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Caractérisation physico-chimique des particules issues du chauffage domestique au bois
Benoît Brandelet
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Benoît Brandelet. Caractérisation physico-chimique des particules issues du chauffage domestique au bois. Thermique [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2016. Français. �NNT : 2016LORR0287�.
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THÈSE
Pour l’obtention du titre de :
Docteur de l’Université de Lorraine
Spécialité : Sciences du Bois et des Fibres
Benoît BRANDELET
Date de soutenance : 13 Décembre 2016
Direction de la thèse : Yann ROGAUME et Caroline ROGAUME
Membres du jury :
Mme. Claire COURSON, Maître de Conférences HDR, Université de Strasbourg Rapporteur M. Jean-Luc JAFFREZO, Directeur de recherche CNRS, Université Joseph Fourier (Grenoble) Rapporteur Mme. Gwenaëlle TROUVE, Professeur, Université de Haute-Alsace (Mulhouse) Examinateur M. Pascal BOULET, Professeur, Université de Lorraine (Nancy)
Mme. Caroline ROGAUME, Maître de Conférences, Université de Lorraine (Epinal) Examinateur
Co-directrice de thèse M. Yann ROGAUME, Professeur, Université de Lorraine (Epinal) Directeur de thèse
Mme. Florence PROHARAM, Ingénieur ADEME (Angers) Invitée
Caractérisation physico-chimique des particules issues du chauffage domestique au bois
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4 Le monde est dangereux à vivre ! Non pas tant à cause de ceux qui le font mal, mais à cause de ceux qui regardent et laissent faire.
Albert Einstein, Mathématicien, Physicien, Scientifique (1879 - 1955)
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Résumé
Dans un monde où la transition énergétique et la réduction de l’empreinte écologique de l’Homme sont des véritables enjeux, le bois énergie doit s’accorder avec les considérations environnementales. Le chauffage domestique au bois est en particulier un secteur dont la part de marché en constante évolution lui impose de s’approcher au plus près de la neutralité écologique. La combustion de bois dans les appareils domestiques de chauffage mérite par conséquent que l’on s’intéresse à ses émissions polluantes. La problématique des émissions de particules fines, posant des risques sanitaires mais aussi environnementaux avérés, a été très médiatisée ces dernières années. La solution mise en place par les gouvernements consiste principalement à aider financièrement les particuliers pour renouveler le parc d’appareils. Or, une utilisation non optimisée d’un appareil performant peut dégrader de manière significative ses émissions polluantes. Ce travail de thèse s’est nourri de cette constatation initiale. Afin d’amender entre autres cette réflexion, de nombreuses campagnes expérimentales ont été menées au travers de caractérisations physico-chimiques complètes et surtout innovantes des fumées et en particulier des particules fines : la Microscopie Electronique à Balayage, la microanalyse X et la détermination du type de carbone constitutif (Carbone Elémentaire et Carbone Organique) ont nécessité d’adapter ou de développer des méthodologies d’analyses novatrices des particules fines issues de la combustion du bois. En premier lieu, la définition des paramètres d’utilisation de l’appareil et leurs niveaux de réponse ont permis de proposer une réduction significative des émissions dont celles de particules fines. Ainsi, dans ce travail de thèse, les impacts des paramètres comme la nature du combustible (essence, écorces, humidité), le mode d’allumage (inversé ou traditionnel) et l’injection d’air secondaire ont été quantifiés. Ces connaissances permettront d’adapter les utilisations des appareils de chauffage domestique au bois aux nouvelles problématiques environnementales. Pour mieux comprendre l’origine des émissions générées quelle que soit la qualité de la combustion (même si les concentrations sont faibles), les mécanismes de formations des particules (aussi différentes soient elles) ont été définis. Dans un second temps, ce travail de thèse s’est intéressé à l’évolution des caractéristiques et du nombre de particules entre la chambre de combustion de l’appareil et le champ proche, permettant d’aller au-delà de l’étude normative classique pour laquelle les émissions sont caractérisées à une distance imposée de la chambre de combustion et qui ne reflète pas l’impact réel. De nouveaux savoirs sur les particules ont ainsi été mis en évidence. L’ensemble de ces nouvelles connaissances, aidant à mieux connaître les particules produites par la combustion de bois dans des appareils indépendants, pourrait permettre dans le futur de créer des systèmes de traitement spécifiques et efficaces.
Mots clés : Bois-énergie, Chauffage domestique, Particules, OC/EC, HAP, MEB, Microanalyse
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Abstract
In a world within the energy transition and the reduction of the ecological footprint of Mankind are real challenges, wood energy has to be in accordance with environmental considerations. The market share of the domestic wood heating, which increases constantly, requires being close as possible to the ecological neutrality. Therefore, the pollutants emitted from the wood combustion in domestic appliances deserve attention. The issue of the emissions of fine particles, known for their health and environmental hazards, has been significantly covered in recent years. The governments made the decision to help mainly financially the private individuals in order to renew the domestic appliances stock. However, a non-optimized use of an energy-efficient appliance can degrade system performances. This PhD thesis began with this statement. In order to solve this issue, many experimental campaigns have been achieved through complete and above all innovative physicochemical characterizations of the smoke and particularly of the fine particles. The Scanning Electron Microscope, the X-ray microanalysis and the assessment of the constitutive Carbon (Elemental Carbon and Organic Carbon) required adapting or developing new analysis methods of the fine particles emitted from wood combustion. First of all, the definition of the use parameters for the appliance and their impacts allowed offering a significant reduction of the fine particles emissions. In this work, the influences of the parameters such as the nature of the fuel (species, barks, and moisture), the ignition mode (reversed or classical) and the air secondary injection were in this way quantified. This knowledge will enable to adapt the uses in wood domestic appliances to the new environmental issues. In order to better understand the origin of these emissions produced regardless of the combustion quality (even if the concentrations were low), the mechanisms of formation of all kinds of particles were defined.
In a second phase, this work paid attention to the evolution of the characteristics and number of particles from the combustion room to the near-field. This enabled to go over the classic normative study in which the emissions are characterized at a specific distance of the combustion room and do not reflect the real impact. New knowledge on particles was brought to light, helping to better know the particles generation from domestic wood appliances. This could allow in the future to create some specific and efficient treatment systems.
