Combustion de biomasse

I. Composition globale des particules ...88 II. Spéciation de la fraction organique ...91

1. Les traceurs de la combustion de biomasse ...91 2. Les empreintes chimiques des hydrocarbures ...95

III. Analyse isotopique du carbone ...99 IV. Synthèse des émissions de combustion de biomasse ...100

C. COMBUSTION DE FIOUL EN CHAUDIERE INDIVIDUELLE ... 101

I. Composition globale des particules ...102 II. Spéciation de la fraction organique ...103

1. Etude de l’empreinte chimique des alcanes ...103 2. Etude de l’empreinte chimique des HAP...105

A. Introduction

L’étude de l’origine des PM en atmosphère ambiante à partir de leur caractérisation

chimique nécessite une connaissance préalable de la composition chimique des particules

issues des principales sources d’émissions. Cette composition chimique présente des

spécificités en fonction de sources et constitue donc le profil chimique de sources appelé

également « carte d’identité » chimique.

Parmi les sources de particules présentes en milieux anthropisés, le chauffage résidentiel

par combustion de combustible représente l’une des sources potentielles fortement émettrices

de PM, comme déjà évoqué dans le chapitre 1. Dans la littérature, de nombreux profils

chimiques de sources d’émissions de PM par le chauffage existent, plus particulièrement pour

la combustion de biomasse, les profils chimiques étant différents selon le type de combustion

(à l’air libre, en chaudière, en insert etc…), le type de biomasse (feuilles, bûches,…), le taux

d’humidité de la biomasse et les essences (hêtre, pin,…) (Simoneit, 2000). Ces profils ont été

réalisés en grande partie aux Etats-Unis et sont donc très spécifiques aux appareils de

chauffage et aux essences de bois utilisés en Amérique du Nord, qui peuvent être différents de

ceux utilisés en Europe. De plus, la caractérisation chimique réalisée est plus ou moins

détaillée selon les profils et se focalise parfois sur une seule famille de composés (les métaux

par exemple), la spéciation de la fraction organique des PM n’étant pas toujours réalisée. De

manière générale, seule la phase particulaire des aérosols est échantillonnée. Les principaux

profils de combustion de biomasse pour lesquels la spéciation organique a été réalisée dans la

littérature sont présentés sur le tableau 18. Ce tableau, non exhaustif, donne un aperçu de la

multiplicité des essences de bois brûlées dont les émissions ont été caractérisées

chimiquement. Mais dans la majorité des cas, la combustion de biomasse pour le chauffage a

été étudiée en foyer. Concernant les émissions de combustion de fioul domestique, seul un

profil contenant une spéciation organique est disponible dans la littérature et a été réalisé pour

la combustion en chaudière industrielle (Rogge et al., 1997). La spéciation organique des

émissions de combustion de gaz naturel pour le chauffage est disponible également dans un

seul profil de la littérature : le profil réalisé par Rogge et al. (1993d).

Devant l’inexistence de profils chimiques détaillés de la combustion de fioul en

chaudière individuelle et de la combustion de biomasse ou énergie mixte telle qu’elle est

pratiquée en France, et compte tenu du fort développement du bois énergie en France et en

Europe, il nous a semblé nécessaire de disposer de profils les plus représentatifs des modes de

chauffage utilisés, et plus particulièrement ceux utilisant la biomasse. Dans notre étude, la

caractérisation chimique des émissions et plus spécifiquement celle de la matière organique

contenue dans les aérosols a donc été réalisée sur des dispositifs de chauffage résidentiel au

bois et au fioul sur des appareils de chauffage individuel (en foyer, chaudière à bûche ou à

granulés) mais également sur une grosse chaufferie industrielle fonctionnant à l’aide de

combustible au bois ou combustible mixte bois/charbon. Cette caractérisation chimique des

émissions issues de la combustion des différents combustibles employés dans ce secteur en

Europe peut permettre ainsi de mieux évaluer les contributions des sources liées au chauffage

résidentiel sur les taux de PM.

