking responsive action to the fluctuating market condition. It is optimized based on various scenarios of prices and product demands. The proposed model contributes to decreasing profit volatility and escalating the operational flexibility of a refinery. However, the results indicate that financial risk management is needed to complement the stochastic model. Futures contracts helps a refinery minimize the financial risk involved in the purchase of raw materials due to varying prices. Consequently, risk management model with futures contracts is developed. The selection of a risk measure is important factor for successful risk management. An average, a variance, risk-return ratio, and downside risk are selected as the objective function in this thesis. The risk measures are also used for analysis and visualization of the financial risk. As a result, financial risk is substantially reduced with spot and futures contracts. The proposed model is expected to benefit refineries by enabling them to determine the optimal sizes of contracts depending on market conditions.
정유 산업은 원유와 같은 원재료를 구매하여 가공한 후, 휘발유 등의 제품을 생산하여 판매함으로써 이익을 창출한다. 따라서, 정유사의 이익은 원재료 및 제품의 가격과 밀접한 관련이 있다. 시장 상황에 따라 가격이 변동하면 이익도 함께 변동하기 때문에 재무 위험이 발생하게 된다. 이와 같이 정유사는 미래에 대한 불확실성 아래 원재료 구매 및 제품 생산 계획을 수립하게 된다. 본 연구에서는 변동하는 시장 환경에 대응할 수 있는 확률 계획 모델을 구체적인 정유 공정을 대상으로 개발하였다. 그리고 제품을 미리 구매하거나 판매함으로써 미래의 가격 변동 위험을 헷지할 수 있게 해주는 선물 계약을 이용하여 재무 위험을 줄이고자 하였다. 가격 및 수요가 Geometric Brownian Motion에 따라 변동한다는 가정 아래 다양한 시나리오를 생성함으로써 불확실성을 반영하였다. 그리고 선물 가격은 보유 비용 모형의 가정 하에 시나리오를 생성, 적용하였다.
2장에서는 에탄올과 같은 환경 친화적인 연료를 생산하는 biorefinery를 대상으로 공정을 통합하고 구매 및 운영 계획 모델을 개발하였다. 원재료 구매를 다변화하고 선물 계약으로 위험 관리를 함으로써 높았던 이익 변동성이 크게 낮아졌다. 3장에서는 휘발유와 경유를 생산하기 위해 Dubai, WTI, Brent유를 구매하는 가상의 정유사를 대상으로 two-stage stochastic model을 개발하였다. 그리고 기대 이익 및 위험-수익 비율 극대화 및 변동성 최소화를 목적으로 최적화를 수행하였다. 그 결과, 변동성이 크게 줄어들지 않았고 심지어 실행 불가능한 결과가 얻어졌다. 따라서 선물 계약을 이용한 재무 위험 관리 모형을 함께 적용하였다. 그 결과 재무 위험이 크게 줄어드는 효과가 있음을 알 수 있었다. 4장에서는 3장의 연구에 대한 확장으로, 6종류의 다양한 현물 원유를 구매하는 정유사가 WTI 원유 선물 계약으로 교차 헤징하는 것으로 문제를 구성하였다. 이는 실제 정유사가 사용하고 있는 방법과 가장 유사하게 접근한 것이다. 그리고 새롭게 downside risk 지표를 적용하여 위험 관리를 수행하였다. 그리고 이 지표를 이용함으로써 정유사가 목표 이익을 설정하여 위험 선호도를 반영할 수 있음이 입증되었다.
이와 같이 제안된 모델을 적용한 결과 이익의 변동성은 작아지고 운영의 탄력성은 증대되었다. 하지만 확률 계획 모형만으로는 재무 위험을 크게 줄일 수 없는 한계도 또한 나타났다. 때문에 확률 모형의 한계를 극복하기 위하여 선물 계약을 이용한 위험 관리 모형을 함께 적용되어야 함을 알 수 있었다. 그 결과, 재무 위험이 현물 및 선물 계약을 통해 상당히 감소하였다. 한편, 위험 관리의 성패는 어떠한 위험 지표를 사용하였는지에 달려 있을 정도로 지표의 선택이 매우 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 평균, 분산, 위험-수익 비율, 그리고 downside risk와 같은 다양한 지표를 이용하여 위험 관리를 수행하고 그 효과를 비교, 분석하였다.
본 연구에서 제안된 모델을 통해 정유사들이 시장 상황에 따라서 재무 위험을 최소화할 수 있는 최적의 구매 및 생산 계획을 수립할 수 있게 될 것으로 기대된다.