Key word: Wood Energy, Domestic heating, Particles, OC/EC, PAH, SEM, Microanalysis
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Table des matières
Introduction générale ... 27
Chapitre 1. Etat de l’art ... 31
Contexte global ... 31
1.1 1.1.1 L’énergie en France ... 31
1.1.2 Les énergies renouvelables ... 33
1.1.3 Le bois énergie en France ... 35
Bois énergie et pollution ... 44
1.2 1.2.1 Comparaison des polluants émis par le bois énergie et les autres types de chauffage ... 44
1.2.2 Les différents polluants ... 45
1.2.3 Les normes et les labels ... 56
Les particules ... 60
1.3 1.3.1 Généralités ... 60
1.3.2 Contexte ... 65
1.3.3 Bois énergie et particules ... 67
1.3.4 Méthode de prélèvement : ... 77
1.3.5 Réduction des émissions : ... 82
Conclusion / Discussion ... 84
1.4 Chapitre 2. Matériels et methodes ... 87
Dispositif expérimental ... 87
2.1 2.1.1 Caractérisation des combustibles ... 87
2.1.2 Appareils de chauffage domestique au bois utilisés ... 89
2.1.3 La plateforme expérimentale ... 90
Les mesures directes des émissions de gaz ... 92
2.2 2.2.1 O2, CO, NOx, …. ... 92
2.2.2 Les COV ... 94
Les mesures en direct des émissions de particules ... 95
2.3 2.3.1 Les caractéristiques communes ... 95
2.3.2 Les particules totales (TSP) et hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ... 98
2.3.3 La granulométrie des particules ... 99
Les analyses indirectes ... 100
2.4 2.4.1 Les HAP ... 100
10
2.4.2 Les analyses OC/EC... 101
2.4.3 La microscopie ... 110
Les campagnes expérimentales ... 117
2.5 2.5.1 Emissions d’un foyer fermés à bûches et d’un poêle à granulés ... 117
2.5.2 Etude des trois phases de combustion ... 117
2.5.3 Evolution selon la génération de l’appareil ... 118
2.5.4 Influence du mode d’allumage ... 118
2.5.5 Influence de l’utilisateur ... 119
2.5.6 Evolution des particules dans le conduit ... 121
Conclusion ... 122
2.6 Chapitre 3. Caractérisation des émissions ... 125
Influence de la technologie de l’appareil ... 125
3.1 3.1.1 Emissions d’un foyer fermé à bûches et d’un poêle à granulés ... 125
3.1.2 Etude des trois phases de combustion ... 130
3.1.3 Evolution selon la génération de l’appareil ... 142
Influences de divers paramètres sur les émissions ... 153
3.2 3.2.1 Méthode d’allumage ... 153
3.2.2 Caractéristiques des Combustible ... 159
3.2.3 Ouverture de l’air de l’appareil ... 170
3.2.4 Conclusion ... 175
Relations entre les différents polluants ... 176
3.3 3.3.1 Corrélation « température / imbrûlés gazeux » ... 176
3.3.2 Corrélation « CO / imbrûlés gazeux » ... 177
3.3.3 Corrélation « TSP / nature des particules » ... 178
3.3.4 Corrélation « TSP / précurseurs » ... 180
3.3.5 Corrélation « couleur des filtres / type de carbone » ... 181
3.3.6 Corrélation « qualité de combustion / teneur en Carbone des particules (mesurés par microanalyse X) »... 184
Conclusion ... 185
3.4 Chapitre 4. De la flamme au champ proche ... 187
Etude comparative des résultats d’essais ... 187
4.1 Les émissions au point de référence ... 190
4.2 4.2.1 Les émissions gazeuses ... 190
4.2.2 Les émissions particulaires ... 190
4.2.3 Microanalyse X et imagerie des particules ... 193
11
4.2.4 Conclusion ... 193
Les émissions au niveau de la chambre de combustion ... 194
4.3 4.3.1 Les émissions gazeuses ... 194
4.3.2 Les émissions particulaires ... 196
4.3.3 La microscopie (microanalyse X et imagerie) ... 201
4.3.4 Conclusion ... 205
Les émissions avant l’évacuation dans l’air ambiant ... 206
4.4 4.4.1 Les émissions gazeuses ... 206
4.4.2 Les émissions particulaires ... 208
4.4.3 La microscopie (microanalyse X et imagerie) ... 212
4.4.4 Conclusion ... 216
Les émissions au champ proche ... 217
4.5 4.5.1 Les émissions particulaires ... 217
4.5.2 La microscopie (microanalyse X et imagerie) ... 222
4.5.3 Conclusion ... 225
Conclusion ... 225
4.6 Chapitre 5. Analyse phénomènologique ... 227
Mécanismes et conditions de formation des particules ... 227
5.1 5.1.1 Les envolées de cendres ... 227
5.1.2 Les particules de bois ... 228
5.1.3 Les particules de charbon ... 229
5.1.4 Les nano-cristaux ... 230
5.1.5 Les nanoparticules... 231
5.1.6 Les agglomérats de nanoparticules ... 233
5.1.7 Les HAP ... 236
5.1.8 Conclusion ... 238
Une vie de particule ... 239
5.2 Conclusion ... 242
5.3 Conclusion générale ... 243
A. ANNEXES: Listes des abréviations ... 255
B. ANNEXES: Scénario Top-Down ... 258
C. ANNEXES: Définition des trois modes expérimentaux ... 260
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Liste des figures
Figure 1-1 : Consommation d’énergie primaire par type d’énergie en France [1] (a) et
consommation d’énergie finale par secteur en France [2] (b) ... 31
Figure 1-2 : Répartition de la consommation d’énergie finale dans les secteurs résidentiel et tertiaire [2] ... 32
Figure 1-3 : Part des énergies renouvelables dans l’approvisionnement énergétique mondial [3] ... 33
Figure 1-4 : Objectifs de progression des différentes énergies renouvelables en France [4] ... 33
Figure 1-5 : Comparaison des objectifs de 2010 à 2020 [5] à la situation réelle en 2014 [2] ... 34
Figure 1-6 : Répartition des sources d’ENRt en 2014 [7] ... 34
Figure 1-7 : Consommation finale d’ENRt dans le résidentiel/tertiaire en Mtep [2] [7] ... 35
Figure 1-8 : Description des différentes étapes de la combustion d’une bûche [9] ... 36
Figure 1-9 : Schématisation de l’étape de combustion homogène ... 38
Figure 1-10 : Evolution du parc entre 1999 et 2012 [14] ... 39
Figure 1-11 : Schéma de principe d’un poêle à bûches (marque SUPRA) ... 41
Figure 1-12 : Schéma de l’impact du positionnement de l’oxydation des gaz sur le rayonnement reçu par le combustible ... 41
Figure 1-13 : Répartition par type de combustible dans la consommation des résidences principales en 2013 [14] ... 42
Figure 1-14 : Evolution de la production française de granulés de bois [17] [18] ... 43
Figure 1-15 : Bilan des émissions de gaz à effet de serre [19] ... 44
Figure 1-16 : Courbe d’évolution des émissions de CO durant la combustion d’une bûche de hêtre dans un foyer fermé de petite puissance (9kW) ... 46
Figure 1-17 : Evolution des émissions de CO selon la température (a) et selon l’excès d’air (b), [28] ... 46
