Laurent, Author at Energie Plus Le Site

PEB chauffage : Arrêté wallon du 29 janvier 2009

Généralités

Contexte

Comme ce fut le cas en Région flamande il y a quelque temps, la Région wallonne a été amenée, dans le cadre de la Directive européenne sur la performance énergétique des bâtiments, à modifier l’ancienne réglementation fédérale de 1978 relative à la prévention de la pollution atmosphérique provoquée par les installations de chauffage central.

Conformément à la directive européenne du 19 mai 2010 sur la performance énergétique des bâtiments (2010/31/UE), l’arrêté wallon du 29 janvier 2009 (modifié le 18 juin 2009, le 28 avril 2011 et le 15 mai 2014) fixe des exigences afin de prévenir la pollution atmosphérique potentielle des installations de chauffage central (pour le chauffage des espaces et la production d’eau chaude sanitaire) et afin de réduire la consommation énergétique. L’arrêté est d’application depuis le 29 mai 2009. Les dernières modifications sont entrées en vigueur le 1er janvier 2015. L’ancien arrêté royal du 6 janvier 78 est abrogé.

Domaine d’application

En termes de domaine d’application, la réglementation s’applique :

Aux installations composées d’au moins un générateur de chaleur alimenté en combustibles liquides, solides ou gazeux. Le fluide caloporteur est de l’eau, de la vapeur basse pression ou de l’huile thermique permettant la distribution de la chaleur vers les différentes parties d’un bâtiment devant être chauffé, voire la distribution de la chaleur vers un dispositif de stockage d’eau chaude sanitaire (ECS).
Aussi bien aux installations neuves qu’aux installations existantes (mises en service pour la première fois avant le 29 mai 2009).

Exigences : les différentes actions

On retrouve des exigences à différentes étapes de la vie d’une installation de chauffage :

Avant la réception :

La puissance nécessaire doit être calculée conformément à la méthode fixée par le Ministre de l’Énergie. Elle est en outre limitée dans un même local de chauffe.
Le local de chauffe neuf doit répondre aux normes NBN B 61-001, NBN B 61-002, voire pour le gaz NBN D 51-003, NBN 51-004 et/ou NBN D 51-006. Dans les bâtiments existants, les locaux de chauffe doivent satisfaire aux dispositions du code de bonne pratique qui leur étaient applicables au moment du placement de l’installation de chauffage central ou auxquelles ils ont été soumis par la suite.
L’installation d’un générateur de chaleur doit être effectuée par un technicien agrée d’une entreprise ou sous sa responsabilité et son contrôle. Les installations de chauffage central doivent être équipées d’orifices de mesure.
La première mise en service doit être réalisée par un technicien agréé. À moins qu’il n’effectue directement la réception (voir ci-après), le technicien remet au propriétaire une attestation de réception provisoire.
La réception d’un nouveau générateur de chaleur doit aussi être effectuée par un technicien agrée. Cette étape est réalisée :
- Soit en même temps que la première mise en service par le même technicien agréé ;
- Soit au plus tard 15 jours après la première mise en service si le propriétaire décide de faire réaliser la réception par un autre technicien agréé.

Les points traités par le rapport de réception qui est remis au propriétaire et qui sont visés par la réception sont :

- la vérification du raccordement chaudière-brûleur ;
- l’adéquation entre la chaudière et le brûleur ;
- le contrôle des orifices de mesure ;
- la vérification des conduits d’évacuation ;
- le contrôle de la conformité de la cheminée, de l’aération du local de chauffe, de l’amenée d’air ; comburant aux normes NBN B 61-001 et NBN B 61-002 ;
- la réalisation des essais de vérification de bon fonctionnement ;
- le contrôle de la présence d’instructions d’utilisation et d’entretien ;
- la vérification de la présence et de la validité d’une note de calcul.

