Chaudières bois-énergie

Les chaudières à bûches ont le désavantage de ne pas être entièrement automatisées si bien que leur emploi dans le secteur tertiaire soulève certains problèmes. Le facilitateur bois-énergie pour le secteur public, Francis Flahaux de la FRW, mentionne qu’il n’existe pas de projet à bûche en Wallonie. En fait, cette approche est bien adaptée pour le chauffage des maisons individuelles ou collectives et pour des bâtiments agricoles.

Exemples de chaudière à bûches.

Les éléments constitutifs de la chaudière à bûches sont la zone de remplissage, la zone de combustion ainsi que l’échangeur thermique. Cette distinction entre zones s’explique par leurs fonctions différentes. Les bûches sont placées manuellement dans la zone de remplissage. C’est dans cette zone qu’elles seront attaquées par l’air primaire.  Les gaz riches générés par cette première phase, essentiellement du monoxyde carbone CO et de l’hydrogène H₂, sont ensuite acheminés vers la zone de combustion où l’oxydation complète est réalisée par l’air secondaire. Différentes configurations existent suivant la direction et l’agencement des flux d’air. On peut trouver une combustion montante, latérale ou inversée. Les gaz de combustion issus de la seconde étape, essentiellement de la vapeur d’eau et du CO₂, sont à haute température. Ils sont admis dans l’échangeur thermique pour réchauffer l’eau de la chaudière. Ce tirage se fait par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières à pellets sont bien adaptées pour les applications domestiques, tertiaires et industrielles. D’une part, le système d’approvisionnement peut-être entièrement automatisé, ce qui est toujours le cas dans le secteur tertiaire. Cela donne un confort d’utilisation comparable aux chaudières mazout ou gaz. D’autre part, le bois se trouve sous forme compactée si bien qu’il demande le volume de stockage le plus faible parmi les différents conditionnements du bois.

Exemples de chaudière à pellets. Pour la dernière figure, illustration par une coupe dans une chaudière à pellets. On distingue clairement la couche d’isolation pour limiter les pertes vers la chaufferie, le foyer ainsi que la vis d’alimentation situés en bas et surplombés par l’échangeur.  En bas à gauche, une porte permet d’accéder au cendrier.

Comme pour les bûches, la combustion se fait en deux étapes séparées, ce qui influence la structure de la chaudière. Au départ, les pellets sont acheminés vers le foyer. Cela se fait généralement par un système de vis sans fin, mais on trouve aussi des systèmes où les pellets tombent dans le foyer. C’est au niveau du foyer que se passe la phase primaire de combustion.

Illustration d’une typologie de foyer à pellets où les pellets sont amenés via une vis sans fin par le dessous et l’air primaire est injecté latéralement par une série de trous percés dans un anneau.

Illustration de deux autres typologies différentes de foyer à pellets : la première figure correspond à une alimentation via une vis sans fin tandis que la dernière image montre des pellets qui tombent dans le foyer.

De nouveau, cette phase dégage des gaz riches, essentiellement du CO et de l’hydrogène H₂, qui se déplacent vers la zone dite de “post-combustion” où ces gaz subissent leur oxydation complète par l’air secondaire. La séparation en deux étapes permet de les contrôler indépendamment, permettant ainsi d’optimiser le processus de combustion (c’est-à-dire, obtenir les meilleurs rendements et minimiser l’émission de gaz nocifs).

Les gaz de combustion à haute température traversent l’échangeur thermique pour céder leur chaleur à l’eau de la chaudière. Ce déplacement est généré par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

Vue du haut d’un échangeur vertical avec un système de ressorts pour racler les dépôts. Au centre, on trouve la zone de post-combustion où une série d’injecteurs placés en anneau fournissent l’air secondaire de combustion.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs pour les chaudières basse température oscillent typiquement entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 20 à 30 % de la puissance nominale. Nous n’avons pas de rendement nominal à notre disposition pour les chaudières pellets à condensation.

Les chaudières à plaquettes sont elles aussi bien adaptées pour le secteur tertiaire et industriel. En effet, l’entièreté du processus d’approvisionnement est toujours automatisé de même que le nettoyage des tubes de l’échangeur et le décendrage. Néanmoins, il ne faut pas perdre de vue que le volume de stockage pour les plaquettes est plus important que pour les pellets.

Exemple de chaudière à plaquettes.

La chaudière à plaquettes est organisée de manière identique à la chaudière à pellets. On retrouve le foyer et son alimentation en combustible et en air primaire, la chambre de “post-combustion” pour l’oxydation avec l’air secondaire ainsi que l’échangeur thermique.

