Ce travail de thèse a pour ambition d’apporter des solutions et des perspectives innovantes aux travaux de recherche actuels sur la méthanisation en voie solide, en s’appuyant sur les outils numériques. Les livrables de cette thèse s’organisent en « boîte à outils numériques » pour l’ingénieur, le chercheur et l’exploitant d’installation. Tout comme la boîte à outils de l’ouvrier, ils se structurent en plusieurs parties représentant les trois principales applications du numérique pour la méthanisation : l’optimisation, la caractérisation hydrodynamique et la modélisation. Le lien entre ces parties s’articule naturellement autour d’une approche systémique identifiant les échanges entre chacune de ces parties afin d’en former une solution complète dépassant leur somme.
Ce travail a été réalisé autour de deux substrats : le fumier bovin pailleux et la tonte d’herbe, mais a été réalisé dans un esprit de transposition à tout autre substrat. La première étape de ce travail a été la conception des réacteurs et compteurs de gaz permettant de réaliser chacune des parties ultérieures à moindre coût. Ce matériel a été conçu par ordinateur après avoir déterminé les caractéristiques nécessaires par le calcul. La seconde étape a été d’utiliser une approche différente des plans d’expériences afin d’accroître l’efficacité des optimisations réalisées à l’aide de cet outil.
Cette approche permet d’optimiser à la fois la composition de chaque substrat et la valeur de différents paramètres opératoires en un seul plan d’expériences combinant plans factoriels et plans de mélanges. L’outil du Bootstrapping a été également utilisé afin de minimiser les expériences réalisées en conservant la même significativité des résultats obtenus. Dans cette étude, la composition de deux substrats et deux paramètres opératoires ont été étudiés pour maximiser la production de méthane : la composition en fumier bovin et en tonte d’herbe, l’immersion du massif solide et la fréquence de recirculation de la phase liquide. La problématique de percolation est également un sujet d’étude : à quoi cela sert-il d’optimiser les paramètres opératoires si la phase liquide ne peut percoler au sein du massif solide ?
La troisième étape de ce travail réside dans l’étude de l’écoulement de la phase liquide au sein d’un massif en conditions de codigestion en fonction de sa composition et de sa stratification. Cette étape permet de fournir des paramètres caractéristiques de l’écoulement, de proposer une nouvelle approche de la stratification et de mettre en évidence l’effet de la codigestion sur l’évolution des microporosités et macroporosités. Enfin, l’impact de l’évolution des microporosités et macroporosités sur la biologie a été injecté dans un modèle à un seul substrat afin de fournir un outil de compréhension du phénomène et un premier pas vers la prédiction du phénomène. L’ensemble de cette démarche permet donc d’optimiser les paramètres opératoires, de s’assurer de l’aspect fonctionnel d’une expérience et de proposer un modèle de compréhension globalisant les connaissances. Ce n’est pas une solution définitive mais une solution à étayer, tout comme la boîte à outils se renouvelle en outils toujours plus performants.
