Optimisation du transport et de l’allocation d’un co-produit de la biométhanisation au sein d’une chaine d’approvisionnement collaborative en boucle fermée

Faure, Mathieu (2025). Optimisation du transport et de l’allocation d’un co-produit de la biométhanisation au sein d’une chaine d’approvisionnement collaborative en boucle fermée. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet de recherche explore la logistique des opérations de production et de transport dans une chaîne d'approvisionnement (CA) de biométhanisation collaborative et en boucle fermée. Les fournisseurs de matières premières approvisionnent une usine de biométhanisation en résidus organiques, qui peuvent se présenter sous deux formes : liquide ou solide. Les résidus sont transportés à l'usine par deux types de camions (citernes et vrac solide) de capacités différentes, où ils sont transformés par biométhanisation. Au cours du processus de biométhanisation, ces résidus sont décomposés, en l'absence d'oxygène, en gaz naturel renouvelable et en digestat, qui est un engrais organique de grande valeur utilisé dans les exploitations agricoles. La plupart des fournisseurs sont également des clients qui ont besoin de récupérer le digestat pour leurs propres exploitations. De plus, ils ont besoin d'obtenir le digestat sous la même forme que les résidus organiques qu'ils ont fournis (liquide ou solide). Or, à la sortie de l’usine de biométhanisation, le digestat est sous forme liquide et nécessite donc de passer par un séparateur pour être déshydraté. Cette opération supplémentaire est coûteuse et demande un dimensionnement avisé pour éviter une sur ou sous capacité.

Le premier objectif de ce projet est de dimensionner une flotte de camions adaptée aux besoins et à la capacité de l'usine de biométhanisation et de minimiser les coûts de transport. Ensuite, le deuxième objectif est de déterminer la quantité de digestat à allouer aux fournisseurs-clients pour minimiser les coûts totaux de la CA, à savoir les coûts de transport et de séparation, afin de réaliser un maximum d'économies collectives. Enfin le troisième objectif consiste à déterminer des stratégies de compromis pour assurer l’équité des allocations de digestat pour l’ensemble des fournisseurs-clients. Deux ensembles de données ont été utilisés dans ce projet : le premier est issu d’un cas d’étude réel et le second est un cas d’étude fictif, mais représentatif, conçu à partir du cas réel.

Après avoir défini et modélisé le problème à l'aide de la programmation mathématique, quatre scénarios reflétant différentes mises en place de pratiques logistiques (retours en charge et configuration hétérogène de la flotte de camions) ont été testés. Cette étape a permis d’identifier un scénario comme étant plus performant que les autres sur différents points. Par comparaison avec le scénario de référence, dépourvu de ces pratiques logistiques, en appliquant simultanément les retours en charge et la flotte hétérogène à notre cas d’étude réel les économies potentielles sont de 17%, la réduction du nombre total de kilomètres parcourus est de 42% et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) est de 34%. Pour le cas d’étude fictif, les économies potentielles sont de 29%, la réduction du nombre total de kilomètres parcourus est de 43% et la réduction des émissions de GES est de 35%.

Pour déterminer la quantité de digestat à allouer aux fournisseurs-clients, nous sommes repartis du scénario logistique le plus performant obtenu précédemment et nous avons établi huit stratégies d’allocation différentes du digestat. Initialement, la répartition était obtenue à partir du prorata du tonnage humide de résidus organiques fournis par chaque fournisseur-client. Cette répartition a été jugée équitable par l’ensemble des acteurs de la CA. Nous avons ensuite voulu la confronter à d’autres répartitions. Les stratégies établies ont été déterminées et calculées soit manuellement soit via un algorithme ayant pour objectif d’obtenir le coût total minimum. Nous avons pu observer des résultats encourageants sur les économies potentielles, la réduction du nombre total de kilomètres parcourus et les émissions de GES mais aucune stratégie ne s’est imposée par rapport aux autres que ce soit pour notre cas d’étude réel ou notre cas d’étude fictif.