Figure 1-18 : Evolution et modification des COV dans l’atmosphère [29] ... 47
Figure 1-19 : Mécanisme de Bittner-Howard [30] ... 48
Figure 1-20 : Mécanismes de formation de Frenklach [30] ... 49
Figure 1-21 : Schéma global des mécanismes de formations des Composés Aromatiques Polycycliques [32]... 49
Figure 1-22 : Influence de l’air secondaire sur les émissions de HAP [35] ... 50
Figure 1-23 : Variation de la composition des COV selon deux types d’appareils et trois combustibles différents [34] ... 51
Figure 1-24 : Effets de la température et du temps de séjour sur la formation de NOx thermique [40] ... 52
Figure 1-25 : Effets de l’excès d’air et du temps de séjour sur la formation de NOx thermique [40] ... 53
Figure 1-26 : Effet de l’excès d’air à une température fixe sur la formation de NOx thermique [40] ... 53
Figure 1-27 : Schéma des réactions de formation/destruction du NO combustible [45] ... 54
Figure 1-28 : Définition des trois mécanismes de formation de NO [40] ... 54
Figure 1-29 : Facteurs d’émissions pour le bois selon les pays (d’après [46])... 56
Figure 1-30 : Schématisation de la procédure de calcul du label « Flamme Verte » [58] ... 59
Figure 1-31 : Comparaison de la taille des particules à la taille d’un cheveu [60] ... 60
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Figure 1-32 : Appareil respiratoire et pénétration des particules [71] ... 62
Figure 1-33 : Estimation statistique des mois de vie perdus en 2000 à cause des PM2,5 dans l’air ambiant [72] ... 63
Figure 1-34 : Comparatifs des morts prématurées annuelles dues aux fumées de biomasse et celles dues à différentes maladie [74] ... 63
Figure 1-35 : Tests de cytotoxicité sur des particules de diesel et des particules issues de bonne et mauvaise combustion de biomasse [75] ... 64
Figure 1-36 : Comparaison des effets des particules d’un poêle maçonné et d’une chaudière à granulés sur les cellules macrophages RAW264.7 [76]64 Figure 1-37 : Principe de formation des particules de suie (a, [88]) et clichés d’agglomérats de particules de suies (b, [77]) ... 68
Figure 1-38 : Principe de formation des particules de cendres dans une centrale à charbon [89] ... 68
Figure 1-39 : Compositions minérales de particules émises par un poêle à granulés de diamètre moyen 0,13 µm (a) et 0,32 µm (b) [87] ... 69
Figure 1-40 : Echantillons de particules provenant d’un foyer fermé (x151) [37] ... 71
Figure 1-41 : Morceaux de bois non dégradé (a, x350), Squelette de bois ou morceaux de bois partiellement dégradé (b, x1100), Agglomérations de particules fines et de morceaux de bois (c, x250) ; Les particules sur les trois clichés proviennent d’un foyer fermé [37]... 71
Figure 1-42 : Elément de bois dégradé gardant une structure orienté (a, x1100), Elément de bois dégradé avec une structure désorganisée (b, x300), Détail de la structure désorganisée (c, x2030), Les particules sur les trois clichés proviennent d’une chaudière, [37] ... 71
Figure 1-43 : Répartition par secteurs et granulométries des émissions de particules en France [20] ... 72
Figure 1-44 : Proportion massique des PM2,5 et proportion numérique des PM10 issues d’un foyer fermé [95] ... 73
Figure 1-45 : Schéma de dégradation par combustion de la cellulose [12] ... 74
Figure 1-46: Prévision des émissions de particules dues au chauffage domestique (a, [100]) et évolution réelle des émissions (b, [101]) ... 74
Figure 1-47 : Influence du facteur d’air sur la nature des particules [46] ... 75
Figure 1-48 : Influence de la taille de la bûche (Log Size) sur les émissions des OGC (gC.kg-1), de CO (g.kg-1) et de PM1 (g.kg-1) selon les trois phases de combustion (Allumage : Firing, Combustion homogène : Combusting, Combustion hétérogène : Burn out) [102] ... 76
Figure 1-49 : Impact de la méthode de prélèvement sur le niveau de PM récupéré [46] ... 77
Figure 1-50 : Influence de différents paramètres sur le facteur d’émission de TSP [21] ... 78
Figure 1-51 : Schéma de formation et évolution des particules [106] ... 81
Figure 2-1 : Foyer SUNFLAM (2000) ... 89
Figure 2-2 : Foyer prototype AXIS/SUPRA/LERMAB (2006) ... 89
Figure 2-3 : Poêle WABI de chez D2I Invicta (2012) ... 90
Figure 2-4 : Poêle à granulés LEIOS GALET de chez SUPRA ... 90
Figure 2-5 : Schéma de la plateforme d’essai ... 91
Figure 2-6 : Suivi de l’évolution de la concentration en CO et en O2 dans les fumées par les deux appareils d’analyses sur un essai de calibrage ... 93
Figure 2-7 : Suivi de l’évolution de la concentration en NO dans les fumées par les deux appareils d’analyses sur un essai de calibrage ... 93
15 Figure 2-8 : Schéma du système permettant une mesure en deux points pour
l’analyseur COV ... 94
Figure 2-9 : Circuit de pesée des filtres quartz ... 95
Figure 2-10 : Ecarts à la moyenne des pesées pour chaque filtre quartz vierge de 90mm de diamètre ... 96
Figure 2-11 : Surface du filtre en fonction de l’erreur standard ... 97
Figure 2-12 : Orientation de la buse dans les fumées ... 97
Figure 2-13 : Canne de prélèvement isocinétique (a), porte-filtre quartz (b) et porte- filtre démonté (c) ... 98
Figure 2-14 : Schéma du système de prélèvement des HAP ... 98
Figure 2-15 : Impacteur Electrique Basse Pression (ELPI, a, image issue du mode d’emploi) et Impacteur Manuel (IM, b, image issue du mode d’emploi) ... 99
Figure 2-16 : Courbe de principe de l’analyse OC/EC ... 101
Figure 2-17 : Photographie de la canne de prélèvement OC/EC (a : thermocouple et électrode côté verrerie ; b: électrode côté conduit) ... 103
Figure 2-18 : Résultats de l’étude de précision de la seringue ... 104
Figure 2-19 : Précision de réponse de l’analyseur OC/EC ... 105
Figure 2-20 : Précision de l’analyseur OC/EC dans le cas de filtres sombres ... 106
Figure 2-21 : Précision de mesure du ratio OC de l’analyseur OC/EC dans le cas de filtres sombres ... 106
Figure 2-22 : Schéma des flux traversant le filtre ... 107
Figure 2-23 : Filtre brun clair de vérification de la procédure choisie ... 107
Figure 2-24 : Système de prélèvement sur filtre en polycarbonate pour microscopie (analyse et imagerie) ... 111
Figure 2-25 : Schéma des flux de fumées au travers du filtre forcées par la grille support ... 111