Pendant l’utilisation de l’installation :

Toute intervention sur la partie combustible d’un générateur de chaleur alimenté en combustible liquide ou gazeux ne peut être effectuée que par un technicien agréé. Pour cette raison, l’entretien des générateurs, tel que généralement considéré (comprenant notamment le nettoyage de la chambre de combustion, la vérification des brûleurs, le remplacement des gicleurs présents sur les chaudières mazout, le réglage de la combustion sur les chaudières le permettant,…) ne pourra être effectué que par un technicien agréé (pour le mazout il s’agira d’un technicien agréé L, pour le gaz atmosphérique et prémix d’un technicien agréé G1 et pour le gaz pulsé d’un technicien agréé G2). Sous la dénomination « entretien », peuvent néanmoins parfois être repris certains actes techniques ne requérant pas d’intervention sur la partie combustion du générateur de chaleur (comme par exemple le nettoyage du siphon d’une chaudière à condensation). Ce type d’acte peut quant à lui être effectué par des techniciens ne disposant pas de l’agrément de la Région wallonne.
Les installations de chauffage doivent faire l’objet d’une inspection périodique. Cette nouvelle terminologie combine le contrôle périodique et le diagnostic approfondi. L’inspection périodique doit être effectuée à la fréquence minimale de 1 an pour les combustibles solides et liquides, de 3 ans pour les installations combustibles gazeux de puissance nominale inférieure ou égale à 100 kW et de 2 ans pour les installations à combustibles gazeux de puissance nominale supérieure à 100 kW. Les dates sont calculées à partir de la première mise en service du générateur (avec un délai d’action de 3 mois). Une inspection doit également avoir lieu après chaque intervention sur la partie combustion du générateur de chaleur.

Type de combustible	Fréquence de contrôle
Combustibles liquides et solides	1 an
Combustibles gazeux	3 ans (puissance nominale utile ≤ 100kW)2 ans (puissance nominale utile > 100kW)
Pour tous les cas	Après chaque intervention sur la partie combustion

Le contrôle périodique n’est plus une exigence uniquement applicable pour les appareils au fuel (comme dans l’ancienne réglementation fédérale). La personne qui réalise la vérification doit disposer d’un agrément (ou de la qualification requise par l’arrêté). Elle doit transmettre à l’utilisateur une attestation de contrôle conforme au modèle arrêté par le ministère de l’Environnement. Les critères de bon fonctionnement d’une installation de chauffage central sont aussi fixés par l’arrêté : indice de fumée, teneur en CO₂, en CO, d’O₂ ainsi que le rendement de combustion et température des fumées. En outre, la chaufferie, le bon fonctionnement des circulateurs et l’état de marche de la régulation doivent aussi être contrôlés.
Les installations de chauffage central à eau dont la puissance nominale installée est supérieure à 20 kW doivent être soumises à un diagnostic approfondi lors de l’inspection périodique. Le diagnostic approfondi n’est pas requis sauf si une modification de l’installation a été réalisée depuis la dernière inspection ou si les besoins thermiques du bâtiment ont été modifiés (voir logigramme ci-après). Si il y eu modification, un diagnostic approfondi doit être réalisé dans les 2 ans suivants la modification apportée lors de lors d’une inspection périodique en même temps que le prochain contrôle périodique prévu. La personne effectuant le diagnostic doit disposer d’un certificat d’aptitude en diagnostic approfondi ou d’un agrément en tant qu’auditeur pour la réalisation d’audits énergétiques (ce dernier uniquement pour les puissances inférieures à 100 kW). A la suite du diagnostic, elle remet un rapport au propriétaire. Celui-ci comprend : l’évaluation du rendement de la chaudière, le dimensionnement par rapport aux besoins calorifiques du bâtiment, un avis sur le remplacement de la chaudière et d’autres conseille sur des solutions afin de réduire ses consommations énergétiques. Le technicien renseigne également le propriétaire sur les aides existantes.
Le personnel ayant effectué la réception, le diagnostic approfondi et les contrôles périodiques doit tenir à jour un registre chronologique de ces actes, qu’il conserve durant quatre années. Il doit également conserver un duplicata des rapports de réception (4 ans), des rapports de diagnostic approfondi (2 ans) et des attestations de contrôle (pas de durée prescrite). Il a l’obligation d’agrafer le ticket généré par les instruments de mesure sur l’attestation de contrôle et au rapport de réception. L’arrêté prévoit en plus des spécifications techniques et des obligations de contrôle et d’étalonnage des équipements de mesure.

Logigramme relatif au diagnostic approfondi.
(Source : Service public de Wallonie (SPW), Agence wallonne de l’Air et du Climat)

Techniciens

Seuls les techniciens en combustibles solides n’ont pas besoin d’obtenir une agrégation réglementée par l’arrêté du gouvernement wallon.

Les certifications en combustible liquide et gazeux s’obtiennent par la réussite d’un examen. Il faut y ajouter une formation et un examen supplémentaire pour être agrée pour le diagnostique approfondi. Les conditions d’agrément sont décrites dans l’arrêté wallon. La certification est valable 5 ans et renouvelable sous conditions de suivre une formation minimale de perfectionnement.