Une autre pratique fortement émettrice de particules et très répandue en France concerne

les feux de déchets verts. Atmo-RhôneAlpes a estimé qu’un feu de 50 kg de végétaux émet

autant de particules qu’une voiture essence récente qui parcourt 8500 km (3500 km pour une

voiture diesel), ou que 4 mois et demi de chauffage d'un pavillon avec une chaudière fioul, ou

encore qu’une demi-journée de feu de bois d'une cheminée ouvert et, finalement que 16 jours

de chauffage d'un pavillon avec une chaudière bois récente

¹⁸

. Cette pratique d’élimination des

déchets verts par combustion, bien qu’interdite par la législation et soumise à autorisation

préfectorale, est particulièrement développée en Rhône-Alpes (11% des résidents en maison

individuelle ont recours à cette pratique d’après l’ADEME) où elle fait partie des habitudes

ancestrales d’éliminations de ces déchets dans les jardins communaux ou de particuliers, ainsi

qu‘en agriculture. Aucun profil chimique de cette source d’émissions de particules n’ayant été

réalisé à ce jour avec un mélange de végétaux européens (tableau 18), elle a donc également

fait l’objet de notre étude afin de connaître la composition chimique globale des PM émises

par ce procédé.

Pour l’ensemble des sources citées ci-dessus, une caractérisation chimique la plus large a

été effectuée afin de connaître la composition globale de l’aérosol (carbone organique,

élémentaire, espèces majeures ioniques) ainsi que la spéciation fine de la fraction organique

de l’aérosol focalisée sur la recherche de traceurs de sources et d’empreintes de grandes

familles chimiques (hydrocarbures, HAPs, acides organiques,….). Les profils chimiques

obtenus seront comparés le cas échéant à ceux disponibles dans la littérature, et cette étude se

focalise sur l’identification de différences d’empreinte chimique entre les sources. Des

mesures isotopiques du carbone ont également été réalisées pour les émissions de combustion

de biomasse. Ces mesures ont été effectuées afin d’étudier les différences de signature

isotopique entre la combustion de biomasse récente (feux de déchets verts de jardin) et la

combustion de biomasse plus ancienne (bois), très peu de mesures isotopiques de sources

d’émissions étant disponibles dans la littérature. Elles n’ont pu être entreprises sur les

émissions de combustion de fioul en raison des teneurs en carbone trop faibles dans les

échantillons. Des mesures de métaux et éléments traces complètent également la spéciation

chimique réalisée sur les émissions de combustion de biomasse et de fioul domestique, mais

nous n’avons pas encore tous les résultats à ce jour, les mesures étant réalisées par une

prestation extérieure à nos laboratoires dont les délais d’analyses peuvent parfois être très

longs.

18

D’après le communiqué d’information d’Atmo-RhôneAlpes « Impact du brûlage à l’air libre de végétaux », paru en août 2010 et téléchargeable sur www.atmo-rhonealpes.org

B. Combustion de biomasse

Sous le terme combustion de biomasse sont rassemblés différents types de combustion et

de biomasse. En effet, ce terme regroupe à la fois les feux de forêts, de broussailles, de

déchets verts mais également les combustions de bois-énergie pour le chauffage domestique

ou industriel, la production d’électricité ou d’eau chaude sanitaire. Les formes sous lesquelles

se trouvent la biomasse sont donc différentes (bois vivant, sec, transformé sous forme de

sciures, de briquettes etc.), appartenant à différentes essences de bois. Les types de

combustion sont également très variés, allant de la combustion à l’air libre à la combustion

plus contrôlée en foyer ou en chaudière. Ces différents paramètres influencent fortement la

quantité d’aérosols émis et leur composition chimique.

Le bois a été la première énergie utilisée par l’Homme pour le chauffage. Jusqu’à la

révolution industrielle, il représentait l’unique combustible et l’habitat était construit autour

du foyer à bois. En 2007, six millions de ménages français étaient équipés d’un système de

chauffage au bois essentiellement en habitat individuel. Ainsi, c’est près de 45% des ménages

français en maison individuelle qui possèdent un appareil de chauffage au bois dont 45%

d'inserts et de foyers fermés, 27% de foyers ouverts, 13% de poêles, 9% de cuisinières, et 6%

de chaudières individuelles (Source : ADEME

¹⁹

). Ces chiffres sont en augmentation chaque

année en raison essentiellement de l’augmentation du prix des autres combustibles et du

développement des énergies renouvelables accompagné de mesures incitatives de l’Etat pour

l’acquisition d’équipements utilisant cette énergie. Le bois le plus vendu en France est sous

forme de bûches de hêtre (bois dur). Cependant, 60% du bois de chauffage consommé

correspond à une autoconsommation ou provient d’un approvisionnement en dehors des

circuits de vente de la filière bois (Source : ADEME

¹⁹

). Cette autoconsommation n’est pas

prise en compte dans les estimations des émissions réalisées par le CITEPA.