Figure 2-26 : Principales émissions électroniques et électromagnétiques due aux interactions d’un faisceau d’électrons avec un échantillon [122] ... 113
Figure 2-27 : Les différentes émissions dues à un bombardement d’électrons primaires ... 113
Figure 2-28 : Particules auto-détectées (a) selon des seuils de niveaux de gris définis (b) ... 115
Figure 2-29 : Protocole schématique des champs de détection et d’analyses ... 116
Figure 2-30 : Limites et biais ... 116
Figure 2-31 : Allumage Top & Down (a) et traditionnel (b) ... 119
Figure 2-32 : Définition des 3 modes expérimentaux ... 121
Figure 3-2 : Clichés de charbon (a, x20000), de mâchefer (b, x50000) et de bois thermiquement dégradé (c, x100000) tous accompagnés par des nanoparticules émises par les poêles à granulés ... 129
Figure 3-3 : Clichés de morceaux de charbon (a, x5000), nanoparticules agglomérées (b, x19000) et de nanoparticules isolées (c, x300000) émises par le foyer fermé de 2006 ... 129
Figure 3-4 : Relation entre la perte de masse globale des échantillons et la perte relative de trois éléments (S, Cl et Fe) ... 134
Figure 3-5 : Evolution de la composition en Carbone et en Oxygène pour les 6000 particules des trois phases d’allumage analysées ... 135
Figure 3-6 : Images de bois non dégradé (a, x8440) et thermiquement dégradé (b, x40000) et avec présence de nanoparticules (a et b) émis durant la phase d’allumage ... 136
16 Figure 3-7 : Evolution de la composition en Carbone et en Oxygène pour les 6000 particules des trois phases de combustion homogène analysées . 137 Figure 3-8 : Images de nanoparticules très peu agglomérées à x70000 (a) et
x420000 (b) émises durant la combustion homogène ... 138
Figure 3-9 : Evolution de la composition en Carbone et en Oxygène pour les 6000 particules des trois phases de combustion hétérogène analysées 139 Figure 3-10 : Images de deux envolées de charbons avec quelques nanoparticules en fond à x105000 (a) et x150000 (b) émises durant la combustion hétérogène ... 140
Figure 3-11 : Résumé des caractéristiques physiques des particules aux trois phases de combustion ... 141
Figure 3-12 : Evolution des émissions OC, EC et non carbonées selon la génération de l’appareil ... 143
Figure 3-13 : Lien entre les émissions de TC avec les émissions d’EC et de TSP pour les appareils présentant à la fois une arrivée d’air secondaire et une chambre de combustion isolée ... 144
Figure 3-14 : Lien entre les émissions de TC avec les émissions d’EC et de TSP pour les appareils ne présentant ni entrée d’air secondaire ni isolation de la chambre de combustion ... 145
Figure 3-15 : Evolution de ratio OC/TC pour chaque génération d’appareil ... 145
Figure 3-16 : Moyenne des émissions de HAP16 pour chaque appareil ... 146
Figure 3-17 : Répartition des HAP pour chaque appareil ... 146
Figure 3-18 : Evolution de la fréquence de particules contenant des éléments autres que le Carbone et l’Oxygène en fonction des émissions d’OC ... 148
Figure 3-19 : Evolution des émissions non carbonées en fonction de l’écart entre le taux de Carbone mesuré par microanalyse X et par l’analyseur OC/EC ... 148
Figure 3-20 : Clichés de morceaux de charbon (a, x40000 ; b, x50000) et d’envolées de cendres (c x50000) émis par le foyer fermé de 2000 ... 151
Figure 3-21 : Clichés d’agglomérats de nanoparticules et de morceaux de charbon (a, x12000 ; b, x35000) émis par le foyer fermé de 2006 avec l’air secondaire fermé... 151
Figure 3-22 : Clichés de morceaux de charbon (a, x5000), nanoparticules agglomérées (b, x19000) et de nanoparticules isolées (c, x300000) émises par le foyer fermé de 2006 avec l’air secondaire ouvert ... 151
Figure 3-23 : Allumage Top&Down (a) et allumage traditionnel (b) ... 153
Figure 3-24 : Evolution de la composition en Carbone et en Oxygène pour 6000 particules de chaque type d’allumage ... 156
Figure 3-25 : Clichés de morceaux de charbon (a, x15000) et de nanoparticules (b, x40000 et c, x250000) ... 156
Figure 3-26 : Agglomérats de nanoparticules (a, x10000) et bois thermiquement très dégradé (b, x100000) ... 157
Figure 3-27 : Morceaux de charbons (a, x30000 et b, x50000) ... 157
Figure 3-28 : Condensats sphériques (a, x35000 ; b, x40000 ; c, x40280) ... 157
Figure 3-29 : Bilan des émissions de HAP16 pour chaque essai (a) et répartition des HAP majoritaires (b) ... 162
Figure 3-30 : Clichés de morceaux de charbon (a, x40000), de bois thermiquement dégradé (b, x200000) et de nanoparticules (c, x200000) émis par la combustion de bûches humides ... 162
17 Figure 3-31 : Bilan des émissions de HAP16 pour chaque type d’essai (a) et répartitions des différentes molécules (b) émises par les essais 3 et 7 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB et des écorces ... 165 Figure 3-32 : Clichés MEB de cendres d’écorces (a, x22000), de charbons (b,
x40000 ; c x50000) et de nano-cristaux de Silice et/ou de Sodium (a, particules brillantes en haut à gauche ; b, particules brillantes sur le haut du clichés ainsi qu’en bas à droite) émis par la combustion de HHUMae ... 166 Figure 3-33 : Clichés MEB d’agglomérats de nanoparticules (a, x30000) de cendres
d’écorces (b, x40000) et de nano-cristal de Silice (c, x200000) émis par la combustion d’écorces seules ... 166 Figure 3-34 : Bilan des émissions de HAP16 pour chaque type d’essai (a) et
répartitions des différentes molécules (b) émises par les essais 1 et thèse 2 ... 173 Figure 3-35 : Clichés de nanoparticules agglomérées et unitaires (a, x60000) de
nano-cristaux de Silice (b, x100000) et de COSV condensé (c, x150000) émis par l’appareil récent lors d’une mauvaise utilisation ... 174 Figure 3-36 : Evolution des émissions de CO en fonction de la température des
fumées pour l’intégralité des essais sur l’appareil de 2012 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB (a) et pour l’intégralité des essais utilisés à l’étude de l’évolution des émissions selon la génération de l’appareil (b) ... 176 Figure 3-37 : Evolution des émissions de COVT (a) et de HAP16 (b) en fonction de la
