Audit'bois : Analyse énergétique, environnementale et économique du chauffage à distance au bois à Genève : Retour d'expérience sur l'installation de Cartigny

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Audit'bois : Analyse énergétique, environnementale et économique du chauffage à distance au bois à Genève : Retour d'expérience sur

l'installation de Cartigny

HAROUTUNIAN, Anthony, et al .

Abstract

Le bois énergie est une ressource renouvelable importante : en Suisse il représente plus de 20% de la consommation d'énergie finale d'origine renouvelable et 4% de la consommation totale d'énergie finale. Si aujourd'hui la combustion du bois en Suisse est en grande partie réalisée dans une multitude de petites installations, le potentiel de développement de grandes installations alimentant des réseaux de chaleur est réel, car il est permet une mutualisation des coûts d'investissement tout en favorisant une meilleure efficacité énergétique et environnementale des installations. Ce travail présente un retour d'expérience complet mené sur une installation de chauffage à distance au bois dans le canton de Genève à Cartigny, mise en service en 2008. Il s'agit d'un réseau villageois créé à l'occasion de l'installation de deux chaudières bois de 2 MW et 650 kW. Le réseau mesure 6 km et alimente environ 120 preneurs (essentiellement des villas et quelques gros consommateurs). La consommation annuelle de chaleur par les preneurs est de l'ordre de 5 GWh. L'étude a été menée sur une année complète [...]

HAROUTUNIAN, Anthony, et al . Audit'bois : Analyse énergétique, environnementale et économique du chauffage à distance au bois à Genève : Retour d'expérience sur l'installation de Cartigny . Genève : 2013, 198 p.

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:32223

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Audit’bois : Analyse énergétique, environnementale et économique du chauffage à distance au bois à Genève :

Retour d’expérience sur l’installation de Cartigny

Anthony Haroutunian, Floriane Mermoud, Jérôme Faessler, Bernard Lachal

Carouge, octobre 2013 Contact : floriane.mermoud@unige.ch

Remerciements

En premier lieu, nous souhaitons remercier la Mairie de Cartigny (Mme la Maire Carine Zach) ainsi que CABC (François Jaunin) pour avoir mis à disposition du projet la chaufferie ainsi que l’ensemble des données économiques, et ce en toute transparence. Merci à M. Hess (comptable) pour le temps consacré à la transmission des données économiques.

Le projet a été cofinancé conjointement par le Scane, le DNP, Serbeco, Energie Bois Suisse, la Fondation Schmidheiny et l’Université.

Nous remercions vivement Energie durable SA/Serbeco en la personne de Bertrand Girod, pour l’appui technique et la pleine collaboration qu’il nous a apportés au cours du projet, ainsi que M. Michelin. Nos excuses pour les désagréments causés dans l’exploitation de la chaufferie par notre intervention sur le site. Merci également à Jean Putallaz qui nous a mis à disposition les données liées à la conception de l’installation.

Tous nos remerciements vont aux membres du groupe d’accompagnement, pour leur assiduité aux réunions de suivi et leur intérêt pour le travail réalisé, en particulier : Carine Zach, François Jaunin, Bertrand Girod, Alain Bromm, Rémy Beck, Patrik Fouvy, Rania Clerc, Luis Rail, Jean Putallaz.

Merci également à Eric Pampaloni pour son support technique, à David Köchli, notre contact chez Müller SA, pour son appui dans la mise en place du suivi, ainsi qu’aux usagers de CABC qui nous ont donné accès à leurs données économiques : M. Pelz (entreprise Pelz), M. Schornoz (responsable PPE Pré-de-la-Reine). Enfin, merci à M. Borel, pour l’accès à son rapport « Quality Management » sur la chaufferie de Cartigny et à la société Marino Müller, qui nous a gracieusement prêté les capteurs d’humidité pour nos tests.

Résumé

Le bois énergie est une ressource renouvelable importante : en Suisse il représente plus de 20% de la consommation d’énergie finale d’origine renouvelable et 4% de la consommation totale d’énergie finale. Si aujourd’hui la combustion du bois en Suisse est en grande partie réalisée dans une multitude de petites installations, le potentiel de développement de grandes installations alimentant des réseaux de chaleur est réel, car il est permet une mutualisation des coûts d’investissement tout en favorisant une meilleure efficacité énergétique et environnementale des installations.

Ce travail présente un retour d’expérience complet mené sur une installation de chauffage à distance au bois dans le canton de Genève à Cartigny, mise en service en 2008. Il s’agit d’un réseau villageois créé à l’occasion de l’installation de deux chaudières bois de 2 MW et 650 kW. Le réseau mesure 6 km et alimente environ 120 preneurs (essentiellement des villas et quelques gros consommateurs). La consommation annuelle de chaleur par les preneurs est de l’ordre de 5 GWh. L’étude a été menée sur une année complète (2011) et couvre les aspects techniques, environnementaux et économiques.

Une méthodologie de mesure du rendement instantané des chaudières a été développée pour caractériser l’impact du taux de charge des chaudières sur le rendement et les émissions atmosphériques, généralement connus pour se dégrader lorsque le taux de charge diminue. Les chaudières ont été analysées dans toute leur gamme de fonctionnement, et les résultats montrent que contrairement à ce qu’on attendait, le rendement des chaudières étudiées est invariant en fonction de leur taux de charge (83% pour la grande chaudière, 90% pour la petite chaudière). Par contre, de manière classique, les émissions en monoxyde de carbone se dégradent fortement en dessous de 50% de taux de charge. La grande chaudière respecte les normes, par contre les réglages de la petite chaudière pourraient être améliorés. Les émissions en oxydes d’azote ne sont quant à elles pas affectées par le taux de charge, et restent en dessous des normes en vigueur.

Le suivi énergétique a permis d’établir le bilan énergétique de l’installation sur l’année 2011 : au final, l’énergie utile (consommée par les preneurs) a été de 4 GWh (année particulièrement douce), et l’énergie primaire (consommation de bois) de l’ordre de 6 GWh. En 2011, le rendement global de l’installation a été de 64%, avec un rendement moyen des chaudières de 85%. On peut souligner le bon fonctionnement et la fiabilité des chaudières de Cartigny. Les pertes réseau sont élevées (25% de l’énergie distribuée), à cause de la faible densité du réseau.

En effet, celle-ci est de 0.9 MWh/m tracé/an à Cartigny, ce qui est faible comparé à la moyenne suisse (4 MWh/m tracé/an) et à la densité minimale (« critique ») recommandée par les bonnes pratiques, soit 1.3 à 1.5 MWh/m tracé/an. Cette faible densité réseau impacte fortement le coût de la chaleur produite.

Les investissements dans la chaufferie bois de Cartigny s’élèvent à 10 millions de CHF, dont plus de la moitié pour la construction du réseau et des sous-stations. Le projet a reçu une subvention initiale de 1.5% et une subvention de fonctionnement d’environ 3 ct/kWh au titre des économies d’émissions de CO2. Le coût de revient de la chaleur est variable d’une année à l’autre : 21 à 28 ct/kWh selon la consommation de chaleur par les preneurs. En effet, de manière classique sur les réseaux de chaleur, les coûts fixes – à couvrir quelle que soit la consommation – sont prépondérants et représentent 60% des coûts totaux. Le prix de la chaleur à charge de l’usager après déduction des subventions est de 18 à 25 ct/kWh selon les années, mais on peut considérer qu’il va se stabiliser autour de 22 ct/kWh. Au prix actuel du mazout, le prix de la chaleur à Cartigny est supérieur au prix de la chaleur mazout, mais la zone d’équilibre se situe entre 1.1 et 1.5 CHF/L mazout (moyenne 2012 : 1.03 CHF/L).