Une entreprise qui emploie un ou plusieurs techniciens agrées doit renseigner à l’AWAC (Agence wallonne de l’Air et du Climat) leur nom et leurs numéros de certificat.

Types de techniciens

Technicien agréé combustibles liquides.
Technicien agréé combustibles gazeux G1, c’est-à-dire toutes les chaudières gaz sont les chaudières à brûleurs gaz pulsés.
Technicien agrée combustibles gazeux G2, c’est-à-dire pour les chaudières à brûleurs gaz pulsés.
Technicien spécialisé en combustibles solides.
Technicien agrée pour le diagnostic approfondi des chaudières de plus de 15 ans et de type I (c’est-à-dire de puissance inférieure à 100 kW).
Technicien agrée pour le diagnostic approfondi des chaudières de plus de 15 ans et de type II (c’est-à-dire de puissance supérieure à 100 kW, plusieurs chaudières de moins de 100 kW ou pour les combustibles solides).

Exigences pour les gaz de combustion

Les gaz de combustion doivent répondre aux exigences mentionnées dans le tableau suivant

Combustible	Type « unit » ou brûleur pulsé	Prémix?	Année de Fabrication	Code catégorie	Indice de fumée maximal (bacharach)	T° gaz de combustion maximale (°C)	Teneur en CO₂ minimale (%)	Teneur en O₂ maximale (%)	Teneur en CO maximale (mg/kWh)	Rendement de combustion minimal (%)	Reclassement à partir du 30 mai 2017
Liquide	Pulsé		> 1998	LP A	1		12	4.4	155	90
			[1988,1997]	LP B	1		11		155	88	LP A
			< 1988	LP C	2		10		155	85	LP A
Gazeux	Pulsé		> 1998	GP A		200	8.5		110	90
			[1988,1997]	GP B		220	7.5		150	88	GP A
			< 1988	GP C		250	6.5		270	85	GP A
	Unit	Prémix	> 2007	GUP A		180			110	90
			[1998,2006]	GUP B		180			150	90	GUP A
			[1988,1997]	GUP C		200			150	88	GUP A
			< 1988	GUP D		250			270	84	GUP A
		Non- prémix	>2007	GUnP A		200			150	88
			[1998,2006]	GUnP B		200			200	88	GUPnP A
			[1988,1997]	GUnP C		250			200	86	GUPnP A
			< 1988	GUnP D		300			300	82	GUPnP A

Que se passe-t-il en cas de non conformité de l’installation ?

En cas de non respect des critères de bon fonctionnement, l’arrêté impose une procédure de mise en conformité qui peut, si les dispositions adéquates ne sont pas prises, conduire finalement à une obligation de mise à l’arrêt du générateur (voir le logigramme ci-après).

Le générateur de chaleur ne pourra normalement être mis ou maintenu en service que si l’installation est conforme. Néanmoins, afin d’éviter que des personnes se retrouvent sans chauffage durant la période hivernale, dans les logements d’habitation, une procédure dérogatoire pourra être envisagée entre septembre et avril si le fonctionnement du générateur ne risque pas de porter préjudice à la sécurité des personnes.

Logigramme relatif au contrôle périodique.
(Source : Service public de Wallonie (SPW), Agence wallonne de l’Air et du Climat)

Posted By : Laurent 19 Jan, 2011

Régulation de l’académie de dessin de Molenbeek

Objectif de l’audit de régulation

L’académie de dessin et d’arts visuels de Molenbeek est située rue Mommaerts. Son installation de chauffage a été rénovée dans les années 2004-2005. Il s’agit d’une installation de chauffage moderne dont la conception respecte les règles de l’art en matière d’utilisation rationnelle de l’énergie (URE). Néanmoins, si une installation bien conçue est un élément essentiel pour un fonctionnement efficace, il faut aussi que l’exploitation quotidienne se fasse de manière optimale. C’est à ce stade qu’intervient la régulation. Il est important que le contrôle, le « pilotage », de l’installation se fasse de manière correcte et cohérente durant toute la durée d’utilisation. Dans bien des cas, on trouve des installations modernes dont la régulation ne fonctionne pas bien (ou plus bien), grevant ainsi de manière significative les performances énergétiques. À titre d’exemple, il peut s’agir de paramètres de la régulation qui ont été modifiés de manière incorrecte pour faire face à une situation ponctuelle, de paramètres de réglage qui n’ont jamais été adaptés finement au bâtiment, voire de matériel assurant la régulation qui est devenu défectueux.