température des fumées sur une série d’essais de répétitions sur le poêle étanche (WABI, 2012) ... 177 Figure 3-38 : Evolution des émissions de COVT (a) et de HAP16 (b) en fonction des
émissions de CO pour l’intégralité des essais utilisés à l’étude de l’évolution des émissions selon la génération de l’appareil ... 177 Figure 3-39 : Evolution des émissions de COVT en fonction des émissions de CO
pour l’intégralité des essais sur l’appareil ancienne génération utilisé dans l’étude de l’évolution des émissions selon la génération de l’appareil ... 178 Figure 3-40 : Evolution des émissions d’OC en fonction des émissions de TSP pour
l’intégralité des essais de l’étude de l’évolution des émissions selon la génération de l’appareil ... 178 Figure 3-41 : Evolution des émissions de PM1 en fonction des émissions TSP sur
l’intégralité des essais réalisés en interne au LERMAB pour le projet QUALICOMB (a) et sur seulement les essais sur l’appareil récent avec une bonne utilisation (b) ... 179 Figure 3-42 : Evolution des émissions de TSP en fonction des émissions de HAP16
sur l’intégralité des essais réalisés en interne au LERMAB pour le projet QUALICOMB (a) et sur la série d’essais sur l’évolution des émissions selon la génération de l’appareil (b) (zoom en c) ... 180 Figure 3-43 : Evolution entre le taux d’EC présent par cm² de filtre et le paramètre L
de la mesure de la couleur ... 181 Figure 3-44 : Evolution du rapport entre la somme OC et EC et la racine carrée de a
et b en fonction du paramètre E ... 182
18 Figure 3-45 : Résultats de l’ACP sous forme de schéma selon les trois dimensions les plus caractéristiques des filtres ... 182 Figure 3-46 : Précision de l’estimation selon les 6 familles de filtres ... 183 Figure 3-47 : Evolution des coefficients directeur et ordonnées à l’origine issus de
l’équation O%=a*C+b en fonction de la température des fumées durant le prélèvement pour les essais issus de l’étude du mode d’allumage ... 184 Figure 4-1 : Rappel des points de prélèvements de chaque série d’essais ... 187 Figure 4-2 : Bilan des émissions de HAP16 au point de référence ... 191 Figure 4-3 : Clichés de morceaux de bois dégradé (a, x180000), d’agglomérats de
nanoparticules (b, x 180000) et de nanoparticules non agglomérées (c, x300000) prélevés au point de référence ... 193 Figure 4-4 : Evolution de la teneur en O2 et de la température des fumées aux deux
points de mesure Chambre et Référence ... 195 Figure 4-5 : Evolution des émissions de CH4 en fonction des émissions de COVT 195 Figure 4-6 : Concentration en HAP16 aux deux points de mesures Chambre et
Référence ... 197 Figure 4-7 : Comparaison entre les répartitions en pourcentage de chaque HAP sur
les HAP16 présents aux deux points de mesure Chambre et Référence ... 198 Figure 4-8 : Evolution de la fréquence de présence d’autres éléments que C et O en
fonction des émissions TSP (a) ; Evolution de l’ordonnée à l’origine en fonction du coefficient directeur de la droite de corrélation de O en fonction de C (b) ... 203 Figure 4-9 : Clichés de morceaux de bois dégradé thermiquement (a, x19000),
d’agglomérats de nanoparticules (b, x 19000) et de nanoparticules peu/pas agglomérées (c, x183790) prélevés durant la combustion homogène dans la chambre de combustion ... 203 Figure 4-10 : Clichés de morceaux de charbon (a, x5000), d’agglomérats de
nanoparticules (b, x19000) et de nanoparticules non-agglomérées (c, x300000) prélevés durant la combustion homogène au point de référence ... 204 Figure 4-11 : Evolution de la teneur en O2 en fonction de la température des fumées
aux deux points de mesures Référence et Sortie ... 207 Figure 4-12 : Evolution de la concentration des fumées en CH4 en fonction de la
concentration en COVT ... 207 Figure 4-13 : Evolution de la concentration en EC et en OC en fonction de la
concentration en TSP au point de référence (a) et en sortie (b) .... 208 Figure 4-14 : Concentration des HAP16 aux deux points de mesure Référence et
Sortie ... 209 Figure 4-15 : Perte moyenne entre la sortie et le point de référence pour chaque HAP
analysé en fonction de son point d’ébullition ... 210 Figure 4-16 : Comparaison entre les répartitions en pourcentage de chaque HAP sur
les HAP16 présents aux deux points de mesure Référence et Sortie ... 210 Figure 4-17 : Evolution de l’ordonnée à l’origine en fonction du coefficient directeur
des droites de corrélation O%=aC%+b des points de Référence et Sortie ... 212 Figure 4-18 : Evolution des concentrations de NO en fonction des fréquences
d’éléments autres que C et O ... 213
19 Figure 4-19 : Clichés d’agglomérats de nanoparticules (a, x12000) et de morceaux de charbon (b, x15000 ; c, x60000) prélevés durant la combustion homogène à la sortie de cheminée ... 215 Figure 4-20 : Clichés de morceaux de charbon (a, x80000), de bois thermiquement
dégradé (b, x180000) et d’agglomérats de nanoparticules (c, x180000) prélevés durant la combustion homogène au point de référence ... 215 Figure 4-21 : Evolution de la concentration en CH4 en fonction de la concentration en
COVT aux deux points de mesure Référence et Sortie Diluée ... 218 Figure 4-22 : Concentration des HAP16 aux deux points de mesure Référence et
Sortie Diluée ... 219 Figure 4-23 : Perte moyenne entre la sortie diluée et le point de référence pour
chaque HAP en fonction de son point d’ébullition ... 220 Figure 4-24 : Ecart des répartitions de chaque HAP sur les HAP16 présents entre la
sortie diluée et le point de référence et entre la sortie non diluée et le point de référence ... 220 Figure 4-25 : Evolution de l’ordonnée à l’origine en fonction du coefficient directeur
des droites de corrélation O%=aC%+b des points de Référence et Sortie Diluée ... 222 Figure 4-26 : Clichés d’importants agglomérats de nanoparticules (a, x6000), de
charbons organisés (b, x12000) et de petits agglomérats de nanoparticules (c, x60000) prélevés à la sortie avec la dilution active ... 224 Figure 4-27 : Clichés d’agglomérats de nanoparticules (a, x40000) et de
nanoparticules peu ou pas agglomérées (b, x200000) prélevés au point de référence ... 224 Figure 5-1 : Clichés de particules de bois « sain » (a, x8440), de bois dégradé
