Date : 17/02/2010

Auteur : Laurent G.

Notes :

  • mise en page – 1er passage, Sylvie 08.2010 (liens, mise page, Antidote).

On peut commencer par des remarques générales sur les produits de combustion. Ensuite, les spécificités du bois-énergie sont introduites.

Émission de C02 et cycle du carbone

Le bois-énergie, par exemple les bûches ou les pellets, est une énergie renouvelable. Le CO2 qui est libéré durant la combustion correspond à la quantité de CO2 prélevée par le végétal à l’atmosphère durant sa vie. Ce processus de capture est opéré par la photosynthèse. Sur un cycle complet de vie, le bilan de la combustion du bois est donc nul : le CO2 est prélevé dans l’atmosphère pour ensuite lui être restitué par la combustion du bois mort. En effet, si l’Homme n’avait pas brûlé ce bois, il se serait décomposé naturellement et aurait de toute manière libéré la même quantité de CO2 dans l’atmosphère. L’impact en termes d’émission de gaz à effet de serre (GES) est donc théoriquement neutre dans la mesure où le cycle de vie du bois est relativement court. On comprend dès lors tout l’intérêt de promouvoir ce type d’énergie.

Illustration du cycle du Carbone : bilan équivalent entre le décomposition du végétal dans la nature et sa combustion.

Comme nous venons de l’évoquer, le bois-énergie a globalement un effet positif pour réduire notre émission de GES. Il faut veiller à valoriser ce potentiel et de ne pas le dégrader. En effet pour que l’impact positif sur l’environnement soit réel, il faut que :

  • La forêt soit gérée de manière durable ;
  • l’énergie fossile dépensée pour la gestion, le transport et le conditionnement du bois-énergie soit minimisée.

Sur base des chiffres de l’année 2010 et en considérant les filières d’approvisionnement standards pour les applications domestiques, on peut approximativement compter que pour 1 kWh de bois-énergie, il faut 0.2 kWh d’énergie fossile pour des pellets et 0.1 kWh d’énergie fossile pour des bûches. En conclusion, l’impact en termes d’émission de GES n’est pas totalement nul, mais reste de loin meilleur que pour les énergies fossiles traditionnelles.

Émission de gaz nocifs et de particules fines

Comme toute combustion, il reste l’émission d’H2O à l’état gazeux, de NOx et de SOX. Il faudra être tout aussi vigilant à respecter les normes d’émission pour le bois-énergie que pour le gaz, le charbon ou le mazout. De manière générale, une bonne combustion du bois génère peu de SOx, le bois contenant initialement peu de soufre comparé par exemple au fioul. En ce qui concerne la formation de NOx, elle comparable au fioul et au gaz lorsque le bois est brûlé de manière efficace.
Néanmoins, les caractéristiques mécaniques et thermo-chimiques du bois qui interviennent lors de la combustion sont particulières et plus délicates que les vecteurs énergétiques classiques (c’est-à-dire le gaz naturel ou mazout). Par conséquent, obtenir une combustion efficace est moins évident à atteindre. Quand la combustion est sous-optimale, une série de gaz nocif supplémentaire est émise lors de la combustion. Une mauvaise combustion peut être obtenue si la température de la combustion est trop basse, notamment dû à un taux d’humidité trop élevé du bois, si la quantité d’air de combustion est insuffisante ou si le temps de contact entre l’air et le combustible est trop court. Ces problèmes peuvent être évités en travaillant avec des chaudières ou poêles modernes, bien dimensionnés, et un combustible avec un taux d’humidité acceptable.
En termes d’émission nocive, on trouve les composés organiques volatiles (COV), en particulier, le benzène, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les dioxines et les furannes. En outre, les fumées peuvent contenir du goudron et du charbon. Le goudron peut venir se condenser sur les parties froides de l’installation et venir l’encrasser : l’échangeur thermique de la chaudière ou la cheminée. La combustion du bois est particulièrement émettrice de particules très fines, de diamètre aérodynamique inférieur à 1µm, très néfastes pour la santé, car susceptibles d’être inhalées. L’étanchéité de l’installation est donc primordiale.
Le but de cette section n’est pas de faire le point sur l’émission de la combustion du bois-énergie. Néanmoins, on peut dire que qualitativement, ces émissions nocives sont d’autant plus faibles que la combustion s’opère dans les meilleures conditions. Par conséquent, il est important de promouvoir les appareils de combustion les plus performants et un combustible de qualité (c’est-à-dire un taux d’humidité acceptable). Dans ces conditions, l’impact sur l’environnement et sur les occupants est maîtrisé.