C’est dans cette réflexion qu’a été réalisé l’audit de l’installation de chauffage de l’académie de Molenbeek. Cet audit a pour but d’identifier les éventuels dysfonctionnements de la régulation, d’en optimiser les paramètres ainsi que d’aider le Responsable Énergie à se réapproprier la compréhension et la maitrise des régulateurs. Cet encadrement méthodologique a été réalisé par l’ICEDD dans le cadre d’un audit Sibelga. Durant l’audit, l’attention s’est essentiellement focalisée sur la régulation.

Description de l’installation

Comme évoqué plus haut, l’installation de chauffage de l’académie de Molenbeek est équipée de matériel performant et a bénéficié d’une bonne conception. Nous décrivons ci-dessous les éléments de l’installation ainsi que les mesures qui ont été prises pour atteindre les meilleures performances énergétiques.

Schéma de principe de l’installation

Schéma de principe de l’installation de chauffage de l’académie de Molenbeek.

À la production, on trouve deux chaudières au gaz à condensation de 300 kW fonctionnant en parallèle (2). Il s’agit de deux chaudières à prémélange équipées d’un ventilateur et d’un contrôle de combustion. Elles permettent d’atteindre une large plage de modulation (de 8 à 100 % de la puissance nominale) avec de très bons rendements. En outre, la technologie du brûleur a été développée pour minimiser l’émission de NO_x.

Nous sommes en présence de chaudières contenant un grand volume d’eau et qui par conséquent ne nécessitent pas d’être irriguées en permanence d’un débit d’eau minimum. Cette caractéristique permet de disposer d’un collecteur primaire ouvert (1) (non bouclé, sans bouteille casse-pression). Ceci permet d’éviter tout risque d’un retour direct d’eau à haute température vers le retour des chaudières qui grèverait la condensation. Sur ce circuit primaire viennent se greffer deux circuits de chauffage qui vont distribuer l’eau chaude dans les différentes parties du bâtiment. La température de départ de chaque circuit est adaptée avec une vanne trois voies (3). La température de départ est mesurée au moyen d’un capteur (4). Celle-ci est adaptée au moyen de la vanne trois voies pour atteindre une température de consigne fixée par la régulation climatique (5). Par définition de la régulation climatique (courbe de chauffe), la température de consigne pour l’eau de départ est fixée principalement en fonction de la température extérieure.

L’occupation et par conséquent le chauffage des locaux est intermittent. Dans certaines plages horaires (définies dans le régulateur) correspondant à l’inoccupation du bâtiment, le chauffage est coupé. En pratique, on laisse redescendre la chaudière en température et les circulateurs (6) sont coupés pour ne plus alimenter les circuits de chauffage. Néanmoins, en période de gel (mesurée par la sonde extérieure de la régulation (5)), on fait de nouveau circuler de l’eau dans le circuit de chauffage pour assurer que le bâtiment ne descende pas trop bas en température pendant la période de coupure. Dans ce cas, le niveau de température pour les départs des circuits est maintenu à une valeur faible, mais suffisante pour « protéger » le bâtiment.

Les radiateurs, non représentés dans le schéma ci-dessus, sont équipés de vannes thermostatiques pour réaliser la régulation fine de température dans chaque local. Les vannes thermostatiques étant susceptibles de se fermer pour réduire le débit (lorsqu’elles réalisent la régulation locale), des circulateurs à vitesse variable (6) ont été placés sur chaque départ limitant ainsi les consommations électriques liées à la distribution.

Pour conclure, il nous reste à commenter la manière dont les deux chaudières sont régulées. Le brûleur de chaque chaudière est régulé pour maintenir une température de départ à un niveau de consigne (2). Cette température de consigne pour le circuit primaire est calculée par le régulateur (5). Il s’agit généralement de la température du circuit de chauffage le plus demandeur (majorée de 5°C). En d’autres termes, il s’agit de la température calculée par la régulation climatique en fonction de la température extérieure (augmentée de 5°C) pour les deux circuits de chauffage.