Finalement, ce travail a abouti à quelques recommandations concernant les projets de chauffage à distance au bois, notamment sur le respect d’une densité réseau suffisante (>1.5 MWh/m tracé/an) afin de contenir le coût de la chaleur produite. D’autre part, il est préconisé d’opter pour une mixité des sources d’énergies (chaudière bois couplée avec un appoint mazout ou gaz), afin de limiter les investissements et de favoriser le fonctionnement de la chaudière bois dans de bonnes conditions (taux de charge élevés). Enfin, le problème du financement à large échelle du chauffage à distance efficient (pas seulement au bois) a été soulevé, et l’opportunité de constituer un fonds de subventionnement significatif des installations (comme l’ont fait d’autres pays) a été évoquée.

Mots-clés : retour d’expérience, réseau de chaleur, bois énergie, chaudière, rendement, émissions atmosphériques, coût de l’énergie, financement.

Abstract

Biomass in an important renewable energy resource: in Switzerland, it accounts for more than 20% of the consumption of final energy from renewable sources and for 4% of the total consumption of final energy. Currently, wood combustion is mainly carried out in small plants in Switzerland, but there is an important development potential for large plants linked to district heating networks, as they allow the investments costs to be shared and they offer high energy and environmental performance.

The present study analyses in detail an existing plant, namely the wood fired district heating of Cartigny, a village located in Geneva canton. It has been in operation since 2008, and the distribution network was created together with the installation of two wood-fired boilers (2 MW and 650 kW).The network is 6 km long and serves 120 users (mainly single-family houses and some large users). The total heat consumption by the users is about 5 GWh per year. The system was monitored for a whole year (2011), thereby covering technical, environmental and economic aspects of the project.

A methodology was developed for analysing the impact of varying the boiler load on efficiency and air emissions (it is generally accepted that both are deteriorated by operation at low load). The boilers were characterised in the whole load range, and the results show that contrary to expectation, the efficiency of the studied boilers is not dependant on their load, because of their high thermal insulation. The average efficiency is 83% for the large boiler and 90% for the small (automatic) boiler. However, as expected, carbon monoxide emissions strongly increase below 50% of load. The large boiler was found to fulfil the emission standards, but the small boiler settings would need to be improved. Nitrogen oxides emissions are not affected by the boiler load and remain below the legal limits.

Using the data from energy monitoring, the energy flows of the plant were characterised for 2011. The consumption of final energy by the users was 4 GWh (2011 was a mild year), and the primary energy consumption (wood) was about 6 GWh. The global efficiency was hence 64% for 2011, with an average annual boilers efficiency of 85%, which is a good value. The distribution losses are important (25% of the heat supplied), because of the low density of heat demand in the district heating area, which amounts to 0.9 MWh/m/yr; this is low comparing with the Swiss average (4 MWh/m/yr) and also with the “critical” value generally recommended by best practises (1.3-1.5 MWh/m/yr). This low density significantly impacts the cost of final energy.

The investments in Cartigny’s district heating plant were 10 millions of CHF, of which more than half were dedicated to the construction of the network and substations. The project was supported with an initial subsidy of 1.5% of the total investment cost and with a subsidy during operation of about 3 ct/kWh (for avoided CO2

emissions). The energy cost varies from year to year, i.e. from 21 to 28 ct/kWh depending on the energy consumption. As typically found for district heating, fixed costs – to be paid independent of the level of energy consumption by the users – are dominating (here they account for 60% of the total costs). The heat price charged to the final user (after subsidies) is 18 to 25 ct/kWh depending on the year considered, but it will probably stabilise around 22 ct/kWh in the future. With the present oil price, the price of heat supplied by district heating in Cartigny is higher than heating with fuel oil, but it becomes competitive if the oil price reaches between 1.1 and 1.5 CHF/L (NB:

2012 average price was 1.03 CHF/L).

This work resulted in some recommendations concerning wood-fired district heating, especially on the necessity of a critical density in heat demand (>1.5 MWh/m/yr) in order to achieve affordable heat costs. Moreover, it is advised to mix the energy sources (wood boiler coupled to conventional boiler for peak demand), in order to limit the investments and to facilitate operation of the wood boiler in good conditions (high load). Finally, the issue of financing efficient district heating (not only wood-fired) at large scale is highlighted, and the opportunity to create a specific fund for significant subsidisation of the plants (already in place in other countries) is discussed.

Keywords : experimental feedback, district heating, wood energy, boiler, performance, air emissions, energy cost, financing.

Synthèse

Contexte général

Le bois énergie est une ressource renouvelable importante : en Suisse il représente plus de 20% de la consommation d’énergie finale d’origine renouvelable et 4% de la consommation totale d’énergie finale. La combustion du bois prédispose à une centralisation de la production, notamment en raison de l’importance des investissements à réaliser (chaudières, filtres) et des contraintes d’exploitation (gestion de la qualité du combustible et des cendres, optimisation du fonctionnement des chaudières). Si les aspects techniques sont relativement maîtrisés à l’heure actuelle, la problématique principale du chauffage à distance au bois en Suisse est de contenir le coût du kWh produit. Les principaux points durs sont : un dimensionnement correct des chaudières, qui en plus de limiter les investissements, permet de privilégier un fonctionnement à puissance nominale ; les performances énergétiques et environnementales des chaudières, bien connues à la puissance nominale mais se dégradant à charge partielle ; une densité suffisante du réseau de chaleur, pour limiter le poids des investissements dans le coût de l’énergie vendue.

Un retour d’expérience complet a été mené sur l’installation de chauffage à distance au bois de Cartigny (CABC), mise en service en 2008. Il s’agit d’un chauffage à distance villageois créé à l’occasion de l’installation des deux chaudières bois de 2 MW et 650 kW. Le réseau mesure 6 km pour environ 120 raccordements (essentiellement des villas). La pré-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’influence du fonctionnement des chaudières bois à charge partielle sur le rendement et les émissions - le dimensionnement de l’installation par rapport aux besoins réels

- la densité réseau

- le coût de la chaleur vendue (en comparaison avec d’autres installations)

Méthodologie de mesure

L’installation a été complètement instrumentée (25 capteurs) sur toute l’année 2011. Certaines mesures n’étaient pas réalisables en continu (rendement, émissions) et ont été menées sous forme de campagnes permettant de couvrir toute la gamme de puissance des deux chaudières.

Un des points centraux de ce travail est la mesure du rendement instantané des chaudières bois.

Habituellement, on utilise la méthode de Siegert, qui permet d’estimer le rendement de manière indirecte en quantifiant les différentes sources de pertes :

1 1

Siegert

Q

i

Q

sensibles

Q

rayonnement

Q

chimiques

Q

imbrûlés

        

Cependant, cette méthode n’est pas applicable en période de stand-by et n’avait jamais été vérifiée par une mesure directe du rendement. En effet, une mesure directe du rendement instantané de la chaudière, i.e. en mesurant l’énergie entrante et l’énergie sortante de la chaudière :

_ _

_ out t direct t

in t



_ ^



 

 



est difficile à réaliser car la mesure instantanée du débit de bois et de son humidité est délicate. Ce travail a été l’occasion de tester un dispositif de mesure du débit de bois en continu. Les deux méthodes de mesure du rendement ont donc pu être appliquées en parallèle sur l’installation de Cartigny sur toute la gamme de puissance des chaudières et leurs résultats comparés.