Minéraux et production de cendres

Les minéraux contenus dans le bois sont à l’origine de la production de cendres lors de la combustion.
La température de fusion des cendres, c’est-à-dire à laquelle elles passent de l’état solide à l’état liquide, dépend de leur composition. Il faut que la température à laquelle s’opère la combustion reste inférieure à cette température de fusion des cendres. En effet, il faut éviter que celles-ci ne coulent et viennent se solidifier sur des équipements du foyer (phénomène de vitrification). Les appareils de combustion modernes sont conçus pour répondre à cette contrainte.
Lors de la combustion du bois, des cendres dites « volantes » sont présentes dans les fumées. Elles ne constituent pas un polluant dans la mesure où il s’agit des minéraux initialement stockés dans le bois qui retournent à la nature. Néanmoins, il faut veiller à ne pas les inhaler dans la mesure où leur diamètre leur permet de se fixer dans les poumons. L’étanchéité de l’installation est donc primordiale.
Retirer les cendres, le « décendrage », demande une certaine manutention. La fréquence de nettoyage dépend essentiellement de la consommation et du volume du cendrier. On peut citer des périodes de quelques semaines à quelques mois pour le chaudières domestiques.
À noter que dans certaines conditions, les cendres sont des polluants. C’est le cas lorsqu’on brûle du bois de démolition qui est couvert d’enduits ou des végétaux qui ont absorbé des minéraux d’un sol pollué. Ce sont des éléments exogènes au bois qui génèrent des produits dangereux pour l’homme et l’environnement. Les équipements, notamment les filtres, doivent être adaptés à ce type de bois.

On peut commencer par des remarques générales sur la quantité d’air nécessaire pour ensuite introduire les spécificités du bois-énergie.

L’excès d’air

L’alimentation en air pour la combustion du bois possède des propriétés similaires, mais aussi spécifiques. L’excès d’air a toujours pour vocation d’assurer un taux d’oxygène suffisant dans chaque zone du foyer. À défaut de la quantité requise, la combustion est incomplète et génère des imbrûlés ainsi que des gaz nocifs.
À l’opposé, un excès d’air trop important engendre une dilution des fumées, ce qui engendre un abaissement de la température et par conséquent des pertes à la cheminée plus importantes (vu que la récupération de chaleur par la chaudière sera moins efficace). En outre, une température trop basse peut aboutir à une mauvaise combustion. Il faut donc contrôler soigneusement l’excès d’air pour une bonne combustion : ni trop faible, ni trop important.
Typiquement, on trouve des excès d’air de 50 % pour les chaudières domestiques, soit une valeur plus élevée que pour la combustion du gaz naturel ou du fioul (approximativement 20%).

L’air primaire et secondaire

Dans le cas du bois, la combustion s’opère essentiellement en deux phases. C’est ce qui nous a amenés à développer une section spécifique pour ce vecteur énergétique. Nous ne développerons pas ici les différents processus thermo-chimiques qui ont lieu dans ces deux étapes. Cela risquerait d’alourdir inutilement le propos.
Ce qui est important de retenir, en termes d’alimentation en air de combustion, est que ces deux étapes nécessitent toutes deux une certaine quantité d’air. On parlera de l’air primaire et de l’air secondaire. Ces deux apports peuvent s’opérer dans des zones distinctes du foyer ou au travers d’un seul flux d’air (auquel cas, il jouera le rôle à la fois d’air primaire et secondaire). Les chaudières, voire les poêles (pour des applications domestiques), les plus performantes ont une amenée d’air spécifique pour l’air primaire et secondaire. Le foyer peut même être conçu pour que les deux phases de combustion s’opèrent dans des zones physiquement séparées.

Illustration du concept d’air primaire et secondaire pour la combustion du bois.