Photographie des différents éléments

Les deux chaudières sont de type gaz à condensation de 300 kW (première photo). La deuxième photo montre le collecteur primaire et les départs/retours des deux circuits de chauffage. De manière générale, on voit que l’ensemble des conduites et des vannes est particulièrement bien isolé pour limiter les pertes vers la chaufferie. La troisième photo est un zoom sur une des extrémités du collecteur primaire : on voit clairement que le circuit primaire est de type ouvert.

La première photo est un zoom sur les vannes 3 voies (3) qui équipent chacun des 2 circuits de chauffage : le niveau d’isolation est soigné. Chaque température de départ est mesurée et transmise (4) au système de régulation (5). La deuxième et la troisième figure montrent ces capteurs de température en conduite ainsi que leur câblage vers le régulateur.

Les trois photographies montrent à quoi peut ressembler un système de régulation d’une installation de chauffage (5). La première photo montre le coffret électrique de l’installation dans lequel se trouve la régulation. La deuxième image est un zoom sur le rail sur lequel est monté le régulateur (à gauche) et son interface avec l’utilisateur de contrôle (à droite). Dans cette installation, l’interface est assez conviviale dans la mesure où elle est facile d’emploi, explicite et donc relativement facile à manipuler par un utilisateur indépendant du fabricant (en d’autres termes, non-initié à travailler avec ce matériel spécifique).

On retrouve les deux circulateurs à vitesse variable (6) sur les deux dernières photos. On remarque que l’enveloppe du circulateur au niveau de son rotor est elle aussi isolée pour limiter les pertes de chaleur.

Campagne de mesure

L’audit a pour but de vérifier si l’installation de chauffage se comporte correctement, de détecter d’éventuelles erreurs et, si possible, d’apporter une correction. Pour faire le diagnostic, il faut disposer d’informations. Il peut s’agir de témoignages d’occupants du bâtiment (ex. plaintes), du gestionnaire de l’installation ou par la vérification « in situ » du fonctionnement. Néanmoins, la source d’informations que nous souhaitons mettre en avant dans cette « étude de cas » est la campagne de mesure. En effet, sur base des technologies actuelles de sondes de mesure, il est très facile de placer plusieurs sondes de température (d’ambiance ou de surface) au sein de l’installation pour mesurer et enregistrer son fonctionnement. Il s’agit de sondes que l’on achète et place « soi-même » et non pas des capteurs propres à la régulation (dont l’historique des mesures est généralement indisponible).

Dans la présente étude, les sondes suivantes ont été placées :

mesure de la température de départ et de retour des deux circuits de chauffage (par la mesure de la température de surface des conduites métalliques) ;
mesure de la température de départ et de retour des chaudières (par la mesure de la température de surface des conduites métalliques) ;
mesure de la température extérieure (par une sonde de mesure de la température ambiante placée dehors à l’abri du vent et de la pluie) ;
mesure de la température dans plusieurs zones thermiques (locaux) du bâtiment (par une sonde de mesure de la température ambiante).

Ce matériel ainsi que son logiciel d’exploitation sont relativement bon marché. Le prix varie suivant les marques, mais une recherche rapide nous a permis d’estimer la valeur à approximativement ~ 1 000, 1 500 €. Au regard du prix de l’installation ainsi que du potentiel d’économie réalisable via un audit de la régulation, l’investissement dans un tel matériel est négligeable.

Exemples de mesures

Mesure de la température de départ et de retour de la chaudière par sonde de mesure de la température de surface : sonde appliquée sur la surface métallique avec une bande en velcro.

À gauche, mesure de la température de départ du circuit de chauffage en aval du circulateur (de nouveau, sonde avec bande velcro). À droite, sonde de mesure de température ambiante (pour zone thermique du bâtiment ou température extérieur).

Résultats et amélioration de la régulation

Nous illustrons les résultats de la campagne de mesure par des graphes représentant des relevés réalisés entre le 08/12/2010 et le 20/12/2010. Cela permet de mettre en évidence l’effet de mesures correctives apportées à l’installation, celles-ci ayant été introduites le 14/12 (soit au milieu de l’intervalle de temps cité ci-dessus).