Parallèlement aux mesures de rendement, des mesures d’émissions polluantes (CO et NOx) ont été menées également sur toute la gamme de puissance des chaudières afin de comparer les émissions réelles aux normes applicables. Les mesures de notre appareillage portable ont été comparées avec celles prises simultanément par les instruments du Service de protection de l’air, présent lors d’une de nos campagnes : les valeurs sont cohérentes.

L’ensemble des mesures a permis de réaliser l’analyse énergétique et environnementale complète du site.

Analyse énergétique et environnementale

Bilan énergétique sur l’année 2011

 Flux énergétiques

Les différents flux d’énergie en jeu sur l’installation de Cartigny pour l’année 2011 sont présentés dans le diagramme ci-dessous :

A noter que l’année 2011 a été particulièrement douce, et que la consommation des preneurs se situe autour de 4 GWh plutôt que 5 pour une année normale.

Les différentes pertes (production et distribution) ont été répertoriées dans le tableau ci-dessous pour l’année 2011. Les estimations pour une année normale ont également été reportées en italique.

énergie primaire pertes production pertes distribution consom. utile

2011 6.2 GWh 0.9 GWh 14.5% 1.3 GWh 21% 4 GWh 64.5%

hiver 5.25 0.8 15% 0.9 17% 3.55 68%

été 0.95

85%

conso

hiver 0.1 10% 0.4 43% 0.45 47%

année normale 7.4 GWh 1.1 GWh 15% 1.3 GWh 17.5% 5 GWh 67.5%

Le rendement global de l’installation est de 64% sur 2011 (il a été estimé à plus de 67% pour une année normale).

Le rendement de production moyen s’élève à 85%. Les pertes réseau rapportées à l’énergie distribuées sont élevées (25%) du fait de la faible densité du réseau, mais seraient légèrement inférieures dans le cas d’une année normale (20-21%).

 Dimensionnement

Le choix de réaliser une installation 100% bois (sans énergie d’appoint) implique que les chaudières bois sont surdimensionnées pour disposer d’une sécurité de puissance. Ainsi, la puissance disponible est de 2.65 MW tandis que la puissance maximale appelée dans l’année est inférieure à 2 MW. Cela aboutit à seulement 2’000 heures de fonctionnement équivalent à puissance maximale en 2011 (2400 h pour une année normale), et des périodes prolongées de fonctionnement en stand-by surtout pour la petite chaudière, préjudiciables pour sa durabilité.

chaudière bois 2 MW chaudière bois 650 kW global bois

nb heures équiv. Pmax 1’400 h 2’400 h 2’000 h

% énergie fournie 59% 34% 93%

% temps stand-by/30% 17% 72%

Caractérisation du fonctionnement des chaudières

 Niveaux température

Les deux chaudières fonctionnent à des températures similaires, Tproduction>80°C, et Tretour>70°C avec une différence de température de l’ordre de 10K. Le réseau fonctionne avec une température de départ >75°C (même en été) et une température de retour de l’ordre de 60-70°C (différence de température entre 10 et 15K).

 Excès d’air

L’excès d’air sur les chaudières à Cartigny est généralement compris entre 1.5 et 2 dès lors qu’on dépasse un taux de charge de 50%, ce qui est plutôt élevé (on préconise en général autour de 1.5). Il augmente encore lorsque le taux de charge diminue en dessous de 50%.

 Humidité du bois

L’humidité du bois utilisé à Cartigny est majoritairement comprise entre 30 et 35% (plus faible en été, autour de 30% grâce au temps de stockage plus important qu’en hiver).

 Rendement

Le rendement des deux chaudières a été mesuré sur toute la gamme de puissance (moyennes horaires) suivant les deux méthodes directe et indirecte (Siegert) :

0 20 40 60 80 100

 [%] _{1h GC}

Moyenne Mode Stand-by GC

1h Siegert GC

Robust fit _GC Robust fit _Siegert

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80 100

Taux de charge_consigne [%]

 [%] _{1h PC}

Moyenne Mode Stand-by PC

1h Siegert PC

Robust fit _PC Robust fit _Siegert

Rendement moyen GC mesuré : 82.6% ( = 7.4%) Rendement moyen GC Siegert : 84.2% ( = 1.8%)

Rendement moyen PC mesuré : 89.9% ( = 5.3%) Rendement moyen PC Siegert : 88.5% ( = 1%)

grande chaudière

petite chaudière

On peut relever les résultats suivants :

- Pour les deux chaudières et selon les deux méthodes, le rendement est quasi invariant en fonction de la puissance fournie (i.e. du taux de charge), ce qui est contraire à ce qu’on s’attendait à observer a priori.

- Le rendement mesuré durant les phases stand-by/30% n’est pas différent du rendement mesuré lors du fonctionnement à puissance plus élevée alors qu’on s’attendrait à observer une dégradation importante de sa valeur.

- Le rendement moyen sur toute la gamme de mesure s’élève à 83% pour la grande chaudière (84% selon la méthode de Siegert) et 90% pour la petite chaudière (88.5% selon la méthode de Siegert). Les résultats obtenus par les deux méthodes sont cohérents (+/-1.5 point). Les niveaux de rendement observés sont plutôt bons, conformes aux valeurs annoncées par les constructeurs en général.

 Emissions atmosphériques

Les émissions de CO et NOx ont été mesurées pour les deux chaudières sur toute la gamme de puissance (moyennes horaires) :

0 500 1000 1500 2000 2500

taux CO/NOx [mg/m3 ]

CO_{1h GC} NOx_{1h GC}

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 500 1000 1500 2000 2500

Taux charge_consigne [%]

taux CO/NOx [mg/m3 ]

CO_{1h PC} NOx_{1h PC}

Taux de charge min. SPair = 60% P

nom

Taux de charge min. SPair = 60% P

nom

grande chaudière

petite chaudière

Limite SPair CO / NOx 250 mg/Nm³

Limite SPair CO / NOx 250 mg/Nm³

On peut faire les observations suivantes :

- Pour les deux chaudières, les taux de NOx mesurés dans les fumées varient peu avec le taux de charge et sont toujours inférieurs à la norme OPair de 250 mg/Nm³ (applicable au-delà d’un taux de charge de 60%).

- Les taux de CO varient fortement : de manière classique, ils augmentent lorsque le taux de charge diminue. Si la grande chaudière respecte globalement la norme OPair de 250 mg/Nm³ (en dessus de 60% de taux de charge), les émissions de la petite chaudière sont moins bonnes, mais elles pourraient être améliorées par une meilleure gestion des paramètres de combustion (excès d’air notamment).

Densité réseau

La densité du réseau est de 0.9 MWh/m tracé/an. Cette valeur est faible comparée à d’autre réseaux similaires : le thermo-réseau de Porrentruy (alimenté à plus de 95% par du bois) présente une densité réseau de 1.9 MWh/m tracé/an ; les réseaux de chaleur bois français de puissance comparable ont une densité de l’ordre de 3 MWh/m tracé/an. Les grands réseaux genevois ont une densité bien plus élevée (6 pour CADIOM et 8.8 pour CAD Lignon), la moyenne suisse étant à 4.1. Le projet de raccordement de La Petite Grave, située à 1 km de la chaufferie, ferait encore baisser la densité réseau à 0.8 MWh/m tracé/an. A noter que les bonnes pratiques préconisent une densité minimale de 1.3 à 1.5 MWh/m tracé/an (respectivement Quality Management

« Chauffages au bois » et fonds chaleur renouvelable de l’ADEME).

