De manière générale, la combustion du bois prédispose à une centralisation de la production, au vu de :
L’importance des coûts d’investissement : une installation centralisée permet de distribuer les coûts sur l’ensemble des preneurs plus avantageusement que dans le cas de nombreuses installations individuelles.
Différentes sources d’énergie (complémentarité avec le mazout) peuvent être envisagées pour limiter les coûts.
L’impact environnemental potentiel de la combustion du bois (émissions de poussières, qui peuvent être facilement évitées via des systèmes de filtration).
La possibilité de maintenir une qualité de combustible constante grâce à un suivi régulier des livraisons, avec un achat au meilleur coût.
La nécessité d’une vraie exploitation :
- maintenance et optimisation de la chaudière - gestion des différentes sources d’énergie - élimination des cendres
Les conditions cadres pour l’installation d’un chauffage à distance au bois sont :
La proximité d’une ressource bois.
L’existence de besoins de chaleur importants (denses) et réguliers.
Un espace suffisant pour les installations techniques et le silo de stockage, et un accès facile pour les camions de livraison.
Les cibles privilégiées sont les industries demandeuses de chaleur et les villes de taille moyenne en zone rurale ou en périphérie des grandes villes (rarement le centre des grandes villes pour des problèmes d’encombrement, de trafic et de qualité de l’air (souvent saturé par le trafic automobile)).
I.B.2
La problématique princip le coût du kWh produit.
pellera qu’en dimensionnant la chaudière bois à 50% de la puissance maximale du réseau, celle-ci permet de couvrir 80% des besoins.
Les performances énergétiques et environnementales des chaudières : en général connues à la puissance nominale de la chaudière mais mal caractérisées à charge partielle.
La densité du réseau : influe directement sur le coût de l’énergie distribuée. Le poids des investissements peut être important si la densité de preneurs sur le réseau est faible.
Problématique du chauffage à distance au bois
ale du CAD au bois en Suisse à l’heure actuelle est de contenir Les principaux points durs sont :
Le dimensionnement des chaudières : primordial pour optimiser les investissements et les régimes de fonctionnement. On privilégie un fonctionnement en base car le fonctionnement à charge partielle entraîne potentiellement une baisse du rendement, de la qualité des émissions et de la durabilité de la chaudière.
On rap
I.B.3 Objectifs du projet Audit’bois
a été mené sur l’installation de chauffage à distance au bois de Cartigny (CABC), s deux chaudières bois La
pré-luence du fonctionnement des chaudières bois à charge partielle sur le rendement et les émissions
entée sur une année complète et des campagnes de mesures spécifiques t des émissions sur toute la gamme de puissance.
ncé par : - Serbeco / Energie durable
(Scane)
nts acteurs, dont la liste est présentée dans le Tableau 5. Le groupe s’est réuni deux fois par an pendant la durée du projet.
Un retour d’expérience complet
mise en service en 2008. Il s’agit d’un CAD villageois créé à l’occasion de l’installation de
de 2 MW et 650 kW. Le réseau mesure 6 km pour environ 120 raccordements (essentiellement des villas).
étude prévoyait de vendre 5 GWh/an à un prix de 14 ct/kWh.
Le projet Audit’bois avait pour objectif de tirer des enseignements et des bonnes pratiques de l’installation de Cartigny, notamment sur :
- l’inf
- le dimensionnement de l’installation par rapport aux besoins réels - la densité réseau
- le coût de production du kWh L’installation a été complètement instrum ont été menées pour la mesure du rendement e
Le projet, d’un montant total de 150'000 CHF, a été fina
- Domaine Nature et Paysage de l’Etat de Genève (DNP) - Service de l’énergie de l’Etat de Genève
- Energie Bois Suisse
- Fondation Schmidheiny (participation à l’achat des analyseurs de fumées) - Université de Genève (autofinancement)
I.B.4 Groupe d’accompagnement
Un groupe d’accompagnement du suivi énergétique de la chaufferie a été constitué avec les acteurs principaux du projet, afin de faciliter les échanges d’informations entre les différe
Tableau 5 : Participants au groupe d’accompagnement du suivi énergétique
Institut NOM Fonction
onsable suivi Cartigny
Scane (F) BECK Rémy Représentant
Mairie Cartigny ZACH Carine Maire de Cartigny
CABC JAUNIN François Président Conseil Administration Energie durable (F) GIROD Bertrand Resp
DNP (F) FOUVY Patrik Représentant
Energie Bois
Suisse (F) BROMM Alain Représentant
ALLAZ Jean Concepteur
Représentant chaudiériste
HEIG-VD Représentants
Unige HAROUTUNIAN Anthony Responsable du suivi énergétique onomique
Unige PAMPALONI Eric Support technique du monitoring
SPair CLERC Rania
RAIL Luis Représentants
Putallaz Ingénieurs
Conseils PUT
Müller KÖCHLI David
WEBER Nicolas FAUCHERRE Nick
Unige (F) LACHAL Bernard Responsable administratif Unige MERMOUD Floriane Responsable du projet
Unige FAESSLER Jérôme Partie éc
(F) Financement du projet
I.C Chauffage à bois de Cartigny
I.C.1 Historique du projet
Le projet de réseau de chauffage à distance au bois est né en 2005 de l’initiative de l’ancien maire de la commune, M. François Jaunin. Le projet de départ consistait en une chaufferie commune pour les bâtiments communaux (mairie, écoles et autres immeubles communaux), dont les installations de production de chaleur vieillissantes étaient à renouveler. Conscient des enjeux énergétiques actuels, le maire souhaitait faire le choix d’une énergie renouvelable pour chauffer les infrastructures communales.