Paramètres de réglage initiaux (comportement avant le 14/12)

La campagne de mesure a montré que la régulation était mal paramétrée :

D’une part, la courbe de chauffe en occupation des 2 circuits de chauffage (droite rouge sur la figure ci-dessous) était très élevée. La courbe de chauffe se définit par deux points. Le premier est la température de départ quand la température extérieure est la plus basse (température de dimensionnement). La valeur était au départ fixée à 80°C par -10°C extérieur. Le deuxième point est la température de départ à la température extérieure limite de chauffage (c’est-à-dire la température extérieure à partir de laquelle on commence à chauffer le bâtiment). La valeur était au départ fixée à 70°C pour une température extérieure de 15°C. La température de départ était bien trop chaude pour les températures extérieures modérées (entre 5° et 15°C). En conclusion, il n’y avait qu’une différence de 10°C entre les points extrêmes de la courbe de chauffe ce qui révèle que la régulation climatique ne régulait pratiquement pas. Dans ces conditions, le fonctionnement des vannes thermostatiques présentes sur les radiateurs n’est pas optimum.

D’autre part,

la courbe de chauffe en inoccupation (droite bleue sur la figure ci-dessous) n’était pas non plus optimisée car on opère toujours la distribution d’eau chaude dans les radiateurs ce qui assure toujours un chauffage des locaux (à plus faible intensité).

Ci-dessous le graphique présentant le réglage initial de la courbe de chauffe :

Sur base de ce constat, on remarque une incohérence majeure dans la paramétrisation. En effet, la régulation climatique demande presque exclusivement des températures supérieures à 75°C pour les circuits de chauffage et, par conséquent, pratiquement un minimum de 75-80°C aux chaudières (+ 5°C par rapport au circuit le plus demandeur). Dès lors, les chaudières se mettent systématiquement en arrêt temporaire (via l’aquastat) dès que leur température atteint 80°C (ce qu’on observe dès que la température extérieure descend en-dessous de 5°C). Les chaudières se mettront dès lors de manière cyclique en mode arrêt/marche. On peut s’en convaincre par le graphe de mesure de la température de départ des chaudières (durant une semaine avec gel), Figure (1).

Figure (1) : Mesure de la température de départ des chaudières entre 08/12 et le 20/12, une semaine avec gel (date/heure en abscisses et température correspondante en ordonnées).

Avant l’intervention du 14/12, on voit bien que la température est oscillante, en dents de scie, la chaudière se mettant systématiquement en arrêt provisoire au-delà de 80 °C. La chaudière se remettait en marche pour des températures entre 50 et 60 °C. Ce n’est pas un fonctionnement normal pour des chaudières à condensation modulante qui sont censées adapter leur puissance aux besoins. En pratique, il faut éviter ces cycles courts de production parce qu’ils augmentent l’émission de polluants, réduisent le rendement et augmentent l’usure du matériel. Sur ce graphe, on constate aussi qu’avant le 14/12, la température en période d’inoccupation tourne autour de 45 °C. Cette température grève les performances de l’intermittence. Ceci est du à un abaissement insuffisant de la courbe de chauffe en inoccupation. On voit dans le graphe suivant que la température dans les différents locaux ne varie pas significativement entre le jour et la nuit (avant le 14/12), Figure (2). Dans les graphes, on distingue notamment la différence d’intermittence entre une période d’inoccupation pour la nuit ou le week-end.

Figure (2) : Mesure de la température dans trois zones thermiques du bâtiment (bleu, vert et magenta) et de la température extérieure (rouge) (date/heure en abscisses et température correspondante en ordonnées).

Paramètres de réglage adaptés (comportement après le 14/12)

Pour corriger les comportements cités ci-dessus, les mesures suivantes ont été prises :

La courbe de chauffe des 2 circuits a été redéfinie de manière plus raisonnable. La différence de température de départ est plus marquée suivant la température extérieure. La température de l’eau est surtout abaissée lorsqu’il fait « doux » dehors. En outre, le niveau de température a été globalement abaissé pour réduire les pertes de distribution, augmenter l’efficacité des chaudières à condensation et l’efficacité des vannes thermostatiques. L’évolution de la température est plus lissée, signe d’une bonne modulation.
La courbe de chauffe en inoccupation a été abaissée pour rendre l’intermittence plus efficace ce qui permet une coupure pratiquement complète du chauffage en inoccupation.

Les horaires de chauffe ont été adaptés d’une part en fonction des occupations réelles (on chauffait un circuit le vendredi alors que la partie du bâtiment desservie était inoccupée toute la journée) et d’autre part en fonction de la coupure en inoccupation qui nécessite une anticipation plus prononcée à la relance notamment le lundi (on ne dispose pas d’une sonde d’ambiance qui permettrait d’optimiser automatiquement la relance).