Analyse économique

En complément de l’analyse énergétique, une analyse économique de l’installation de Cartigny a été réalisée.

L’Université de Genève a eu accès à l’ensemble des données économiques du projet : investissements, bilan comptable de la société CABC (chargée de la gestion des installations) de 2008 à 2011, factures aux clients de CABC.

Investissements

Les investissements se sont élevés à 10 MCHF, dont plus de la moitié pour la construction du réseau et des sous stations, un quart pour le bâtiment et environ 15% pour les installations techniques (chaudières). Le Scane a versé en 2008 une subvention à hauteur de 150'000 CHF.

Charges et Subvention du Centime Climatique

Les coûts annuels se décomposent de la manière suivante : 40% pour l’achat de combustibles, 40% pour l’amortissement de l’investissement et 20% pour l’exploitation, l’entretien et les autres charges, soient environ 60%

de charges fixes quelle que soit la consommation de chaleur sur le réseau. La Fondation du Centime Climatique octroie une subvention d’environ 3 ct/kWh utile durant 5 ans (reconductible).

Coût de l’énergie

Le coût de revient du kWh est très variable d’une année à l’autre selon la consommation de chaleur : de 21 à 28 ct/kWh, soit 18 à 25 ct/kWh à charge de l’utilisateur final après subvention par le Centime Climatique.

En effet, la « part fixe » dans le coût du kWh augmente beaucoup les années où il y a peu de consommation (2011) car il faut dans tous les cas rembourser les investissements. On peut considérer que le coût du kWh subventionné à Cartigny va se stabiliser à terme autour des 22 ct/kWh.

Comparaison avec d’autres installations

Si on compare le coût (subventionné) du kWh bois avec le coût de la chaleur mazout (en considérant des coûts fixes de 2 ct/kWh et un rendement annuel de 60 à 80%), la zone d’équilibre de coût se situe entre 1.1 et 1.5 CHF/litre de mazout. Le prix du mazout s’est élevé en 2012 à 1.03 CHF/litre, ce qui est proche de l’équilibre avec CABC. En comparaison avec les réseaux de chaleur français au bois de même taille, le prix payé par les usagers français est deux fois plus faible que celui payé par les usagers de Cartigny (9 ct/kWh contre 22 ct/kWh), majoritairement grâce à la subvention de 60% à l’investissement octroyée par le fonds chaleur renouvelable de l’ADEME. Deux autres facteurs qui entrent en compte également sont la densité réseau (moyenne de 3 MWh/m tracé/an sur les réseaux français contre 0.9 à Cartigny) et le dimensionnement des chaudières bois (60% de la puissance souscrite pour les réseaux français contre plus de 100% dans le cas de Cartigny). Au final, la répartition entre part fixe et part variable sur les réseaux français est de 1/3-2/3, soit l’inverse de Cartigny. Un subventionnement de Cartigny à hauteur de 60% au moment de l’investissement aurait conduit à un prix payé par l’usager de l’ordre de 14 ct/kWh (contre 22 aujourd’hui), et un coût de revient de 21 ct/kWh (contre 25 aujourd’hui) grâce à l’amortissement immédiat d’une grande partie de l’investissement. La répartition entre part fixe et part variable aurait été ramenée à moitié-moitié.

Mode de facturation

Le mode de facturation adopté par CABC est un peu différent du mode de facturation habituel : d’ordinaire, la facture pour l’usager se décompose en une part fixe (ou abonnement) liée à une puissance souscrite (CHF/kW/an) et permettant de couvrir les frais fixes (R2), et une part variable liée à la consommation réelle de l’année concernée (ct/kWh consommés) et permettant de couvrir les achats de combustibles (R1). Dans le cas de CABC, la facture est également en deux parties : une partie redevance (ct/kWh souscrits) fixée pour couvrir l’amortissement des installations en fonction d’une « consommation annuelle souscrite » déterminée à partir de la consommation réelle des années 2009 et 2010, et une partie consommation (ct/kWh consommés) permettant de couvrir les frais d’exploitation et d’entretien et les achats de combustibles. A notre sens, ce mode de facturation est confus puisqu’on est tenté d’ajouter la part « redevance » et la part « consommation » pour obtenir le prix du kWh final, or cela n’a pas de sens physique puisque les deux composantes ne se rapportent pas aux mêmes kWh et cela conduit d’ailleurs à sous estimer le prix du kWh par rapport à ce que l’usager paie réellement. Nous recommandons de revenir à un mode de facturation plus traditionnel.

Recommandations

Recommandations générales pour les futurs projets CAD bois

Le Quality Management « Chauffages au bois » propose depuis plus de 10 ans un accompagnement au montage des projets de chauffage à distance au bois. A notre sens, le recours au QM bois dès la conception devrait être généralisé pour garantir une réalité technique et économique à l’installation. On peut relever les préconisations suivantes :

- Viser une densité réseau >1.5 MWh/m tracé/an (CABC : 0.9 MWh/m tracé/an) pour limiter les pertes réseau (CABC : 20%) et les investissements liés à la construction du réseau (CABC : >50% du montant total), qui seront difficiles à amortir étant données les faibles consommations de chaleur.

- Dimensionner la chaudière bois à 50-60% de la puissance maximale appelée sur le réseau et compléter par une chaudière d’appoint/secours au mazout ou au gaz. Cela permet de limiter les investissements (chaudière bois 10 fois plus onéreuse qu’une chaudière conventionnelle à puissance égale) et de compenser le surdimensionnement potentiel à cause de l’incertitude sur la puissance maximale consommée par les preneurs.

Néanmoins, des projets ne répondant pas à ces recommandations peuvent être envisagés, en étudiant précisément l’équilibre technique et économique de l’installation. Il serait intéressant de s’inspirer des modèles scandinaves, qui exploitent des réseaux de densité comparable à celle de CABC de manière économique.

Conditions cadres pour le développement du chauffage à distance au bois en Suisse

Le développement du chauffage à distance à bois est considéré comme un axe prioritaire des politiques de développement des énergies renouvelables en Europe. La place du chauffage à distance à bois dans la Stratégie énergétique 2050 de la Suisse ne semble par contre pas très claire : si la contribution absolue devrait augmenter dans un 1^er temps (jusqu’à 2020), elle devrait ensuite redescendre avec la réduction planifiée de la consommation d’énergie finale en 2050. Or le développement d’une filière telle que le chauffage à distance à bois s’entend sur le long terme, que ce soit pour la mise en place des filières d’exploitation du bois ou des infrastructures lourdes que sont les réseaux de chaleur.

De cette ambiguïté découle une insécurité dans les dispositifs de subventionnement des réseaux de chaleur à bois. Tandis que d’autres pays comme la France ont mis en place des fonds de subventionnement massif tels que le fonds chaleur renouvelable (finance jusqu’à 60% des coûts d’investissement), en Suisse c’est en majorité le consommateur final qui finance le surcoût d’investissement, avec des taux de subventions très aléatoires d’un projet à l’autre. Ainsi, entre 2009 et 2011, les subventions allouées aux CAD bois s’élevaient à moins d’1 CHF/hbt/an en Suisse contre 3 fois plus en France sur la même période. Or un développement massif des réseaux de chaleur est à notre sens incontournable pour parvenir à augmenter significativement la pénétration des énergies renouvelables dans notre mix énergétique. Aussi, nous préconisons la création d’un fonds de subventions alimenté (par une taxe affectée par exemple) pour le développement des réseaux thermiques efficients (pas seulement alimentés au bois).