Nous avons alors exploré deux pistes permettant d’obtenir des stratégies de compromis afin d’assurer de bonnes performances sur les indicateurs tout en conservant l’équité entre tous les fournisseurs-clients. Dans un premier temps, nous avons mis en place un mécanisme de compensation financière qui a pour but d’utiliser les économies réalisées par l’ensemble de la CA grâce aux stratégies d’allocation pour dédommager les fournisseurs-clients qui recevraient moins de digestat que prévu avec la répartition initiale. L’application de ce système au cas d’étude réel a révélé que sur les 8 stratégies d’allocation testées, une seule permettait de conserver des économies sur les coûts totaux de la CA. Toutefois, en appliquant ce système au cas d’étude fictif, trois stratégies permettent de conserver des économies sur les coûts totaux de la CA. Dans un second temps, nous avons mis en place une stratégie multicritère qui détermine mathématiquement les allocations permettant un équilibre entre une répartition juste fondée sur la répartition initiale et une répartition visant à minimiser l’ensemble des coûts de la CA. Dans le cadre du cas réel, cette stratégie n’a pas mené à des résultats performants. En revanche, dans le cadre du cas fictif, cette stratégie nous a permis de déterminer des allocations alliant les deux objectifs de manière plus équilibrée.

Titre traduit

Optimizing transportation and allocation of an anaerobic digestion co-product within a circular supply chain

Résumé traduit

This research explores the logistics anaerobic digestion production and transportation in the context of a collaborative and closed-loop supply chain (SC) in a region of Quebec (Canada). The raw materials suppliers provide an anaerobic digestion plant with organic residues, which can be in two forms: liquid or solid. The residues are transported to the plant by two types of truck (tanker and solid bulk) of different capacities, where they are transformed by anaerobic digestion. During the anaerobic digestion process, these residues are decomposed in the absence of oxygen into biogas and digestate, which is a high-value organic fertilizer used on farms. Most of the suppliers are also customers requiring to recover the digestate for their own farms. Moreover, they need to obtain the digestate in the same form as the organic residues they have provided (liquid or solid). However, when it exits the anaerobic digestion plant, the digestate is in liquid form and therefore requires passing through a separator to be dewatered. This additional operation is costly.

The first aim of this project is to size a fleet of trucks adapted to the needs and capacity of the plant under study and minimize transportation costs. The second objective is to determine the amount of digestate to be allocated to supplier-customers to minimize the total costs of SC, i.e., transportation and separation costs, in order to achieve maximum collective savings. Finally, the third objective is to determine compromise strategies to ensure fairness in digestate allocations for all supplier-customers. Two sets of data were used in this project: the first is from a real case study and the second is a fictitious case study based on the real case.

After defining and modeling the problem using mathematical programming, four scenarios reflecting different logistics practices (backhauling and heterogeneous truck fleet configuration) were tested. This step identified one scenario as being more efficient than the others in several respects. Compared to the baseline scenario, which did not include these logistics practices, applying both return loads and a heterogeneous fleet to our real-world case study resulted in potential savings of 17%, a 42% reduction in total kilometers traveled, and a 34% reduction in greenhouse gas (GHG) emissions. For the fictitious case study, the potential savings are 29%, the reduction in the total number of kilometers traveled is 43%, and the reduction in GHG emissions is 35%.

To determine the optimal amount of digestate to allocate to supplier-customers, we started with the most efficient logistics scenario obtained previously and established eight different digestate allocation strategies. The initial distribution is considered fair and is calculated based on the pro rata wet tonnage of organic residues supplied by each supplier-customer. We then wanted to compare it with other distributions. The strategies were determined and calculated either manually or using an algorithm designed to minimize total costs. We observed encouraging results in terms of potential savings, reduction in total kilometers traveled, and GHG emissions, but no single strategy stood out above the others, either for our real-world case study or our fictional case study.

We then explored two avenues for developing compromise strategies that would ensure good performance on the indicators while maintaining fairness between all suppliers and customers. First, we implemented a financial compensation system designed to use the savings achieved by the entire SC through allocation strategies to compensate supplier-customers who would receive less digestate than expected under the initial distribution. Applying this system to the real-world case study revealed that of the nine allocation strategies tested, only one allowed for savings on total SC costs. However, when applying this system to the fictitious case study, three strategies allowed for savings on total SC costs. In a second step, we implemented a dualobjective strategy that mathematically determines the allocations that strike a balance between a fair distribution based on the initial distribution and a distribution aimed at minimizing total SC costs. In the real-world case, this strategy did not produce effective results. However, in the fictitious case, this strategy enabled us to determine allocations that combined the two objectives in a more balanced way.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 91-94).
Mots-clés libres:	économie circulaire, optimisation, chaîne d’approvisionnement en boucle fermée, transport, configuration de flotte de camions, retour en charge, allocation de ressources, biométhanisation, digestat, résidus organiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Boukherroub, Tasseda
Codirecteur:	Codirecteur Audy, Jean-François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	22 déc. 2025 15:22
Dernière modification:	22 déc. 2025 15:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3754

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