Développement d'une approche intégrée pour l'évaluation des services rendus par la digestion anaérobie basée sur la modélisation dynamique et l'évaluation environnementale de la filière

Development of an integrated approach for anaerobic digestion performance assessment based on dynamic modelling and environmental analysis of the process chain

• Auteur / Autrice : Margaud Pereme
• Direction : Jean-Philippe Steyer, Julie Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 31/10/2023
• Etablissement(s) : Institut Agro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Partenaire(s) de recherche : École d’inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Wisniewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Steyer, Julie Jimenez, Christelle Wisniewski, Fabrice Béline, Ligia Tiruta-Barna, Laurent Thuriès, Roman Moscoviz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Béline, Ligia Tiruta-Barna
• DOI : 10.70675/98a326e2ze5a9z40ffza5eaz671a6436c00e

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Méthanisation

Analyse en cycle de vie

Optimisation

Filière

Modeling

Anaerobic digestion

Life cycle assessment

Optimisation

Process chain

Résumé

L'essor de la filière méthanisation est de plus en plus marqué en France. Ce procédé génère du biogaz, source d'énergie renouvelable, mais aussi un résidu solide et liquide appelé digestat pouvant être retourné au sol afin d'y réintroduire des éléments nutritifs et de la matière organique. Cette action s'avère avantageuse en réduisant la nécessité d'utiliser des engrais d'origine minérale et en préservant les réserves de carbone dans les sols. Cependant, le traitement et l'épandage de ces produits peuvent également induire l'émission de gaz à effet de serre et de contaminants. Au cours de cette thèse, nous avons tenté de comprendre comment les leviers d'actions sur la filière affectent les services rendus par ses produits et son impact environnemental dans une optique d'optimisation.L'approche choisie repose sur la modélisation complète de la filière méthanisation. Dans un premier temps, un modèle de dégradation de la matière organique du digestat dans le sol est développé afin d'établir des liens précis entre caractéristiques du digestat, modalités d'application au sol et services rendus au sein d'un système agricole. Les hypothèses de modélisation, basées sur la bioaccessibilité de la matière organique du digestat, sont inédites pour la modélisation du retour au sol de produits résiduaires organiques. La conduite d'expériences d'incubation de digestat au sol permet de calibrer et de valider ce nouveau modèle. Il s'intègre ensuite dans une représentation de la filière de méthanisation basée sur un couplage réaliste des modèles représentant ses différentes étapes. Des analyses de sensibilité, des simulations d'expérimentations à échelle laboratoire, ainsi qu'une simulation d'une filière à échelle réelle comportant différentes recettes d'entrées permettent d'évaluer ce modèle. Un couplage entre modélisation dynamique et analyse de cycle de vie de la filière est ensuite proposé afin de rendre compte de l'effet des leviers d'action sur le procédé sur ses impacts environnementaux.Ces développements méthodologiques permettent ainsi d'identifier finement l'impact de certaines variables de la filière comme la nature des substrats et la variation dynamique de leur ratio dans la recette d'alimentation. L'emploi de variables basées sur la bioaccessibilité de la matière organique sur l'ensemble de la chaine de procédé permet de comprendre les mécanismes engagés pour chacun des résultats observés.

The expansion of the anaerobic digestion sector is becoming increasingly pronounced in France. This process generates biogas, a renewable energy source, as well as a solid and liquid residue called digestate, which can be returned to the soil to reintroduce nutrients and organic matter. This action proves advantageous by reducing the need of mineral fossil-based fertilizers and preserving organic matter content in soils. However, the treatment and application of these products can also lead to the emission of greenhouse gases and contaminants. Throughout this thesis, we have endeavored to comprehend how the levers of influence on the processes impact the services provided by its products and its environmental footprint, with the aim of optimizing the entire process chain.The approach described in this manuscript is based on a comprehensive modeling of the anaerobic digestion process. First, a model depicting the degradation of organic matter from digestate in soil is developed to establish precise connections between digestate characteristics, soil application methods, and services provided within an agricultural system. The innovative modeling assumptions, based on the bioaccessibility of digestate organic matter, are used for the first time to describe the return of exogenous organic matter to the soil. Calibration and validation of this novel model is supported by digestate soil incubation experiments. The model is subsequently integrated into a representation of the anaerobic digestion process, incorporating its various stages through a realistic coupling methodology. Sensitivity analyses, lab-scale experiment simulations, as well as a full-scale process simulation involving various influent mixes enable the evaluation of this model. A coupling between dynamic modeling and life cycle analysis of the anaerobic digestion process is proposed to comprehensively account for the effect of process characteristics on its environmental impacts.These methodological advancements enable the fine identification of the impacts of certain variables such as the nature of substrates and the dynamic variation of their ratios in the influent mix. The use of variables based on the bioaccessibility of organic matter throughout the entire process chain aids to decipher the mechanisms underlying each observed outcome.