L’idée d’étendre le réseau au reste de la commune est venue par la suite, et de nombreux habitants se sont rapidement montrés intéressés. A l’époque le prix du mazout était de 70 ct/L (soit 10-12 ct/kWh utile) tandis que le prix de vente de la chaleur prévu était de 14 ct/kWh. Aujourd’hui, 95% des habitants du village sont connectés au chauffage à distance au bois de Cartigny (CABC), ce qui représente 126 sous stations dont 6 gros preneurs (mairie, entreprise Pelz et immeubles) et 120 villas.
Dans un souci d’égalité, le choix a été fait de donner la possibilité à tous les habitants de Cartigny qui le souhaitaient de se raccorder au réseau, y compris ceux qui sont isolés et éloignés du centre du village. Le financement du raccordement et des tronçons du réseau pour desservir les habitants intéressés a été financé par CABC.
La chaufferie bois a été mise en service durant l’hiver 2007-2008. Le village de Cartigny a été promu « cité de l’énergie » en 2007, suite aux efforts réalisés sur le ramassage des ordures (containers enterrés) et en faveur des énergies renouvelables avec le projet de chaufferie au bois. Le label a été renouvelé en 2011.
I.C.2 Situation
La commune de Cartigny, située dans la campagne genevoise, s'étend entre la route de Chancy et le Rhône (cf.
Figure 20). Sa superficie est de 442 hectares et elle compte 830 habitants, dont une centaine établie dans les hameaux de la Petite-Grave et d'Eau-Morte.
Figure 20 : Emplacement du village de Cartigny dans le canton de Genève, et emplacement de la chaufferie dans le village La situation isolée de Cartigny au cœur d’une zone non constructible 4b protégée (dans laquelle il existe d’importantes restrictions concernant les constructions neuves) réduit les possibilités futures d’extension du
réseau. Un projet d’extension vers La Petite Grave est en cours. Le hameau de La Petite Grave est situé à environ itants.
vaudois, objectif à terme : 100% bois genevois). L’énergie est vendue à CABC au kWh sortie chaudière, ce qui est facilité par le fait que c’est la même société Energie durable
n Centime Climatique contribue pour 800'000 CHF répartis sur 5 ans (reconductible).
i. Description générale
sée d’une chaufferie centralisée située rue du Trabli en face de l’école primaire.
nception. La toiture du bâtiment a été couverte en partie par des panneaux photovoltaïques dont la production est injectée dans le réseau électrique (cf. Figure 21).
1.5 km de la chaufferie et compte une centaine d’hab
I.C.3 Acteurs
La mairie a été à l’initiative du projet et a chargé le bureau Putallaz Ingénieurs Conseils de la conception des installations. Le chaudiériste retenu est le constructeur suisse Müller.
Une société anonyme CABC SA distincte de la commune a été créée pour le financement et la gestion du réseau de CAD de Cartigny. Elle est propriétaire de la chaufferie et du réseau.
CABC délègue l’exploitation (maintenance+approvisionnement en bois) et la gestion de la facturation à la société Energie durable SA, émanation de Serbeco. La maintenance des installations est assurée par la société Services plus Energies. L’approvisionnement en bois (2’000 tonnes par an) est assuré par Serbeco. Les plaquettes forestières sont en majorité en provenance du canton de Genève (initialement 1/3 issu des forêts communales, 1/3 des forêts cantonales, 1/3 des forêts au pied du Jura
qui est chargé de l’approvisionnement et de la maintenance des installations.