thermiquement en phase 1 (b, x19000) et en phase 2 (c, x100000) ... 228 Figure 5-2 : Clichés de morceaux de charbons (a, x5000 ; b, x12000 ; c, x30000) 229 Figure 5-3 : Clichés de nano-cristaux de Silice et/ou Sodium (a, x100000) et de nano- cristaux de Silice ( b, x150000 ; c, x200000) ... 230 Figure 5-4 : Schéma de formation par dégradation thermique des nanoparticules 232 Figure 5-5 : Clichés d’agglomérats de nanoparticules (a, x30000), de bois dégradé
thermiquement en fin de phase 2 avec des brins qui se séparent (b, x100000) et de bois dégradé en début de phase 2 (c, x150000) .. 233 Figure 5-6 : Mécanisme d’agglomération des nanoparticules ... 235 Figure 5-7 : Clichés de COSV condensés (a, x40000 ; c, x150000) et de COSV
condensés s’agglomérant (b, x120000) ... 237 Figure 5-8 : Schéma de l’évolution des particules dans le conduit de fumées (conduit
et appareil inspiré de [146]) ... 241 Figure B-1 : Diagramme comparatif des deux réponses du scénario pour tous les
polluants à l’échelle d’une soirée de chauffage ... 258
20
21
Liste des tableaux
Tableau 1-1 : Evolution des ventes d’appareils de chauffage domestique au bois de 2005 à 2015 [15] ... 40 Tableau 1-2 : Facteurs d’émission de la combustion du bois et contribution aux
émissions nationales pour l’année 2005 [20] ... 45 Tableau 1-3 : Présentation des polluants émis par la combustion [21] [22] [23] [24]
[25] ... 45 Tableau 1-4 : Synthèse des normes applicables en France [48] [49] [50] [51] [52] [53]
[54] [55] [56] ... 57 Tableau 1-5 : Synthèse non exhaustive des labels de différents pays européens
relatifs au chauffage domestique au bois ... 57 Tableau 1-6 : Evolution des exigences du label Flamme Verte de 2001 à 2015 [57] 58 Tableau 1-7 : Part des appareils certifiés en 2015 « Flamme Verte » [15] ... 58 Tableau 1-8 : Caractéristiques des différentes sources d’émissions de particules
primaires naturelles ... 61 Tableau 1-9 : Tableau récapitulatif des valeurs de la norme sur les particules [83] [84]
[85] ... 65 Tableau 1-10 : Résultats des analyses chimiques de particules émises d’un appareil
américain pour six combustibles différents [93] ... 70 Tableau 1-11 : Contribution en µg.m-3 des différentes sources en PM2,5 en zone
urbaine [94] ... 73 Tableau 1-12 : Facteurs d’émissions TSP et composition OC/EC liées à la
combustion de six combustible différents [93] ... 76 Tableau 1-13 : Liste des différents types de mesure des émissions particulaires .... 79 Tableau 1-14 : Présentation de différentes techniques de filtration des fumées des
appareils collectifs et industriels [46] ... 83 Tableau 2-1 : Caractérisation des combustibles ... 88 Tableau 2-2 : Résultats des pesées successives des filtres quartz vierges de 90mm
de diamètre ... 96 Tableau 2-3 : Résultats d’analyse OC/EC de filtre de combustion avec trois
standards ... 103 Les résultats du Tableau 2-4 prouvent bien que, dans le cas du filtre brun clair les
trois surfaces décrites précédemment n’ont pas été traversées par la même quantité de gaz car elles ne présentent pas la même quantité de Carbone : ... 107 Tableau 2-5 : Résultats des analyses effectuées sur le filtre brun clair et sur le filtre
foncé pour la vérification de la procédure ... 109 Tableau 2-6 : Résultats obtenus lors de l’analyse de filtres quartz vierge ... 110 Tableau 2-7 : Caractéristiques des différentes sources [122] ... 112 Tableau 2-8 : Définition des critères ... 120 Tableau 2-9 : Description des essais LERMAB dans le projet QUALICOMB ... 120 Tableau 3-1 : Résultats globaux des émissions gazeuses du poêle à granulés et du
foyer fermé ... 126 Tableau 3-2 : Résultats globaux des émissions de particules du poêle à granulés et
du foyer fermé de 2006 ... 126 Tableau 3-3 : Bilan des résultats de microanalyse X pour le poêle à granulés de 2006
et le foyer fermé de 2006 ... 128 Tableau 3-4 : Résultats globaux sans différenciation des phases ... 130
22 Tableau 3-5 : Définition et caractérisation physique des trois phases de combustion
... 131 Tableau 3-6 : Résultats des émissions gazeuses et solides durant la phase
d’allumage ... 132 Tableau 3-7 : Résultats des pertes pour chaque élément selon la perte de masse de
l’échantillon ... 134 Tableau 3-8 : Résultats des émissions gazeuses et solides durant la phase
homogène ... 137 Tableau 3-9 : Résultats des émissions gazeuses et solides durant la phase
hétérogène ... 139 Tableau 3-10 : Résultats globaux des émissions de trois générations différentes de
chauffage domestique au bois ... 143 Tableau 3-11 : Moyenne des résultats obtenus via l’ELPI ... 144 Tableau 3-12 : Bilan des résultats de microanalyse X sur les différents appareils . 150 Tableau 3-13 : Description des charges de combustible de la série d’essais sur
l’influence du mode d’allumage ... 153 Tableau 3-14 : Résultats des émissions gazeuses ... 154 Tableau 3-15 : Résultats des émissions de particules en masse et en nombre ... 155 Tableau 3-16 : Résultats des analyses OC/EC ... 155 Tableau 3-17 : Rappel des caractéristiques des essais 1 et 3 réalisés par le LERMAB
pour le projet QUALICOMB ... 159 Tableau 3-18 : Bilan des émissions gazeuses des essais 1 et 3 réalisés par le
LERMAB pour le projet QUALICOMB ... 159 Tableau 3-19 : Bilan des émissions solides des essais 1 et 3 réalisés par le LERMAB
pour le projet QUALICOMB ... 160 Tableau 3-20 : Bilan de la répartition granulométrique en masse et en nombre des
essais 1 et 3 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB 161 Tableau 3-21 : Résultats globaux de microanalyse X des particules sur les essais 1
et 3 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB ... 161 Tableau 3-22 : Rappel des caractéristiques des essais 3 et 7 réalisés par le LERMAB
pour le projet QUALICOMB ... 163 Tableau 3-23 : Bilan des émissions gazeuses des essais 3 et 7 réalisés par le
LERMAB pour le projet QUALICOMB et des écorces ... 163 Tableau 3-24 : Bilan des émissions solides des essais 1 et 3 réalisés par le LERMAB
pour le projet QUALICOMB et des écorces ... 164 Tableau 3-25 : Bilan de la répartition granulométrique en masse et en nombre des
essais 3 et 7 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB et des écorces ... 165 Tableau 3-26 : Bilan des résultats de la microanalyse X des particules émises par les