Conclusion

Le projet de chaufferie collective au bois à Cartigny est un projet novateur dans le sens où il s’est monté essentiellement grâce à la conviction de quelques acteurs. La possibilité de mener un suivi complet en toute transparence a permis de tirer de multiples enseignements pour les projets à venir.

Le suivi a montré que l’installation de chauffage au bois de Cartigny fonctionne correctement avec un bon niveau de rendement et des émissions globalement maîtrisées. Les problèmes principaux résident dans le surdimensionnement des chaudières bois, qui entraîne un fonctionnement au minimum de charge durant de longues périodes (surtout pour la petite chaudière l’été) et dans la faible densité du réseau, qui aboutit à des pertes réseau importantes (>20%).

Le coût du kWh résultant est supérieur au prix annoncé lors du montage du projet (14 ct/kWh contre 22 en réalité).

Il est pénalisé par le faible taux de subventions, la faible densité du réseau et le surdimensionnement des chaudières. Malgré tout, il n’est pas si éloigné de l’équilibre avec le coût de la chaleur mazout, qui sera probablement atteint dans les prochaines années. En outre, les usagers profitent de plusieurs avantages qui ne sont pas à négliger : ils bénéficient d’une prestation finale (chaleur utile), sans avoir à se soucier de commander du mazout, de l’entretien ou des pannes voire du remplacement de leur chaudière. Enfin les prix à Cartigny seront stables dans le temps, contrairement aux prix du mazout.

Certaines améliorations pourraient être entreprises dans la gestion économique de l’installation (en plus de quelques optimisations techniques minimes). Le mode de facturation de la chaleur devrait être revu pour revenir à un mode de facturation plus traditionnel composé d’une prime de puissance (CHF/kW/an) et d’une part variable en fonction de la consommation (ct/kWh consommé), qui a l’avantage d’être complètement transparent pour l’usager sur la nature des coûts. D’autre part, maintenant que les coûts annuels se sont stabilisés, nous préconisons la mise en place d’un « fonds de roulement » via le prélèvement d’1 centime sur chaque kWh vendu par exemple, qui permettrait de gérer les imprévus d’exploitation et ainsi de lisser le prix de la chaleur d’une année à l’autre (sans effet sur le coût global pour l’usager).

Enfin, nous insistons sur la nécessité de créer un fonds alimenté dont la vocation serait de subventionner significativement la construction des réseaux de chaleur efficients, afin que le poids du surinvestissement ne repose pas uniquement sur l’usager final. La mise en place d’un tel dispositif est à notre sens indispensable si on veut développer massivement les réseaux pour permettre une pénétration importante des énergies renouvelables dans notre système énergétique.

Table des matières

G

LOSSAIRE

... 19

I

NTRODUCTION

... 21

I C

HAPITRE 

I :

 

C

ONTEXTE GENERAL

... 23

I.A Revue bibliographique...23

I.A.1 Valorisation énergétique de la biomasse...23

I.A.2 Combustion du bois...26

I.A.3 Chauffage collectif au bois...29

I.B Projet Audit’bois...43

I.B.1 Faut‐il développer le chauffage à distance au bois ?...43

I.B.2 Problématique du chauffage à distance au bois...43

I.B.3 Objectifs du projet Audit’bois...44

I.B.4 Groupe d’accompagnement...44

I.C Chauffage à bois de Cartigny...46

I.C.1 Historique du projet...46

I.C.2 Situation...46

I.C.3 Acteurs...47

I.C.4 Installations...47

I.C.5 Hypothèses de la pré‐étude technique...52

II C

HAPITRE 

II :

 

M

ETHODOLOGIE DE MESURE

... 55

II.A Concept de mesure...55

II.A.1 Mesures réalisées...55

II.A.2 Grandeurs mesurées...56

II.B Méthodes de mesure du rendement instantané des chaudières...57

II.B.1 Méthode directe...57

II.B.2 Méthode indirecte (Siegert)...58

II.C Protocoles de mesure...60

II.C.1 Débit de bois...60

II.C.2 Humidité du bois...61

II.C.3 PCI du bois...63

II.C.4 Carbone résiduel dans les cendres...64

II.C.5 Taux d’oxygène résiduel...65

II.C.6 Excès d’air...66

II.C.7 Emissions atmosphériques...66

II.C.8 Comptage des consommations de chaleur et pertes sur le réseau...68

II.D Conclusion...69

III C

HAPITRE 

III :

 

A

NALYSE ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE

... 71

III.A Bilan énergétique (année 2011)...71

III.A.1 Flux énergétiques...71

III.A.2 Courbes classées...73

III.A.3 Signature énergétique...75

III.B Fonctionnement général de l’installation (mesures permanentes)...76

III.B.1 Fonctionnement général de la chaufferie...76

III.B.2 Fonctionnement des chaudières...78  

       

III.C Performances des chaudières (campagnes de mesure)...83

III.C.1 Humidité du bois...83

III.C.2 Excès d’air...84

III.C.3 Rendement...85

III.C.4 Emissions atmosphériques...89

III.C.5 Cendres...94

III.D Bilan du réseau...95

III.D.1 Pertes réseau (année 2011)...95

III.D.2 Densité du réseau...96

III.D.3 Extension Petite Grave...97

III.D.4 Comparaison avec d’autres réseaux...98

III.D.5 Bonnes pratiques admises...99

III.D.6 Comparaison avec d’autres pays européens...100

III.E Conclusion...102

IV C

HAPITRE 

IV :

 

A

NALYSE ECONOMIQUE

... 105

IV.A Introduction...105

IV.B Coût de l’énergie produite à Cartigny...106

IV.B.1 Investissements...106

IV.B.2 Bilan des charges 2008‐2011...108

IV.B.3 Subventions...112

IV.B.4 Coût au kWh...114

IV.B.5 Coûts réels et prix facturés...115

IV.C Comparaison du coût de la chaleur CABC avec celui d’autres installations...119

IV.C.1 Installations individuelles au mazout...119

IV.C.2 Réseaux de chaleur français alimentés au bois...122

IV.C.3 Pistes d’optimisation économique...123

IV.D Conclusion...127

V C

HAPITRE 

V :

 

R

ECOMMANDATIONS GENERALES

... 129

V.A Pour l’installation de Cartigny...129

V.A.1 Gestion technique de l’installation...129

V.A.2 Gestion économique...129

V.A.3 Extension du réseau à La Petite Grave...130

V.B Pour les futurs projets CAD bois...131

V.B.1 Dimensionnement et complémentarité avec d’autres sources d’énergie...131

V.B.2 Densité réseau...133

V.B.3 Tarification du bois...134

V.C Conditions cadres pour un développement du CAD bois en Suisse...136

V.C.1 Cadre institutionnel...136

V.C.2 Organisation de la filière...141

V.D Conclusion...144

C

ONCLUSION ET PERSPECTIVES

... 145

R

EFERENCES

... 147

A

NNEXES

... 151

Glossaire

ADEME Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie http://www.ademe.fr

AMORCE Association des collectivités locales et des professionnels pour une bonne gestion locale des déchets et de l’énergie http://www.amorce.asso.fr

ASCAD Association Suisse du Chauffage à Distance http://www.fernwaerme-schweiz.ch

CABC Chauffage A Bois de Cartigny

CAD Chauffage A Distance

CAD Lignon Chauffage A Distance du Lignon

CADIOM Chauffage A Distance par l’Incinération des Ordures Ménagères aux Cheneviers CIBE Comité Interprofessionnel du Bois-Energie http://www.cibe.fr

COP Coefficient de Performance

DJ12/18 Degré-Jour

12/18

(18

ext moyjour

)

ext moyjour

12

année

DJ    T si T  ^ C

(on considère que les bâtiments sont chauffés à 18°C et qu’en dessus de 12°C, il n’y a pas besoin de chauffage)

Le Scane publie les DJ12/18 pour Genève, mesurés à Cointrin.