On peut maintenant visionner l’effet de ces mesures sur les Figures (1) et (2), en se focalisant sur la période ultérieure au 14/12. Sur la Figure (1), on voit que la température de départ est plus régulière en période d’occupation. Les chaudières fonctionnent dès à présent sans cycles courts. La température en période d’inoccupation a été réduite jusqu’à obtenir une coupure de chauffage en période d’inoccupation (une fonction « température départ par gel extérieur » permet néanmoins d’assurer un contrôle minimum de la température ambiante). L’effet sur la qualité de l’intermittence est visible sur la Figure (2). On voit que la température des zones redescend significativement en période d’inoccupation, durant la nuit et le week-end. Un pic de « surchauffe » est visible le 18 et 19/12 dans une zone de mesure (courbe en magenta). Pour information, il ne s’agit d’un dysfonctionnement. Une chaufferette électrique est parfois installée, de façon occasionnelle, pour augmenter la température d’un local spécifique (ex. séance de dessin avec modèle nu).

Bien entendu, on n’obtient pas nécessairement le bon paramétrage du premier coup. Le gestionnaire devra probablement encore adapter le paramétrage pour un fonctionnement adéquat : fournir le confort souhaité aux heures souhaitées avec le maximum d’efficacité énergétique.

Conclusions

Au travers cette étude de cas, nous avons essayé de vous convaincre de l’intérêt de réaliser un audit de régulation ainsi que de sa simplicité. En effet, le matériel nécessaire est relativement réduit, peu coûteux et facile d’emploi.

Pour conclure cette étude de cas, un point nous semble important à mentionner. La facilité du suivi de la régulation d’une installation de chauffage est grandement conditionnée par la qualité de l’interface du système de régulation. L’interface de la présente installation est explicite, conviviale/ergonomique ce que facilite grandement son usage par des non-spécialistes. Dans beaucoup d’installations, c’est loin d’être le cas. On est en présence d’une « boîte noire » sans interface, voire avec une interface totalement hermétique pour un non-spécialiste. Dans ce cas de figure, l’adaptation des paramètres de régulation nécessite l’intervention de spécialistes familiers de la marque du régulateur … soit, des coûts supplémentaires et une perte de contrôle et/ou de compréhension sur l’installation à moins de disposer des compétences en interne pour en assurer le suivi ce qui n’est pas toujours le cas. Conclusion : attention lors du choix de votre matériel de régulation ! Veillez à ce qu’il soit adapté à l’utilisateur final !

Différence entre une interface explicite et facile d’emploi et d’un boîtier de régulation « boîte noire ».

Posted By : Laurent 3 Jan, 2011

Chauffage urbain au bois à Libin

Principe du réseau de chaleur

Dans certaines installations, on trouve une chaufferie qui réalise la production de chaleur pour un ensemble de plusieurs bâtiments. La chaleur produite est distribuée au départ de la chaufferie vers les différents consommateurs via un réseau de chaleur. Celui-ci est composé d’un circuit primaire (directement couplé à la chaufferie) qui alimente les différents circuits de chauffage des bâtiments au travers d’un échangeur à plaque, les circuits secondaires. Il y a donc autant de circuits secondaires que de bâtiments. Ces circuits peuvent avoir des propriétés qui varient selon les bâtiments (type de fluide caloporteur, régime de température). Un compteur de chaleur est placé au départ de chaque circuit secondaire si bien qu’il est possible d’identifier clairement la consommation de chaque bâtiment. Chaque utilisateur reste donc responsable de la maîtrise de sa consommation énergétique.

Illustration du principe de chaufferie centralisée couplée à réseau de chaleur.

Les raisons qui peuvent conduire au choix d’une chaufferie centralisée sont multiples. On peut citer les économies d’échelle possible qui permet d’obtenir un investissement global plus faible comparé à des chaudières réparties dans chaque bâtiment. Au final, cela doit améliorer la rentabilité du projet. En outre, la chaufferie sera gérée par des professionnels ce qui doit assurer un fonctionnement correct du matériel, c’est-à-dire obtenir les rendements de production attendus ainsi qu’une usure normale du matériel. Dans le cas du bois-énergie, ces éléments sont particulièrement intéressants dans la mesure où les investissements sont relativement plus importants. On souhaite donc obtenir une durée de vie maximale du matériel pour obtenir la meilleure rentabilité. De plus, le gestionnaire de l’installation s’occupe de l’approvisionnement et du stockage du bois-énergie, ce qui simplifie grandement la vie des utilisateurs. On pourrait résumer le potentiel d’une chaufferie centralisée au bois-énergie comme étant « une opportunité de se chauffer avec une énergie renouvelable en minimisant le prix et les contraintes pour les utilisateurs« .