Avant d’introduire des spécificités du bois-énergie, on peut consulter les notions générales de pouvoir calorifique sur la page précédente. On y avait défini le pouvoir calorifique par unité de masse pour des combustibles purs. Cela s’applique particulièrement bien aux combustibles gazeux ou liquides comme le gaz naturel et le mazout. La conversion en PCI par unité de volume, c’est-à-dire par litre ou par m³, est assez aisée.
Le pouvoir calorifique du bois par unité de volume dépend, quant à lui, de certaines caractéristiques du bois. Cette valeur n’est donc pas constante. Il s’agit essentiellement de l’influence des éléments exogènes que le bois contient (de la quantité d’eau et de minéraux), ainsi que de sa masse volumique. Toujours dans le cas du bois, c’est bien le PCI exprimé par unité de volume qui nous intéresse. En effet, mis à part certains types de conditionnement comme les pellets, on achète le bois par unité de volume : par m³ ou par stère. Il est donc vital de connaître le contenu énergétique de ce que l’on achète et donc d’un volume de bois.
Pour obtenir cela, notre raisonnement part du PCI par kg de bois pur. On introduit ensuite la diminution du pouvoir calorifique induite par la teneur en eau et en minéraux. On passe ensuite au pouvoir calorifique par unité de volume par l’introduction de la masse volumique qui dépend de l’espèce de bois. Quand vous achetez un m³ de bois, il existe entre les différents constituants du tas (des bûches, des pellets ou des plaquettes) des vides. Bien évidemment, ces vides contiennent de l’air et n’ont aucun pouvoir énergétique. Il faut donc déduire le nombre de m³ de bois plein contenu dans un m³ de votre tas pour connaître le PCI réel.

Humidité du bois

Le bois contient deux formes d’humidité :

  • L’humidité intrinsèque : c’est l’eau qui est intégrée, liée à la structure moléculaire du bois. Cette quantité est déterminée par des laboratoires. Elle se traduit notamment pas des valeurs différentes pour la composition chimique générique du combustible, CHyOx.
  • L’humidité extrinsèque : c’est l’humidité qui dépend des conditions climatiques. Plus précisément, le bois peut contenir des molécules d’eau entre ces fibres sans pour autant l’intégrer à sa structure moléculaire. Il peut s’agir de la sève que contient un bois vert ou de l’humidité induite par les conditions climatiques (pluie ou humidité de l’air).

Cette dernière quantité nous intéresse dans la mesure où elle peut varier au cours du temps avec la diffusion de l’eau vers l’atmosphère, si celui-ci est plus sec que le bois. Cela explique pourquoi on met sécher le bois à l’abri avant son l’utilisation : cela permet de diminuer sa teneur en eau extrinsèque.
Il y a deux manières d’exprimer la quantité d’eau extrinsèque du bois. D’abord, on exprime l’humidité relative soit en kg d’eau par kg de bois sec (sous l’abréviation DM pour « dry matter »), soit en kg d’eau par kg de bois humide (sous l’abréviation FM pour « fresh matter ») :

Humidité relative matière sèche :  [H2O]DM = kgeau / kgbois,anhydre

Humidité relative matière humide :  [H2O]HM = kgeau / kgbois,humide

État du bois Humidité relative (FM)
Bois vert 50 %
Bois séché à l’air et à l’abri pendant 1 an 30 %
Bois séché à l’air et à l’abri pendant 2 ans 20 %
Bois anhydre 0 %

Teneur en cendres

Si le bois contient beaucoup de minéraux, ceux-ci vont être à la source de cendres. On peut exprimer leur teneur par rapport à la masse brute du bois, contenant à la fois de l’humidité extrinsèque et des minéraux :

Bois brut = bois avec une certaine quantité d’humidité exogène et de minéraux

[Ce]brut = kg minéraux par kg de bois brut = kgminéraux/kgbois,brut

[H2O]brut = kg eau par kg de bois brut = kgeau/kgbois,brut

Influence sur le PCI par unité de masse

  • Si on considère un bloc de bois anhydre (c.à.d. sans eau) sans impuretés (c’est-à-dire de minéraux), sa composition sera proche de la valeur évoquée dans la formule définie pour les combustibles purs, c’est-à-dire CH1.44O0.66, il présentera alors un PCI de 18 400 kJ/kg. Cette valeur ne dépend donc pas de l’essence du bois. La valeur est la même pour 1 kg d’épicéa sec et pur que pour 1 kg de chêne sec et pur.
  • Si on considère l’influence de l’humidité extrinsèque et de la présence de minéraux, il voit diminuer le PCI par kg de bois brut (c’est-à-dire contenant à la fois de l’humidité et des minéraux). D’un coté, on aura simplement moins de bois pur et sec par kg de bois brut (effet de dilution). Et d’un autre coté, l’eau extrinsèque utilisera une partie de l’énergie contenue dans le bois pur et sec pour se vaporiser (effet de vaporisation). Cela peut se chiffrer de manière simple en kJ par kg de bois brut (c.à.d humide avec minéraux) :

PCIbrut = (1 – [Ce]brut – [H2O]brut) 18 400 – 2 501 [H2O]brut   en [kJ/kgbrut]

De nouveau, le résultat est identique quelque soit l’essence de bois considéré. À titre d’exemple, si on prend un bois avec peu de minéraux, faisons l’hypothèse que [Ce]brut est nul. Avec 50 % d’humidité relative, ce qui est un bon ordre grandeur pour un bois vert, on trouve un PCIbrut de 7 950 kJ/kg de bois vert. On est de loin inférieur au 18 400 kJ/kg du bois anhydre (sans humidité extrinsèque).