Les chaudières à plaquettes sont souvent capables de brûler aussi bien des plaquettes que des pellets, et ceci, dans de bonnes conditions. Néanmoins, l’inverse n’est pas vrai : les chaudières à pellets ne peuvent gérer efficacement les plaquettes.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent typiquement entre 88 et 92 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières industrielles sont caractérisées par des puissances importantes et une plus grande souplesse sur la nature et la qualité du combustible exigé. Elles sont souvent proposées pour des puissances supérieures à ~150 kW.  Ces chaudières peuvent brûler indifféremment des plaquettes et des pellets industriels (qui obéissent à des normes moins strictes que les pellets pour application domestique).

 Exemples de chaudière industrielle avec une grille de combustion :  tournante (image de gauche) et rectiligne (image de droite).

Dans cette catégorie de chaudières pour le tertiaire, on trouve essentiellement la combustion sur grille qui permet de brûler du bois présentant des granulométries différentes. De nouveau, on trouve une zone de combustion pour l’oxydation avec l’air secondaire et l’échangeur de chaleur.

Direction de la flamme par rapport à l’alimentation de la grille en fonction de la géométrie de la chaudière et de l’arrivée d’air primaire : combustion à contre-courant (figure de gauche), à co-courant (figure centrale) et latérale (figure de droite).

Exemple de chaudière industrielle de 1MW de l’hôpital de Dave brûlant des plaquettes. La première vue représente une vue globale de l’installation. La deuxième photographie montre l’ouverture sur le foyer (les flammes sont maintenues à l’intérieur,  car le foyer est mis en dépression par le ventilateur d’extraction).  La troisième photographie montre la combustion sur la grille.

Échangeur de chaleur

L’échangeur de chaleur est un élément constitutif récurrent des différents types de chaudière. Son objectif est de transférer la plus grande partie de l’énergie des gaz de combustion à haute température vers l’eau de la chaudière. Cette eau réchauffée sera ensuite acheminée vers le circuit de chauffage.

Généralement, les chaudières ne refroidissent pas les gaz de combustion jusqu’à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. Le soufre contenu dans l’eau condensée provoquerait la corrosion de l’échangeur. Néanmoins, certains fabricants présentent des chaudières à condensation. Dans ce cas, l’échangeur thermique est adapté pour supporter cette étape supplémentaire, par exemple en travaillant avec de l’acier inoxydable. Si la condensation n’est pas prévue, le circuit hydraulique devra être conçu pour maintenir la température de retour à un niveau suffisant pour éviter cette condensation.

En outre, l’échangeur doit être conçu pour éviter son encrassement. En effet, des cendres volantes ainsi que des suies sont présentes dans les fumées. Généralement, elles viennent s’agglomérer ou se condenser sur les points froids de la chaudière et donc particulièrement dans l’échangeur thermique (puisque sa fonction est de diminuer la température des fumées).

Différentes solutions sont présentées par les constructeurs. On pense notamment à la disposition des canaux de l’échangeur de manière verticale pour permettre l’écoulement naturel des crasses. Certains constructeurs ont équipé les canaux des échangeurs d’éléments métalliques, typiquement des ressorts spéciaux, qui viennent racler la surface de l’échangeur et ainsi assurer son nettoyage (voir figure du zoom sur l’échangeur dans la section sur les chaudières à pellets). Suivant les modèles cette procédure peut être réalisée automatiquement, par exemple sur une base quotidienne ou, mieux encore, sur base d’un nombre d’heures de fonctionnement. De manière moins souple et peu adaptée pour le tertiaire, la procédure peut être réalisée manuellement via une manette qui actionne le jeu de ressorts.

Zoom sur la face avant de la chaudière de l’hôpital de Dave : on voit ici une série d’actionneurs pneumatiques qui permettent de racler les canaux horizontaux de l’échangeur de chaleur.

Cendrier

Les cendres sont un produit naturel de la combustion. Qu’elles proviennent du foyer ou du nettoyage de l’échangeur thermique voire des filtres à fumées, une bonne conception de chaudière les fera aboutir dans un cendrier sous l’effet combiné de la gravité et de dispositifs mécaniques (comme une vis sans fin).

Suivant la teneur en minéraux du bois-énergie qui est à l’origine de la formation des cendres et de la consommation, le volume de cendres généré est plus ou moins important. Souvent, le volume du cendrier est fixé par le constructeur si bien que la fréquence de vidage du cendrier dépend des applications. Pour fixer les idées, on parle de décendrages espacés de deux semaines jusqu’à un seul décendrage par saison de chauffe. Les variations sont donc assez conséquentes, mais restent suffisamment espacées pour garantir le confort d’utilisation. Pour fixer les idées, le taux de cendres est d’approximativement 0.5% du poids avec des granulés jusqu’à 2 voire 3% pour des bois plus minéralisés (par exemple, contenant beaucoup d’écorces).