DNP Direction générale de la Nature et du Paysage du canton de Genève http://etat.geneve.ch/dt/nature/accueil.html

ECS Eau Chaude Sanitaire

EF Electrofiltre

FAM Filtre à manches

GC Grande chaudière

HT Hors taxes

OCSTAT Office cantonal de la statistique du canton de Genève http://www.ge.ch/ocstat OEng Ordonnance sur les engrais [OEng; 2001]

OFAG Office fédéral de l’agriculture http://www.ofag.admin.ch OFEV Office fédéral de l’environnement http://www.bafu.admin.ch/fr OLen Ordonnance sur le Livre des engrais [OLen; 2007]

OPair Ordonnance pour la protection de l’air [OPair; 1985]

ORRChim Ordonnance sur la réduction des risques liés aux produits chimiques [ORRChim; 2005]

PC Petite chaudière

PCI Pouvoir Calorifique Inférieur : 5 kWh/tonne pour du bois sec PMx Particulate Matter : poussières de diamètre inférieur à x µm QM bois Quality Management Chauffages au bois

Scane Service de l’énergie du canton de Genève (aujourd’hui OCEN) http://etat.geneve.ch/dt/energie/accueil.html

SIG Services Industriels de Genève http://www.sig-ge.ch

SNCU Syndicat National du Chauffage Urbain et de la Climatisation Urbaine http://sncu.fr SPAir Service de protection de l’air du canton de Genève

http://etat.geneve.ch/dt/air/accueil.html

TTC Toutes Taxes Comprises

TVA Taxe sur la Valeur Ajoutée

Unige Université de Genève

VLE Valeurs Limites d’Emission [mg/Nm³]

kWh/MJ 1 kWh=3.6 MJ

Nm³ Volume de gaz dans les conditions standard de température et de pression (0°C, 1 atm)

Introduction

Le bois énergie est une ressource renouvelable importante : en Suisse il représente plus de 20% de la consommation d’énergie finale d’origine renouvelable et 4% de la consommation totale d’énergie finale. Le chauffage à distance au bois est reconnu comme une des voies les plus efficientes pour développer massivement le bois énergie en Europe. Cependant, son développement reste modéré en Suisse, où peu de dispositifs de subventionnement existent malgré le poids des investissements. Des projets voient néanmoins le jour, comme le chauffage à distance villageois de Cartigny, qui a été mené à terme par quelques personnes convaincues. Le projet est parti de la volonté du maire de réduire l’impact énergétique des installations communales par l’installation d’une chaufferie communal au bois, mais le projet s’est rapidement étendu au reste de la commune, d’autant plus que les possibilités de rénovation de l’enveloppe des bâtiments sont restreintes par le classement au patrimoine du village de Cartigny. Finalement, c’est une chaufferie bois de 2.65 MW alimentant 130 preneurs (essentiellement des villas) via 6 km de réseau qui a démarré en 2008.

Intéressée par le côté exemplaire d’un projet qui s’est monté grâce à la conviction forte de quelques personnes, l’Université de Genève a proposé de réaliser un retour d’expérience complet sur l’installation de Cartigny après plusieurs années de fonctionnement. Le projet Audit bois a été financé conjointement par l’Université, les services cantonaux (Scane et DNP), Energie Bois Suisse, l’entreprise Serbeco et la fondation Schmidheiny. L’objectif initial était d’évaluer l’impact de la variation du taux de charge des chaudières bois sur leur rendement et sur leurs émissions atmosphériques. L’étude a par la suite été complétée par une analyse économique de l’installation.

Nous tenons à souligner l’importance de réaliser des retours d’expérience de ce type, et l’exemplarité des acteurs de ce projet qui ont spontanément accepté de mettre à disposition de l’Université aussi bien les installations de chauffage (pour l’analyse technique), leurs compétences (pour l’appui au suivi) que les données économiques du projet, et ce en toute transparence. Certains résultats présentés dans cette étude peuvent paraître mitigés, mais ils constituent en réalité des enseignements précieux pour les projets à venir.

Après une description du projet, la méthodologie de mesure développée spécifiquement dans le cadre de ce travail est présentée en détail. Puis le résultat du suivi énergétique et environnemental sur une année complète est présenté : en plus d’une analyse globale des flux énergétiques sur l’année 2011, le fonctionnement des chaudières (températures, puissance, excès d’air…) est illustré sur des périodes choisies et l’évolution du rendement et des émissions atmosphériques a été quantifié sur toute la gamme de puissance des chaudières. Une analyse économique (coût du kWh comparé à d’autres installations) complète l’analyse technique. Enfin, des recommandations sont proposées pour l’installation de Cartigny et plus généralement pour le développement de la filière du chauffage à distance au bois en général.

I Chapitre I : Contexte général

I.A Revue bibliographique

I.A.1 Valorisation énergétique de la biomasse

I.A.1.a Ressources biomasse

On entend par « biomasse » l’ensemble de la matière organique d’origine animale ou végétale. Les ressources en biomasse pour la production d’énergie sont très variées. De manière non exhaustive, en Europe, on peut les classer en 4 grandes familles :

 Bois : ressource la plus classique ; naturel, issu de l’industrie du bois (écorces, sciure, pellets) ou directement de l’exploitation forestière (plaquettes forestières) ou usagé (palettes, cagettes).

 Sous-produits agricoles : résidus de l’industrie agro-alimentaire (paille de blé, tourteaux de soja).

 Cultures énergétiques : cultures dédiées à la production d’énergie ; annuelles (céréales : tournesol, colza) ou en taillis à courte rotation (2-5-10 ans : peuplier, saule, miscanthus, switchgrass).

 Déchets organiques : déchets de cuisine et d’entretien des espaces verts, boues de station d’épuration, déchets agricoles (lisiers, fumiers).

I.A.1.b Voies de valorisation énergétique possibles

Ces différents types de biomasse peuvent être valorisés suivant différentes filières de transformation (cf. Figure 1).

On distingue deux grandes voies :

 La voie biochimique : essentiellement pour la production de biocarburants (fermentation alcoolique, hydrolyse enzymatique) et le traitement des déchets organiques (méthanisation).

 La voie thermochimique : pour la production de chaleur et/ou d’électricité (combustion, gazéification) et de biocarburants de 2^ème génération (couplé avec procédé Fischer-Tropsch).