Dans le cadre d’une étude menée en partenariat avec l’AGEDEN, l’ASCOPARG, le

LERMAB (et financée par la Région Rhône-Alpes), les émissions de différents type de

combustion de biomasse on été étudiées. Cette étude comprenait la caractérisation des

émissions issues de 4 types d’appareil de chauffage domestique au bois-énergie utilisés en

France :

- foyer ouvert à bûches (essence de chêne) (5 échantillons),

- foyer fermé à bûches (essence de hêtre) (5 échantillons),

- chaudière à bûches (essence de chêne) (5 échantillons),

- chaudière à granulés (6 échantillons).

De plus les émissions d’une chaufferie industrielle alimentant un réseau collectif de

chauffage urbain ont fait également l’objet d’une caractérisation chimique (25 échantillons et

3 blancs). Les prélèvement ont été effectués par le Bureau Véritas selon des protocoles

normalisés dans le cadre d’une vérification réglementaire des émissions, et réalisés en

fonctionnement à différentes puissances (de 15,7 à 62,7 MW) à partir des combustibles bois,

charbon ou mixte. Entre 1 et 3 échantillons ont été prélevés pour les différentes puissances

étudiées et types de combustibles.

Enfin, cette étude comportait également la caractérisation des émissions de combustion

de déchets verts à l’air libre contenant des branches et feuilles mortes de diverses essences (32

échantillons)

²⁰

.

19 Rapport du programme ADEME « Le bois-énergie » réalisé de 2000 à 2006 et téléchargeable sur www2.ademe.fr

20 « Programme de connaissance de l’origine des émissions dues à la combustion de la biomasse sur le secteur grenoblois », étude LGGE-LCME-ASCOPARG-AGEDEN-LERMAB,

Les prélèvements pour l’étude de émissions des appareils de chauffage et en chaufferie

industrielle ont été réalisés par d’autres laboratoires ou des bureaux d’études selon la norme

française de prélèvements de rejets atmosphériques (Norme NF X 44-052), correspondant à

l’échantillonnage des particules totales directement dans le conduit d’émissions grâce à une

veine et un porte-filtre chauffés à une température inférieure ou égale à 160°C. Les conditions

de prélèvements étaient donc totalement dépendantes de cette norme et aucune modification

ne pouvait être apportée. Les prélèvements d’émissions de combustion de déchets verts ont

été réalisés par l’ASCOPARG (AASQA de la région grenobloise) à l’aide de tête de

prélèvements en PM

2.5

et PM

10

. Seule la phase particulaire des aérosols a été échantillonnée

pour l’ensemble des prélèvements réalisés. Les conditions opératoires n’ont pas permis ni de

mesurer des flux d’émission, ni les masses totales des PM, mais essentiellement de déterminer

les profils chimiques.

I. Composition globale des particules

La détermination de la fraction carbonée des particules (OC et EC) et de la fraction

ionique permet de réaliser un profil chimique de la composition globale des constituants

massiques principaux des aérosols. Les profils chimiques moyens obtenus pour différents

types de combustion de biomasse sont représentés sur la figure 38. L’analyse de plusieurs

échantillons par type de combustion (environ 5 ou 6 échantillons par type de combustion)

permet de montrer que ces profils moyens sont plutôt stables : les écart-types des fractions

que représentent chaque espèce à la composition globale sont inférieurs à 9% pour l’OC, à 3%

pour l’EC et à 1% pour les composés ioniques. De part ces faibles écart-types, seuls les profils

moyens seront présentés. Les profils moyens des différents types de combustion se

différencient nettement les uns des autres. Ainsi, des variations très importantes sont

observées dans les parts relatives de chacun des composés suivant le procédé de combustion

étudié. Mais, la taille des aérosols (PM

10

ou PM

2.5

) ne semble pas influencer le profil

chimique des émissions de combustion de déchets verts.