Le Service de l’énergie du canton de Genève a subventionné le projet à hauteur de 150’000 CHF, tandis que la Fondatio
I.C.4 Installations I.C.4.a Chaufferie
L’installation de Cartigny est compo
Le bâtiment a été spécialement construit pour abriter les chaudières ainsi que la caserne des pompiers de la commune. Il a été équipé d’une isolation acoustique importante, la chaufferie étant située au centre du village. Le silo enterré (500 m3) a été prévu dès la co
Figure 21 : Vue de la chaufferie de Cartigny
La chaufferie était initialement composée de deux chaudières bois de 2 MW et 650 kW, ainsi que d’un point de raccordement pour une chaudière mobile au mazout en cas de panne des chaudières bois. Suite aux nombreux dysfonctionnements observés durant les premières années de fonctionnement, CABC a fait l’acquisition d’une 2010. Une réserve de place pour la connexion d’une chaudière bois
seau via un point de départ unique. Deux circuits de distribution distincts existent, pour la période hivernale (100 m3/h) et pour la période estivale (28 m3/h).
ntinue par un poussoir hydraulique.
Figure 22 : Chaudières bois de Cartigny ; à gauche : grande chaudière, à droite : petite chaudière chaudière mazout fixe de 2 MW fin
supplémentaire a été prévue dans le cas d’une éventuelle extension du réseau. Le schéma de principe de la chaufferie est présenté en Annexe 1.
Les chaudières peuvent fonctionner en cascade selon la demande de chaleur et sont reliées à un collecteur qui leur permet de fonctionner indépendamment. Le collecteur alimente le ré
ii. Production de chaleur
La chaufferie est composée de deux chaudières à eau chaude de marque Müller. La chaudière de 2 MW de modèle TM20 est une chaudière avec grille à gradins, tandis que la chaudière de 650 kW de modèle TM15 est une chaudière à grille horizontale mobile (cf. documentation en Annexe 2). Elles peuvent moduler leur puissance entre 30 et 100% de leur puissance nominale. Chaque chaudière est alimentée en plaquettes forestières par un convoyeur à bande relié au silo enterré. L’alimentation se fait de manière disco
Après combustion, les cendres sous foyer sont évacuées automatiquement vers un container grâce à des vis sans fin. Après passage dans la chaudière, les fumées sont nettoyées de leurs poussières grâce à un électrofiltre Ionitec de type CEP 15-20, conçu pour abaisser la teneur en poussières des fumées en dessous de 20 mg/Nm3. Les cendres volantes sont récupérées dans un container en dessous de l’électrofiltre. Les fumées sont évacuées vers l’extérieur par la cheminée.
Figure 23 : Electrofiltre de la ch
iii Régulation des chaudières ère est régulée selon la température de consigne exploitant, soit programmée en fonction de la tempér nement de la chaudière quelles que soient les variati s de régulation, indépendantes mais reliées phy Annexe 3) :
Puissance de consigne en fonction de la température à la demande du réseau.
Taux d’oxygène résiduel en fonction de la pui garantissant un excès d’air optimal.
Dépression dans le foyer en fonction de la puissan l’intermédiaire du ventilateur d’extraction et des venti
La chaudi fixée
par l’ le bon
fonction par trois
boucle siqu mplète en
re
n en
r
L’exploitant peut p oxygène
résiduel dans les fumées, rapport air primaire/air secondaire, dépression dans le foyer, débit d’amenée du bois.
aufferie de Cartigny
de l’eau en sortie de chaudière, qui peut être soit ature extérieure. La température de consigne et
ons de demande sur le réseau sont assurés ement par le foyer (cf. description co
de consigne : pour adapter la puissance nécessai ssance de consigne : pour optimiser la combustio
ce de consigne : pour des raisons de sécurité, pa teurs primaire et secondaire.
la
rincipalement régler les paramètres suivants pour chaque niveau de puissance : taux d’
D’autre part, les chaudières sont faites pour accepter un combustible d’humidité variable jusqu’à 50%, mais les réglages précédents doivent être adaptés en fonction du taux d’humidité du bois utilisé pour optimiser la combustion. Trois modes de réglage différents peuvent être programmés par l’exploitant pour un combustible sec, moyen ou humide.
iv Circuit hydraulique
rcuit rculer
art rtie D’un point de vue hydraulique, la vanne 3-voies du ci
en boucle fermée sur la chaudière jusqu’à atteindr contrepartie, pour équilibrer les débits, une autre vanne réseau. Elles maintiennent une température départ ré chaudière pour maintenir une réserve de
chaudière (cf. Figure 24) se ferme de manière à ci e la température de consigne en sortie de chaudière. En
3-voies mélange une partie du retour réseau au dép seau inférieure de 10 degrés à la température so puissance rapidement mobilisable.