COPRODUITS AGRICOLES

DECHETS ORGA NIQUES INDUSTRIELS DECHETS ORGA NIQUES MENAGERS CULTURES DEDIEES

Fumiers / lisiers Paille Bois naturel

Bois usagé

Maïs, Blé Colza

lavures

jardin Cuisine lactosérum Déchets de légumes

Marc de raisin, ceps de vignes

Combustion

Compostage Méthanisation

liquide

Méthanisation solide Gazéification

Valorisation énergétique

Ressources Transformations

Possibilité de composter sans valorisation énergétique

Biogaz

Digestat Trans-

estérification Fermentation /

distillation

turbine vapeur

Fischer- Tropsch

moteur

Traitement

Valorisation Matière

Gaz de synthèse

Bioéthanol Biodiesel AGRICULTURE

DECHETS

Possibilité de produire Bois d’œuvre, meubles ou panneaux de particules

Valorisation Matière

FORÊT

Figure 1 : Principales filières de valorisation énergétique des différentes biomasses en Suisse (source : [Faessler; 2011])

I.A.1.c Statistiques et potentiel du bois énergie en Suisse

La Statistique suisse des énergies renouvelables 2011 [OFEN; 2012c] et la Statistique globale suisse de l’énergie 2011 [OFEN; 2012b] permettent d’identifier la part du bois dans la consommation finale d’énergie en Suisse (cf.

Figure 2) :

Figure 2 : Consommation finale d’énergie en Suisse pour l’année 2011 [OFEN; 2012c]

Le bois utilisé pour la production de chaleur est de l’ordre de 4% de la consommation totale d’énergie finale en Suisse.

Remarque : La part de bois consommée pour la production de chaleur à distance ainsi que celle utilisée pour la production d’électricité n’est pas comptabilisée dans la valeur de 3.95% (33'667 TJ) mentionnée sur la Figure 2. La chaleur à distance et l’électricité produites par le bois sont respectivement de 851 et 692 TJ.

La chaleur à distance produite par le bois représente un peu plus de 5% du total de la chaleur à distance produite en Suisse (le reste étant en grande partie issu des ordures ménagères) et 0.1% de l’énergie finale totale.

Le bois consommé pour la production de chaleur à distance représente 2.5% du total du bois consommé en Suisse pour la production d’énergie.

L’OFEV a quantifié en 2012 le potentiel supplémentaire de bois-énergie selon la Politique forestière 2020 [OFEV;

2013] de la Confédération :

Tableau 1 : Situation du bois-énergie en 2008 et potentiel pour 2020 (source : OFEV¹)

La potentiel supplémentaire par rapport à 2008 est estimé à 19’000 TJ (5.4 TWh) soit environ la moitié de ce qui est consommé à l’heure actuelle (10.7 TWh38'000 TJ), ce qui représenterait 6% de la consommation d’énergie finale (dans l’hypothèse où celle-ci n’évolue pas d’ici 2020) contre 4 aujourd’hui.

I.A.1.d Chauffage à distance au bois en Suisse

L’OFEV a publié une carte illustrant l’implantation des chaufferies bois de plus de 50 kW à fin 2010 :

1 « Potentiel du bois‐énergie Suisse », Office Fédéral de l’Environnement, 2012, disponible sur 

http://www.bafu.admin.ch/wald/01234/01240/index.html?lang=fr, consulté en juin 2013 

Figure 3 : Implantation des chaufferies bois de plus de 50 kW en Suisse (source : OFEV²)

Il est intéressant de constater que la majorité des installations sont concentrées en Suisse alémanique, et beaucoup plus dispersées en Suisse romande. Les grosses installations sont cependant rares, la majorité des installations (en nombre) semble être de petites chaudières.

I.A.2 Combustion du bois

I.A.2.a Composition du bois

Le bois sec est principalement composé des éléments carbone, hydrogène, oxygène, azote. La formule chimique du bois sec est donc de la forme : CxHyOzNu.

Les proportions des différents éléments varient faiblement d'une essence à l'autre car les constituants du bois (cellulose, hémicelluloses et lignine) sont les mêmes pour tous les bois. Massard [1997] donnent par exemple les valeurs suivantes (fractions massiques) : carbone : 50%, hydrogène : 5.8%, oxygène : 43.2%, azote : 1%. En fraction molaires, on obtient : carbone : 33.7%, hydrogène : 44.5%, oxygène : 21.2%, azote : 0.6%, soit la formule chimique suivante : C33.7H45.5O21.2N0.6.

En outre, le bois présente également un faible taux de matières minérales qui constituent les cendres (1 à 3% de la masse sèche) ainsi que de l’humidité. Avant séchage, le bois peut contenir jusqu'à 50% d'eau. Après séchage naturel, il conserve une humidité comprise entre 20 et 40% suivant les conditions et le temps de stockage.

2 http://www.bafu.admin.ch/wald/01234/01240/index.html?lang=fr, consulté en juin 2013 

I.A.2.b Processus de combustion

D'un point de vue chimique, la combustion du bois est une réaction d’oxydation du bois en dioxyde de carbone et vapeur d’eau, qui libère de l’énergie. Il s’agit en réalité d’un processus de transformation comprenant plusieurs étapes (cf. Figure 4) :

 Séchage : évaporation de l’eau contenue dans le bois.

 Pyrolyse : dégradation thermique du bois conduisant à la production du char (résidu solide essentiellement composé de carbone, environ 30% de la masse initiale) et de matières volatiles (huiles/goudrons et gaz incondensables, environ 70% de la masse initiale).

 Oxydation hétérogène : combustion du char (solide) grâce à l’apport d’air de combustion.

 Oxydation homogène : combustion des matières volatiles (gazeuses).

PYROLYSE

matières volatiles char

COMBUSTION

H₂O,CO₂, O₂, N₂

énergie

air SECHAGE

T< 200°C

300 <T< 700°C

T> 1100°C homogène et hétérogène

cendres

•CO (imbrûlés gazeux)

•NOx(thermiques+combustible)

•poussières (cendres volantes +imbrûlés solides)

sous atmosphère inerte

Figure 4 : Processus de combustion du bois L’équation générale de la combustion est la suivante :



_{2 2}



_{2 2 2 2}

2 2 77 4

. 2 3

77 . 2 3

4 y z u N

v x vSO

O yH xCO N

z O v y

x S N O H

C_{x y z u v} 

 



 



 



   









 



 



   



x, y, z, u, v : Fractions molaires de C, H, O, N, S dans le bois

I.A.2.c Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du bois sec varie peu d’une essence à l’autre. La valeur usuelle pour le bois sec est de 18'000 kJ/kg (5'000 kWh/t).

Le PCI du bois est par contre fortement influencé par son humidité, car l’eau initialement contenue dans le bois doit être évaporée avant la combustion. La Figure 5 présente l’évolution du PCI du bois selon son humidité :

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0 10 20 30 40 50 60 7

humidité du bois [%]

PCI [kWh/kg]

0

Figure 5 : Evolution du PCI du bois en fonction de son humidité

Ainsi, pour une teneur en eau de l’ordre de 30% (valeur couramment observée), le PCI du bois est de l’ordre de 3.3 kWh/kg contre 5 pour le bois sec.

I.A.2.d Technologies

Les technologies de combustion du bois sont nombreuses et très diverses selon la gamme de puissance et le combustible utilisé. Les principales sont présentées ci-après de manière non exhaustive.

 Appareils domestiques (P10 kW) On peut distinguer deux grandes familles :

- Les appareils à alimentation manuelle (bûches) : cheminée à foyer ouvert, insert, poêle ; utilisés historiquement pour le chauffage des maisons et aujourd’hui en appoint du système de chauffage principal, avec des performances très variables.