essais 3 et 7 réalisés par le LERMAB pour le projet QUALICOMB et des écorces ... 167 Tableau 3-27 : Caractéristiques des essais 3, CERIC 19, thèse 1 et Seguin Duteriez
20 réalisés par le LERMAB et le CERIC pour le projet QUALICOMB ... 168 Tableau 3-28 : Bilan des émissions pour la visualisation de l’impact de l’essence du
combustible sur deux générations d’appareils ... 168 Tableau 3-29 : Bilan de l’impact de la nature du combustible sur les émissions .... 169 Tableau 3-30 : Caractéristiques des essais 1, thèse 2, thèse 1 et Seguin Duteriez 26
réalisés par le LERMAB et le CERIC pour le projet QUALICOMB 170
23 Tableau 3-31 : Résultats des émissions gazeuses pour l’étude de l’impact de l’utilisation sur l’appareil récent ... 170 Tableau 3-32 : Résultats des émissions solides pour l’étude de l’impact de l’utilisation
sur l’appareil récent ... 171 Tableau 3-33 : Résultats des mesures granulométriques pour l’étude de l’impact de
l’utilisation sur l’appareil récent ... 172 Tableau 3-34 : Résultats globaux de microanalyse X des particules sur les essais 1
et thèse 2 (appareil de 2012) ... 173 Tableau 3-35 : Bilan des émissions pour la visualisation de l’impact de l’utilisation sur
l’appareil de 2000 ... 174 Tableau 3-36 : Bilan de l’impact de la fermeture de l’arrivée d’air ... 175 Tableau 4-1 : Description des charges ... 188 Tableau 4-2 : Répétabilité des mesures classiques au point de référence pour les
trois séries d’essais ... 188 Tableau 4-3 : Bilan des analyses gazeuses réalisées au point de référence ... 190 Tableau 4-4 : Bilan des émissions solides au point de référence ... 190 Tableau 4-5 : Bilan de la répartition granulométrique en nombre des particules du
point de référence ... 191 Tableau 4-6 : Bilan des proportions de chaque HAP16 du point de référence ... 192 Tableau 4-7 : Bilan des émissions gazeuses aux points de mesure Chambre et
Référence ... 194 Tableau 4-8 : Bilan des émissions solides aux points de mesure Chambre et
Référence ... 196 Tableau 4-9 : Bilan de la concentration en nombre des particules et de leur
répartition granulométrique aux deux points de mesure Chambre et Référence ... 197 Tableau 4-10 : Répartition en pourcentage des HAP16 aux deux points de mesure
Chambre et Référence ... 200 Tableau 4-11 : Bilan des résultats de la microanalyse X aux deux points de mesure
Chambre et Référence ... 202 Tableau 4-12 : Bilan des émissions gazeuses aux points de mesure Référence et
Sortie ... 206 Tableau 4-13 : Bilan des émissions solides aux points de mesure Référence et Sortie ... 208 Tableau 4-14 : Bilan de la concentration en nombre des particules et de leur
répartition granulométrique aux deux points de mesure Référence et Sortie ... 209 Tableau 4-15 : Concentration de chaque HAP aux deux points de mesure Référence
et Sortie ... 211 Tableau 4-16 : Bilan des résultats de la microanalyse X aux deux points de mesure
Référence et Sortie ... 214 Tableau 4-17 : Résultats des mesures de COVT, CH4, TSP et température des
fumées aux deux points de mesure Référence et Sortie Diluée .... 217 Tableau 4-18 : Concentration de chaque HAP aux deux points de mesure Référence
et Sortie Diluée ... 221 Tableau 4-19 : Bilan des résultats de la microanalyse X des particules aux deux
points de mesure Référence et Sortie Diluée ... 223 Tableau 5-1 : Bilan des effets de quelques paramètres ... 238 Tableau B-1 : Facteurs d’émissions calculés des trois configurations pour tous les
polluants mesurés ... 258
24 Tableau B-2 : Résultats globaux des deux réponses au scénario complet ... 259
25
Liste des équations
Équation 1-1 : Détermination du Pouvoir Calorifique Inférieur Humide [12]... 37 Équation 1-2 : Equation de la production de méthane lors de la combustion de biomasse ... 48 Équation 1-3 : Réactions principales de formation de NO thermique [38] ... 52 Équation 1-4 : Troisième équilibre du mécanisme de Zeldovitch élargi ... 52 Équation 1-5 : Formation précoce de cyanures et d’amines dans la flamme de pré-mélange
[41] ... 53 Équation 1-6 : Réactions de formation du NO précoce [41] ... 54 Équation 1-7 : Equation de production de NO combustible [45] ... 55 Équation 1-8 : Détermination du diamètre de coupure d’un système de prélèvement [105] ... 79 Équation 9 : Formule de calcul de l’erreur standard ... 97 Équation 3-1 : Equation d’estimation de la teneur en EC d’un filtre via le paramètre L ... 181 Équation 3-2 : Equation d’estimation de la teneur en OC du filtre via un rapport de
paramètre ... 182
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INTRODUCTION GENERALE
Des problématiques énergétiques et environnementales majeures rythment ce début de 21ème siècle. En effet, les effets du réchauffement climatique sont dorénavant réellement ressentis, les réserves de pétrole s’amenuisent et les études liant la pollution à la mortalité fleurissent.
Une transition énergétique est ainsi engagée. Mais, quelles énergies peuvent être à la fois considérées comme renouvelables, sans aucun impact sur l’environnement, favorisant les emplois locaux et acceptées par les populations ? A l’heure actuelle, plusieurs énergies répondent à trois de ces critères, notamment le bois énergie, mais aucune ne les satisfait tous.
C’est la raison pour laquelle il est primordial de travailler sur l’optimisation des énergies renouvelables existantes en parallèle des recherches menées sur de nouvelles énergies.
Le bois énergie répond favorablement à de nombreux critères. En effet, cette énergie est renouvelable si l’exploitation de la forêt est réalisée de manière durable. Ensuite, le bois énergie favorise clairement les emplois locaux tout en restant à des tarifs très bas. Pour terminer, le bois énergie est une énergie traditionnelle déjà acceptée par les populations. Bien que le chauffage au bois ne puisse pas répondre à l’intégralité de la demande, il paraît important qu’il en assume une part. En revanche, le bois énergie, et plus particulièrement le chauffage domestique au bois, est décrit comme une source importante d’émissions de particules. C’est sur la base de cette constatation que débute ce travail de thèse.