Figure 24 : Schéma hydraulique de connexion des chaudières au réseau
st maintenue au dessus de 50°C grâce à la vanne 3-voies qui mélange l’eau de retour du réseau à une partie du débit d’eau provenant de la sortie de la chaudière (cf. Figure 24).
au
25 illustre le tracé du réseau. On note l’existence de deux tronçons aire=réseau du circuit D’autre part, l’existence d’éventuels points froids dans la chaudière est problématique car elle entraîne la condensation des fumées, responsable d’une corrosion prématurée des tubes (les fumées contenant potentiellement des rejets acides). Afin d’éviter la formation de ces points froids, la température d’entrée dans les chaudières e
I.C.4.b Rése
La chaufferie est au centre du réseau de chaleur qui dessert les 126 preneurs de chaleur. La longueur de tracé actuelle du réseau est de 5.8 km. La Figure
relativement longs desservant très peu de preneurs, 1 au sud (5 preneurs), l’autre au nord (1 seul preneur).
Chaque preneur est équipé d’une sous-station (i.e. un échangeur séparant circuit prim secondaire=maison) dimensionnée en fonction de la demande de chaleur des années passées.
Figure 25 : Plan du réseau de chauffage à distance de Cartigny ; en rouge : emplace bâtiments communaux, en vert : autres bâtiments connectés (source : Putal
ment de la chaufferie, en orange : laz Ingénieurs Conseils)
Les n mousse de polyuréthane avec une couverture extérieure en PVC de
marque Brugg Rohrsysteme. Quelques tronçons du réseau qui alimentent des preneurs isolés sont réalisés en conduites en acier sont isolées e
conduites souples Casaflex duo contenant les tubes aller et retour dans la même isolation. La Figure 26 illustre le type de conduites utilisées.
Figure 26 : Types de conduites utilisées pour le réseau de chauffage ; tronçons principaux (à gauche), tronçons alimentant les preneurs isolés (à droite) (source : Brugg Rohrsysteme AG)
Le réseau fonctionne toute l’année. La température et le débit sont adaptés en fonction de la demande (plus faibles en été). Le débit réseau est régulé par les pompes réseau qui possèdent un variateur de fréquence intégré et la vitesse de rotation est auto-régulée par mesure de la pression différentielle (la perte de charge sur le réseau dépend de la demande des sous-stations, qui vont actionner leur vanne deux-voies pour disposer du débit qui leur est nécessaire)3. La température de consigne fournie par la chaudière au réseau est fixée par l’exploitant. Il s’agit d’un réseau à eau chaude, dont la température de départ est comprise entre 70 à 90°C. Les retours sont attendus entre 50 et 70°C. Les deux paramètres débit et température sont régulés indépendamment.
I.C.5 Hypothèses de la pré-étude technique
La pré-étude technique a été réalisée par le bureau Putallaz Ingénieurs Conseils.
I.C.5.a Dimensionnement des chaudières
Le dimensionnement a été basé sur l’étude des consommations passées de combustible de chauffage (essentiellement du mazout) pour tous les preneurs qui ont décidé de se connecter au réseau de chaleur. Une règle du pouce a été utilisée pour déterminer la puissance maximale nécessaire par preneur :
max
[ ] [ ]
300
a265
bconso mazout annuelle L P kW
ou
(source : Dimensionnement du chauffage central au bois4)aavec prod. d’ECS
bsans prod. d’ECS
Une puissance minimale de 20 kW par preneur a été retenue pour toutes les puissances obtenues inférieu s à 15 kW. Celle-ci correspond à la puissance nécessaire pour chauffer un ballon de 350 litres d’ECS en une heure. Une
hypothè un
coefficient de sécurité a été appliqué pour fixer la puissance maximale de l’installation.
re se de foisonnement a été retenue, par l’application d’un coefficient de simultanéité de 0.7, mais
Les pertes thermiques dans les conduites estimées selon les données du constructeur représentent une puissance supplémentaire d’environ 100 kW. Un rendement des chaudières bois de 80% a été pris en compte.