La part de l’OC est particulièrement élevée dans le cas des combustions de type «

déchets verts » ou « combustion de bois bûche en foyers ouverts et fermés », avec des

fractions représentant respectivement 96, 81 et 66% de la masse déterminée. Cette fraction

organique est beaucoup plus faible lors de la caractérisation des émissions issues de

chaudières individuelles ou de chaudières industrielles. Les fortes proportions d’OC obtenues

sur les combustions de déchets verts et les combustions de bois en foyer fermé sont en accord

avec les résultats rapportés dans la littérature pour les émissions les plus proches de celles

étudiées (Figure 39). La diminution de la proportion d’OC émis semble être liée au type de

combustion : en chaudière, la combustion est probablement plus complète qu’en foyer et qu’à

l’air libre pour la combustion de déchets verts. Cependant, les différences observées entre les

profils de différents types de combustion peuvent être dues aux conditions de prélèvements

des particules différents selon les combustions. Les émissions de combustion de déchets verts

ont été prélevés dans le panache de fumée à l’air libre (proches d’une température ambiante)

alors que les émissions de combustion de chauffage individuel l’ont été en conduit de

cheminée (à températures plus élevées) et celles de combustion en chaudière industrielle ont

été échantillonnées après les systèmes de traitement des émissions (température de l’ordre de

Figure 38 : Profils chimiques des espèces majeures pour différents types

de combustion de biomasse (en proportions relatives).

Figure 39 : Profils chimiques des espèces majeures issus de la littérature.

De plus, la part de l’EC reste relativement faible avec des valeurs s’étendant de 2 à 18%

pour les combustions de bois dans des appareils de chauffage individuel, en chaudière

industrielle et pour la combustion de déchets verts (figure 38). Ceci distingue nettement les

profils « combustion de biomasse » de ceux des émissions de combustibles fossiles. Ainsi,

l’utilisation de combustible mixte bois et charbon en chaudière industrielle se traduit par une

augmentation majeure de la part de l’EC sur le profil des espèces majeures (figure 38),

pouvant représenter jusqu’à 61% de la masse déterminée. Cette proportion se rapproche de

celle observée pour les émissions véhiculaires du parc automobile français mesurées en tunnel

(figure 39).

Ce comportement différent vis à vis des émissions de matière organique peut être abordé

par l’étude du rapport EC/OC. Ce rapport déterminé pour les profils d’émissions réalisés est

proche de 0,1 pour la combustion de biomasse en foyer ouvert et fermé et de 0,04 pour la

combustion de déchets verts (Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Si ces valeurs

emeurent inférieures à 0,2 comme pour les profils de la littérature, des différences notables

sont cependant observées. En effet, pour la combustion de bois dur en foyer (Fine et al.,

2002), le rapport EC/OC rapporté est seulement de l’ordre de 0,04 alors que celui pour la

combustion de feuilles (Schmidl et al., 2008a) est de l’ordre de 0,1 (figure 40). Le ratio est

plus élevé pour les combustions de bois en chaudière : entre 0,6 pour les granulés et 1,4 pour

les bûches. De plus, l’utilisation de combustible mixte bois et charbon entraîne une forte

augmentation du ratio EC/OC qui est alors de l’ordre de 3,0. Ce résultat est en accord avec les

ratios EC/OC proposés dans la littérature pour la combustion d’autres combustibles fossiles

tels que les combustions de fioul et de carburants par les véhicules, mais est plus élevé que les

ratios mesurés pour la combustion de charbon (figure 40).

* moyenne des résultats de Chen et al. (2005) ; Oros et Simoneit (2000) ; Zhi et al. (2008)

Figure 40 : Ratios EC/OC mesurés pour les différents types de combustion étudiés

et issus de la littérature.

Pour les émissions de combustion en chaudière industrielle, la puissance de

fonctionnement de la chaudière ne semble pas influencer la composition chimique globale des

émissions (figure 38). La nature du combustible utilisé a a priori une influence plus

importante que la puissance de fonctionnement.