Pour garantir le caractère renouvelable de la combustion du bois, les cendres doivent être idéalement restituées à la nature. Il s’agit en effet de minéraux qui ont été prélevés au sol durant la croissance de l’arbre. Il est donc logique de restituer ces éléments pour avoir un bilan écologique le plus neutre possible. Néanmoins, à l’heure actuelle, la législation en région wallonne n’autorise pas les épandages en forêt et, pour l’agriculture, les cendres doivent être analysées et agrées par l’AFSCA pour pouvoir intégrer un amendement agricole.

Si le bois est sain, l’épandage ne pose pas de gros problèmes techniques. Par contre, si le bois est pollué, les cendres peuvent contenir des produits toxiques, par exemple du Plomb ou de l’Arsenic. Il n’est dès lors pas question de répandre ces cendres polluées directement dans la nature.

Ballon tampon et cycle de production

Dans les cas des chaudières au bois, on intercale parfois un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage.

Les chaudières au bois présentent des cycles de fonctionnement relativement longs, c’est-à-dire l’espace de temps entre la première injection de combustible et l’arrêt de fonctionnement de la chaudière. Pour les applications domestiques, on parle d’une demi-heure pour les chaudières à pellets et d’une heure pour les chaudières à bûches. Si on veut travailler sur des cycles de production plus courts, la qualité de la combustion sera dégradée significativement. Cette caractéristique est liée à la physique de la combustion du bois. En conclusion, on peut synthétiser que la chaudière doit fonctionner pendant une durée minimale pour travailler de manière efficace.

Les chaudières possèdent une modulation de puissance, c’est-à-dire que la puissance instantanée peut être inférieure à la puissance nominale de chaudière. Certains modèles de chaudière bois-énergie peuvent avoir une plage de modulation d’au maximum 25 à 100 %. Par exemple, une chaudière de 25 kW pourrait avoir une puissance instantanée minimale proche de 6 kW. Cette modulation permet de s’adapter aux besoins thermiques instantanés du bâtiment. Au mieux, on a une production de chaleur qui est égale à la chaleur consommée par le bâtiment. Dans ce cas, la chaudière fonctionne sur base de cycles de production longs. Tout se passe alors pour le mieux : on obtient un fonctionnement continu synonyme de meilleur rendement ainsi qu’un minimum de gaz nocifs produits.

La réalité est malheureusement un peu plus complexe. Suivant les saisons, l’ensoleillement voire l’occupation du bâtiment, les besoins de chaleur de celui-ci seront fort variables. Les puissances demandées pour chauffer le bâtiment peuvent varier à la fois en amplitude, mais aussi dans le temps. À certaines périodes, le besoin d’énergie du bâtiment peut être trop faible pour absorber toute l’énergie produite par un cycle de combustion de la chaudière au bois, même si la durée du cycle est limitée au minimum. En outre, on ne veut engendrer aucune surconsommation : on ne veut pas rejeter la puissance excédentaire ou surchauffer le bâtiment. Ces aspects sont traités dans la partie relative au dimensionnement des chaudières au bois.

Si on ne peut absorber raisonnablement la quantité minimale d’énergie produite par une chaudière, une solution est d’intercaler un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage. Le volume du ballon est dimensionné pour absorber une bonne partie de l’énergie d’un cycle minimal de combustion, si bien que la chaudière est assurée de fonctionner dans des conditions optimales. L’énergie qui n’est pas consommée instantanément par le bâtiment est stockée dans le ballon. Ensuite, une fois la chaudière éteinte, le circuit de chauffage vient s’alimenter dans cette réserve de chaleur au rythme des demandes du bâtiment. Le ballon tampon permet de “temporiser”. Ce ballon permet de faire un découplage entre le rythme de la chaudière et le rythme des demandes du bâtiment. D’un côté, la chaudière peut fonctionner sur base de cycles suffisamment longs, indépendamment de la demande du bâtiment. D’un autre côté, le bâtiment peut toujours être chauffé à la bonne puissance et au bon moment. On a une combustion efficace et aucune surconsommation. Au pire, on a les pertes du ballon tampon.

Installation avec chaudière industrielle de 230 kW de l’école IND à Saint-Hubert. On trouve à gauche la chaudière (en jaune) et le ballon tampon associé (en gris). On voit aussi les conteneurs de cendres (“poubelles” métalliques en gris à gauche de l’image).