3 Les informations sur la régulation du réseau ont été obtenues auprès de M. Birraux de SAUTER Régulation au cours d’un
entretien le 7 octobre 2012.
4 http://www.holzenergie.ch/uploads/tx_ttproducts/datasheet/329dimensionierungF.PDF, consulté en juin 2013
L’installation a finalement été dimensionnée à 2650 kW répartis sur deux chaudières de 2’000 et 650 kW, représentant respectivement ¾ et ¼ de la puissance maximale appelée par le réseau. La grande chaudière a été prévue pour couvrir les besoins thermiques hivernaux et la petite chaudière les besoins en eau chaude sanitaire estivaux (les chaudières n’ont pas été dimensionnées pour fonctionner en cascade). Le basculement entre petite chaudière et grande chaudière s’opère en début et en fin de saison de chauffe.
I.C.5.b Flux énergétiques
A partir des données de consommation des différents preneurs et des hypothèses i-après, un bilan énergétique prévisionnel a été réali
conso mazout preneurs 7.3 GWh/an rdt moyen ch. mazout 70%
c sé :
conso utile preneurs 5.1 GWh/an rdt annuel ch. bois 80%
conso bois preneurs 6.4 GWh/an pertes réseau annuelles 0.8 GWh/an conso bois totale 7.2 GWh/an avec marge 10% 7.9 GWh/an
rdt global annuel 65%
La consommation prévisionnelle des preneurs a été estimée à 5 GWh par an, ce qui représenterait 7.9 MWh de bois par an. Le rendement global a été estimé à 65%, avec des pertes réseau de l’ordre de 10%.
II Chapitre II :
Méthodologie de mesure
II.A Concept de mesure
II.A.1 Mesures réalisées
Les mesures réalisées dans la cadre du suivi sont les suivantes :
Rendement instantané des deux chaudières, par deux méthodes (cf. paragraphes I.A.3.b et II.B) : - méthode directe : rapport de l’énergie sortante sur l’énergie entrante
- méthode indirecte (dite de Siegert) : quantification des différentes pertes
Emissions atmosphériques instantanées
Niveaux de températures (chaudière, réseau)
Consommation électrique des chaudières et de la chaufferie
Consommation de chaleur des preneurs
Pertes réseau
Le suivi a débuté le 29.10.2010 et s’est terminé le 31.12.2011. L’idéal aurait été de pouvoir faire un suivi continu de l’ensemble des paramètres durant toute la période de suivi, en particulier pour pouvoir suivre l’évolution du rendement. Cependant, la mesure sur le long terme de certains paramètres nécessaires à la détermination du rendement comme le débit et l’humidité du bois ou les émissions atmosphériques sont problématiques et nécessitent une présence humaine continue. Ainsi, nous avons choisi de réaliser certaines mesures en continu sur toute la période de suivi, et d’autres uniquement sous forme de campagnes (rendement et émissions atmosphériques).
Le Tableau 6 présente les campagnes de mesure réalisées :
Tableau 6 : Campagnes de mesures (rendement et émissions polluantes)
Grande chaudière
29.11.2010 06h00 > 22h00
01.12.2010 06h00 > 02.12.2010 06h00 03.12.2010 06h00 > 04.12.2010 06h00 05.12.2010 06h00 > 22h00
Campagne 2 27.01.2011 06h00 > 18h00 29.03.2011 06h00 > 20h00
Ces campagnes de mesures ont été menées de manière à couvrir toute la plage de fonctionnement des deux chaudières.
Remarque : De manière générale, les donnée mesurées durant les événements problématiques qui se sont
produits sur l’installation on conclusions. Ces périodes
concernent 13 arrêts des chaudières (durée entre 4h et 5 jours) au cours de notre période de mesure.
esurées
t présentée en Annexe 4. L’acquisition des données s’est faite grâce à , avec un scan toutes les 10 secondes, et un enregistrement de la
horaires et journalières utilisées dans la suite de l’analyse a été effectué avec un horodatage des données au début du pas de temps. Les données d’humidité du ramener
s sur l’installation.
s
t été extraits des données pour ne pas perturber les
II.A.2 Grandeurs m
La liste détaillée des données mesurées es un datalogger Campbell Scientific CR 3000
valeur moyennée/sommée sur 5 minutes. Le calcul des moyennes
bois présentant une périodicité de 15 ou 30 min, une interpolation entre les points a été réalisée pour les
bois présentant une périodicité de 15 ou 30 min, une interpolation entre les points a été réalisée pour les