Les différences observées sur l’ensemble des profils de combustion étudiés semblent

est nécessaire toutefois de souligner qu’elles peuvent également être induites par les

conditions de prélèvement des particules. En effet, la nature même des essais réalisés

(prélèvement dans un panache de combustion, dans un conduit de cheminée ou de chaudière)

ainsi que les contraintes technologiques (utilisation de cannes de prélèvement réglementaires)

n’ont pas permis d’adopter une méthodologie commune notamment en terme de température

d’échantillonnage, les prélèvements ayant été réalisés par des prestataires extérieurs aux

travaux de thèse. Ce facteur peut s’avérer critique pour la quantification d’une partie de la

fraction organique en raison de la volatilisation de certains de ses composants ou sur la

fraction ionique modifiant la balance ionique. Ces artéfacts de prélèvements doivent donc être

pris en compte dans l’utilisation des résultats obtenus.

Les émissions de combustion de biomasse en foyer ou à l’air libre contiennent donc une

forte proportion d’OC et une charge ionique positive. Ces observations sont moindres pour les

combustions en chaudière individuelle ou industrielle mais les différences entre les appareils

de chauffage observées peuvent être dues aux conditions de prélèvements différentes entre les

différents type de combustion étudiés.

II. Spéciation de la fraction organique

La spéciation de la matière organique contenue dans les aérosols a été focalisée sur la

recherche d’empreinte chimique et de traceurs caractéristiques de la combustion de biomasse :

les monosaccharides anhydres largement reconnus dans la littérature comme traceurs de ce

type de source, les méthoxyphénols, indicateurs du type de biomasse brûlée, les alcanes et les

HAP, hydrocarbures émis par tous types de combustion.

1. Les traceurs de la combustion de biomasse

La combustion de biomasse conduit à l'émission de composés traceurs des familles des

monosaccharides anhydres et des methoxyphénols, provenant de la décomposition thermique

de la cellulose. Notamment, le lévoglucosan et ses deux isomères (mannosan et galactosan)

constituent des traceurs non ambigus de la combustion de biomasse et sont très largement

utilisés pour étudier l’influence de cette source en raison notamment de facteurs d’émission

relativement importants et de leur bonne stabilité atmosphérique.

a) Les monosaccharides anhydres

Si ces composés sont émis par tous les types de combustion de biomasse, leur

contribution à la concentration en OC ainsi que les rapports entre les isomères peuvent se

différencier. Ainsi, les rapports de la concentration en lévoglucosan sur la concentration en

galactosan (Lévo/Gal) ou en mannosan (Lévo/Man) ont été utilisés dans la littérature pour

caractériser les essences de bois brûlés (Schmidl et al., 2008b).

Le tableau 19 présente les valeurs des rapports OC/Lévo et Lévo/Manno obtenus à

l’émission pour les différentes combustions de biomasse étudiées, ainsi que ceux rapportées

dans la littérature pour des conditions de combustion proches.

Le rapport OC/Lévo est un paramètre important puisqu’il est à la base de la méthode de

quantification de l’influence de la combustion de biomasse par l’approche monotraceur et la

méthodologie CMB en atmosphère ambiante. Cette méthode utilise le rapport OC/Lévo établi

à l’émission pour déterminer la part de l’OC provenant de la combustion de biomasse en

atmosphère ambiante (Puxbaum et al., 2007). Les données de la littérature montrent une

variabilité assez grande des valeurs de ce rapport, allant de 1,9 à 23,5 en fonction de la nature

du bois brûlé. Mais dans l’utilisation de cette approche quantitative, un rapport OC/Lévo de

brûlés en Europe (Puxbaum et al., 2007). Il correspond au ratio OC/Lévo de la combustion de

hêtre (bois dur) étudiée par Fine et al. (2004).

Les ratios OC/Lévo sont compris entre 37 et 90 pour les combustions de chauffage

individuel. Ces valeurs sont plus importantes que celles rapportées par Fine et al. (2002) pour

des combustions de bois dur et tendre de type bûche. En revanche le rapport mesuré pour la

combustion de déchets verts est de 25 et du même ordre de grandeur que celui rapporté dans

la littérature pour la combustion de feuilles (Schmidl et al. 2008 a).

Les rapports Lévo/Manno rapportés dans la littérature évoluent entre 4 pour la

combustion de bois tendre et 15 pour la combustion de bois dur (tableau 19). Les valeurs

Dans le document Polluants atmosphériques organiques particulaires en Rhône-Alpes : caractérisation chimique et sources d'émissions (Page 91-109)