Les particules toxiques présentes dans l’air ambiant le sont du fait de leur composition, de leur taille et de leur surface. Leur origine anthropique est variée : agriculture, transport, énergie, industrie, … Néanmoins, le chauffage domestique au bois est décrit comme la source majoritaire pour les plus fines d’entre elles.
Des normes limitent les émissions de ces particules, et des labels se sont développés, certifiant que les appareils sont performants et donc, peu émissifs. Ainsi, les émissions de particules du chauffage domestique au bois sont de plus en plus faibles, mais restent à des niveaux encore trop élevés. Quelques systèmes de filtration des fumées existent, mais restent anecdotiques à l’heure actuelle car non-appropriés au secteur domestique (coût, entretien, …).
Les particules mesurées dans le conduit d’évacuation des fumées sont généralement quantifiées en masse, et parfois en nombre. Quelques caractéristiques physiques des particules sont aussi couramment évaluées, comme leur granulométrie (en masse et/ou en nombre). En revanche, peu de mesures chimiques sont réalisées sur ces particules, qui ne sont différenciées généralement que par leur taille. Pourtant, la composition des particules, notamment en Carbone Organique et en Carbone Elémentaire, est un point essentiel pour la compréhension de leur toxicité.
Il est également admis que la mesure des particules dans le conduit d’évacuation des fumées ne représente pas exactement les émissions réelles dans l’atmosphère. En effet, la combustion de bois est aussi génératrice de précurseurs, comme les Composés Organiques Volatils ou les
28 Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques. Ces composés, sous forme gazeuse dans les fumées à la sortie de l’appareil, vont ensuite condenser dans le conduit de cheminée, puis dans l’atmosphère, formant alors de nouvelles particules. Cependant, ces composés sont complexes à mesurer. Les niveaux d’émissions en particules et en précurseurs sont très variables. Tout d’abord, la méthode de prélèvement influe de manière considérable sur les niveaux d’émissions attribués au chauffage domestique au bois. Diverses études, dont notamment le projet européen EN PME TEST, ont mis en évidence ce phénomène. C’est la raison pour laquelle un projet de norme européenne est à l’étude actuellement. Cependant, de nombreux autres facteurs impactent significativement les niveaux d’émissions.
Différentes technologies d’appareils sont actuellement présentes sur le marché : les appareils à granulés et les appareils à bûches sont les deux principales catégories. Bien que les niveaux d’émissions de ces types d’appareils soient bien renseignés, les caractéristiques physico- chimiques des particules sont méconnues. Les émissions d’un appareil de chauffage à bûches sont plus influencées par la méthode d’utilisation que pour un poêle à granulés par exemple, puisqu’aucune automatisation n’existe dans la combustion de bûches. Ainsi, l’utilisateur, via son choix de combustible et l’utilisation de son appareil, agit de manière directe sur la quantité et les caractéristiques des émissions.
De nombreuses expérimentations ont été réalisées dans le cadre de ce travail, afin d’apporter des réponses à la globalité des questionnements soulevés.
Ce mémoire se scinde en cinq chapitres.
Le Chapitre 1 présentera une étude bibliographique sur les principaux points liés au sujet.
Après avoir placé le chauffage domestique au bois dans le contexte énergétique actuel, nous réaliserons un point sur les connaissances des émissions polluantes du chauffage domestique au bois. Diverses problématiques vont être identifiées dans ce chapitre auxquelles ce travail tentera d’apporter des éléments de réponse.
Le Chapitre 2 permettra de définir non seulement les différentes campagnes expérimentales, mais aussi les différents protocoles et les différentes analyses réalisés, comme la mise au point de méthodologies de l’analyse OC/EC ou encore d’imagerie et de microanalyse X adaptées pour les particules issues de la combustion du bois.
Ensuite, le Chapitre 3 aura pour objet de définir les émissions types des différents appareils de chauffage domestiques, mais aussi les facteurs influant sur ces émissions, comme notamment la nature du combustible, le mode d’allumage, les réglages des arrivées d’air…
Le Chapitre 4 se concentrera sur l’observation de l’évolution des particules dans le conduit d’évacuation des fumées. Les caractéristiques physico-chimiques de la matière particulaire seront donc définies de la chambre de combustion jusqu’à l’évacuation des fumées.
Pour terminer, le Chapitre 5 présentera une analyse phénoménologique permettant de synthétiser et appliquer les résultats des chapitres précédents. C’est notamment dans ce chapitre que les mécanismes de formation/destruction et d’évolution des particules seront définis.
29
30
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Chapitre 1. ETAT DE L’ART
Ce chapitre a pour objectif de mieux cibler les objectifs de ce travail. Après avoir placé cette étude dans son contexte, les polluants émis par le bois énergie seront définis. Ensuite, une partie plus spécifique sera dédiée aux connaissances relatives aux particules et clôturera cet état de l’art. Une liste des abréviations dépliables est placée en annexe A.
Contexte global 1.1
Cette partie a pour objectif de bien situer le contexte dans lequel cette étude se déroule. Ainsi, des bilans sur l’énergie en France, les énergies renouvelables (ENR) puis sur le bois énergie en particulier permettront de mieux saisir les problématiques et enjeux actuels.
1.1.1 L’énergie en France
La consommation d’énergie primaire (à climat normal) en France s’est stabilisée depuis 2005 et présente une tendance à la diminution. Elle atteint un niveau de 256,6 Mtep en 2014 [1].
Parallèlement, la production d’énergie primaire en France continue sa progression, atteignant en 2014 un niveau de production de 139,1 Mtep. L’indépendance énergétique de la France n’est toujours pas d’actualité puisqu’il n’est produit que 54,2% de l’énergie primaire consommée en 2014. Cette dépendance provient de l’utilisation d’énergies fossiles comme le pétrole, le gaz et le charbon (transport et chauffage majoritairement) non présentes sur le territoire français. La France utilise principalement cinq grands types d’énergie :
- électrique (nucléaire principalement), produite en France ; - pétrole, importé ;
- gaz, importé ;
- énergie renouvelable et déchets (renouvelables ou non), produits en France ; - charbon, importé.
Ces données peuvent être analysées par type d’énergie et par secteur. La Figure 1-1 présente l’évolution de la consommation d’énergie primaire en France par type d’énergie (a) ainsi l’évolution de la consommation d’énergie finale par secteur (b).
a b
Figure 1-1 : Consommation d’énergie primaire par type d’énergie en France [1] (a) et consommation d’énergie finale par secteur en France [2] (b)