Sur base de cette constatation, l’intérêt d’utiliser du bois sec est évident. Cela explique l’intérêt de mettre sécher du bois avant son utilisation. Lors d’un achat de bois, le teneur en eau est donc un paramètre important. Sur le marché, le bois séché est d’ailleurs plus cher qu’un bois plus humide.

Influence sur le PCI par unité de volume

Comme évoqué ci-dessus, on ne fait pas de distinction entre les essences de bois. En effet, les résultats sont aussi bien valables pour du chêne, du hêtre que pour du sapin. Pourtant, l’expérience de tous les jours nous apprend qu’il faut faire attention à l’essence du bois lorsque l’on « fait du feu » ou lorsque l’on achète du bois. Cela semble en contradiction par rapport à ce qu’il a été évoqué. Où est l’astuce ?

L’astuce tient au fait que vous n’êtes pas vraiment intéressé par le pouvoir calorifique de votre bois par unité de masse [kJ/kg] mais bien par unité de volume [kJ/m³].

En effet, votre poêle ou chaudière fait un certain volume. Vous pouvez dès lors placer un certain volume de bois dans cet espace. En ce qui concerne la masse que vous y placez, vous n’avez pratiquement aucun contrôle. C’est avant tout le volume de bois qui est déterminant. En outre, vous n’achetez souvent pas du bois par kg ou tonne mais bien en fonction du volume. Nous aurons l’occasion de revenir sur ce dernier point à la section suivante parce qu’il appelle à un complément d’information.

En fait, la masse volumique du bois, c’est-à-dire le nombre de kg par m³, varie fortement entre les différentes essences. Du coup, dans un même volume de bois, vous n’avez pas le même potentiel énergétique pour toutes les essences. Voilà l’astuce ! Le PCI par m³ varie en fonction des essences et pas le PCI par kg.

Masse volumique de différentes essences (source Valbiom)

Masse volumique [kg/m³] Bois vert (frais, HR : 40-60 %) Bois sec à l’air (18 mois, HR : 25-30 %) Bois anhydre (0 % d’eau)
Chêne 1 000 750 625
Hêtre 980 750 625
Epicéa 760 450 400
Douglas 550 460
Sapin pectiné 970 550 46

Influence sur le PCI du volume apparent

Pour conclure l’analyse, il y a encore une nuance à apporter et non la moindre. Quand vous achetez du bois, vous n’achetez pas des blocs homogènes de matière.
En gros, vous achetez des tas ou des agglomérats : des tas de pellets, de plaquettes ou de bûches. Entre les différents éléments constituants du votre tas (des pellets, des plaquettes ou des bûches) vous avez des vides. Et donc quand vous achetez 1 m³ de votre tas, vous n’avez pas 1 m³ de bois plein ! Cette distinction nous permet d’introduire la notion de volume apparent.

Evolution du volume apparent pour une même quantité de  bois en fonction de la taille de la découpe (qui influence la quantité de « vides » entre les bûches).

Le volume apparent, c’est le volume de votre tas qui contient un certain volume de bois plein et un certain volume des vides entre ces différents éléments. Pour un empilement donné, le coefficient d’empilage (CE) est le rapport entre le volume de bois plein et le volume du tas :

Coefficient d’empilage (CE) = m³bois plein/m³apparent,

PCI par m³apparent = CE x masse volumique x PCIbrut,

On peut donc en conclure que le PCI par m³ apparent est influencé par l’essence du bois au travers de la masse volumique et par l’empilement. Le PCI par kg dépend quant à lui du taux d’humidité et de cendres.
Suivant le conditionnement (plaquettes, bûches ou pellets), on trouve des terminologies différentes concernant la notion de volume apparent (par exemple, « stère » pour les bûches ou « map » pour les plaquettes). Ces différences sont introduites dans les pages spécifiques à chaque conditionnement. Néanmoins, derrière ces différents vocables se cache toujours la même idée.