- Les appareils à alimentation automatique (pellets ou plaquettes forestières) : en général utilisés comme chauffage central avec circuit de distribution d’eau chaude.

 Chaudières collectives (P>0.1 MW)

Contrairement aux appareils domestiques, elles sont complètement automatisées. Les technologies diffèrent en fonction de la puissance considérée :

- P<1 MW : foyer volcan, foyer à grille horizontale fixe ou mobile (plaquettes forestières, bois déchiqueté, pellets).

- P> 1 MW : foyer à grille à gradins (inclinée) mobile ; les plus utilisées car les plus performantes et les plus flexibles en terme de combustible (plaquettes forestières, bois déchiqueté, sciure, copeaux, écorces…).

- P>10 MW : chaudières à lit fluidisé.

Les chaudières peuvent produire de l’eau chaude, de l’eau surchauffée ou de la vapeur en fonction des caractéristiques du réseau de chaleur.

I.A.3 Chauffage collectif au bois

I.A.3.a Fonctionnement d’une chaufferie bois

Le schéma simplifié d’une chaufferie bois collective typique est présenté en Figure 6.

Silo de stockage

et Extraction et transfert du bois vers la chaudière

àChaudière

(ventilateurs, grille, foyer, échangeur)

à Système de dépoussiérage et d’extraction des cendres

12

Silo de stockage

et Extraction et transfert du bois vers la chaudière

àChaudière

(ventilateurs, grille, foyer, échangeur)

à Système de dépoussiérage et d’extraction des cendres

12 12

Figure 6 : Schéma de principe général d’une chaufferie bois (modifié d’après Ajena)



Le bois est livré et stocké dans le silo dimensionné pour une autonomie de quelques jours à une semaine.



Un dispositif de convoyage automatique permet de transporter le bois du silo vers la chaudière.



L’alimentation en bois de la chaudière se fait par l’intermédiaire d’une vis sans fin (continu) ou d’un poussoir (discontinu). La puissance de la chaudière peut varier selon les besoins du réseau en général jusqu’à 30% de sa puissance nominale.



Le bois se déplace sur la grille (fixe ou mobile, incliné ou non au fur et à mesure de sa combustion.

Un lit se forme sur la grille au sein duquel le bois est d’abord séché, puis pyrolysé sous l’effet de la température.



Le ventilateur primaire fournit l’air nécessaire à la combustion hétérogène du char, tandis que



le ventilateur secondaire fournit l’air complémentaire nécessaire à la combustion homogène des matières volatiles (cf.

paragraphe I.A.2.b).



La combustion se poursuit dans la chambre de combustion.  Les fumées cèdent leur énergie à l’eau du réseau circulant dans la chaudière.



Les fumées refroidies sont aspirées grâce à un extracteur de fumées qui maintient la chaudière en dépression et sont conduites vers le système de dépoussiérage



. Les fumées épurées sont ensuite évacuées via la cheminée. Quant à eux, les résidus solides (cendres), passent à travers les barreaux de la grille vers un bac de récupération 11 et sont extraits de la chaudière pour êtres stockés dans un conteneur 12.

I.A.3.b Rendement : définition et méthodes de mesure

Le rendement de la chaudière est défini comme le rapport entre l’énergie entrante (contenue dans le bois) et l’énergie sortante (produite par la chaudière et distribuée sur le réseau de chaleur). La Figure 7 explicite les différentes puissances en jeu dans une chaudière bois et les sources de pertes thermiques.

P

_bois

P

_{air prim}

P

_{air sec}

P

_compteur

P

_ray

P

_fumées

P

_cendres

T_EF T_EC

P

_bois

P

_{air prim}

P

_{air sec}

P

_compteur

P

_ray

P

_fumées

P

_cendres

P

_bois

P

_{air prim}

P

_{air sec}

P

_compteur

P

_ray

P

_fumées

P

_cendres

T_EF T_EC

T_EF T_EC

Figure 7 : Puissances thermiques en jeu lors du fonctionnement d’une chaudière bois

Puissances entrantes Puissances sortantes

Pbois : pouvoir calorifique du bois Pcompteur : production de la chaudière

Pair prim et Pair sec : enthalpie de l’air de combustion Pfumées : enthalpie des fumées (+imbrûlés gazeux) Pray : échange des parois de la chaudière avec l’air ambiant par rayonnement et convection naturelle Pcendres : imbrûlés solides (+enthalpie des cendres) Les principales sources de pertes thermiques sont :

- Les pertes par les fumées : dues au fait que les fumées ne sortent pas à température ambiante.

- Les pertes par rayonnement : dues au fait que les parois de la chaudière sont chaudes. Ces pertes sont faibles à pleine puissance (1 à 2%) mais varient peu en valeur absolue à faible charge car la température des parois de la chaudière n’est pas très différente. Ainsi, à 10% de charge, elles atteindraient 10 à 20%.

- Fonctionnement en stand-by : lorsque la demande est très faible (en dessous du minimum technique de la chaudière), celle-ci se met en stand-by : l’alimentation en bois est coupée ou réduite au minimum nécessaire à l’entretien de la flamme. Un léger débit d’air est conservé pour éviter l’accumulation de gaz dangereux au sein de la chaudière : ce débit est à l’origine de pertes thermiques par balayage.

- Humidité du bois : plus le bois est humide, plus il va falloir d’énergie pour le sécher avant sa combustion. L’eau contenue dans le bois se retrouve sous forme de vapeur dans les fumées, et l’énergie de séchage du bois est perdue si on ne condense pas les fumées avant de les évacuer.

Au final, la plupart des constructeurs garantissent un rendement entre 80 et 85% pour les chaudières bois collectives.

Deux indicateurs de rendement de signification différente peuvent être évalués : rendement instantané ou rendement annuel.

 Rendement instantané

Deux méthodes existent pour mesurer le rendement instantané d’une chaudière bois (cf. Figure 7) :

- La méthode « directe », qui compare l’énergie sortant et l’énergie entrant dans la chaudière :

compteur direct

bois

P

  P

- La méthode « indirecte », qui permet d’estimer le rendement en quantifiant les différentes sources de pertes :



_Siegert

  1 P

_fumées

 P

_imbrûlés

 P

_ray

 Rendement annuel

Le rendement annuel peut être estimé de deux manières :

- Calcul global : compteur annuel annuel

bois annuel

Q



 Q

- Intégration du rendement instantané sur l’année complète

I.A.3.c Emissions atmosphériques

La combustion du bois dans une chaudière s’accompagne de la formation de polluants dont les principaux sont : - Monoxyde de carbone (CO)

- Oxydes d’azote (NOx) - Poussières

Remarque : le bois ne contient pas ou peu de soufre, et les émissions d’oxydes de soufre au cours de la combustion sont négligeables.

En Suisse, l’émission de ces polluants est réglementée par l’Ordonnance sur la protection de l’air [OPair; 1985].

Les valeurs limites d’émissions (VLE) suivantes sont applicables depuis le 1^er janvier 2012 :

Tableau 2 : Valeurs limites d’émissions des installations de combustion de bois de chauffage selon les normes OPair [1985]

Puissance calorifique

VLE en mg/Nm³ <70 kW 70<P<500 kW 500 kW<P<1 MW 1<P<10 MW P>10 MW

Taux O2 réf fumées 13% 13% 13% 11% 11%

Poussières - 50 20 20 10

CO 4000 500 500 250 150

NOx (équiv. NO2) 250 250 250 250 150

COV (carbone total) - - - - 50