Néanmoins, un élément clef pour garantir l’efficacité énergétique de ses installations est de minimiser les pertes par distribution. Il s’agit de l’énergie perdue par le réseau de distribution dans le sol (qui a une température plus froide). À l’image des habitations, on isole les conduites des réseaux de chaleur afin de minimiser ces pertes. Celles-ci sont-elles pour autant négligeables ? Sur ce point, les opinions divergent. Certaines études tendraient même à montrer que quelle que soit la structure du réseau de distribution, les pertes grèvent toujours de manière significative la rentabilité des réseaux de chaleur. Cette question dépassant le cadre de cette étude, nous encourageons les lecteurs qui veulent s’engager dans un projet de réseau de chaleur de s’assurer auprès du gestionnaire du projet (ex. le bureau d’études) que ces pertes seront minimisées et ne dégraderont pas substantiellement les performances de l’installation.

Exemple de tuyaux utilisés pour le réseau de chaleur.

Gardons quand même à l’esprit qu’il est préférable d’avoir des consommateurs ayant les mêmes profils de consommation sur une même boucle primaire. En effet, comme le schéma ci-dessus le représente bien, il suffit qu’un seul des utilisateurs finaux ait besoin de chaleur à un moment donné pour que le fluide caloporteur circule dans l’ensemble de la boucle primaire, ce qui peut potentiellement engendrer des pertes importantes pour un besoin final faible.

Le projet de chaufferie centralisée au bois à Libin

La Commune de Libin est une des plus grosses communes forestières de Wallonie, avec plus de 8 200 ha de forêts dont 6 069 ha de forêts communales soumises. Alors, quand il s’est agi de trouver une solution pour chauffer économiquement et écologiquement les principaux bâtiments communaux, le choix d’une chaufferie centralisée au bois s’est rapidement imposé ! L’étude de préfaisabilité a été réalisée en 2003 alors que les travaux ont été effectués en 2008.

Non contentes de faire ce choix pour leurs propres bâtiments, les autorités communales ont aussi fait la démarche d’associer le plus largement possible les riverains au projet de réseau de chaleur. Ils représentent aujourd’hui 50 % des consommations du réseau. Une option qui offre l’avantage de réduire proportionnellement les coûts d’investissement, d’améliorer la rentabilité des infrastructures et de rendre le système thermiquement plus performant, en associant des consommateurs avec des profils (tertiaires et logements) complémentaires. En effet, cette complémentarité accroît la charge de base, c’est-à-dire la charge présente en quasi-permanence, ce qui accroît le temps de fonctionnement de la chaudière.

Pour son approvisionnement en bois, la commune de Libin s’est par ailleurs associée aux communes voisines de Paliseul et Wellin pour mettre en place et gérer une plateforme transcommunale de préparation, de séchage, de stockage et de distribution des plaquettes de bois faites à partir de bois forestiers de moindre valeur.

Cette étude de cas est une version étendue des fiches produites par le facilitateur bois-énergie orienté secteur public pour le compte de la Région wallonne. Cette fonction de facilitateur est réalisée par la Fondation Rurale de Wallonie (FRW) dans la personne de Francis Flahaux. Cette fiche technique est disponible via le site internet de la FRW ( http://www.frw.be/). En outre, le projet de chauffage urbain à Libin s’intègre dans le Plan Bois-Énergie et Développement Rural (PBE&DR – https://www.frw.be/pbe.html) pour la Wallonie.

Logo Fondation Rurale de Wallonie.

Description du réseau de chaleur

Le réseau de chaleur assure le chauffage de 9 bâtiments publics, mais aussi de 16 bâtiments privés représentant 22 logements, dont une banque, un hôtel, des logements sociaux. Il est composé de trois branches et mesure 715 mètres de long.

Schéma du réseau de chaleur à Libin. Le silo de stockage se situe au niveau du rectangle bleu et la chaufferie au niveau du rectangle rouge. Les bâtiments publics sont les suivants : la maison communale (1), les écoles communales (2), la salle de gym (3), la poste (4), le CPAS (5), le presbytère (6), l’église (7), la maison de village (8) et les logements sociaux (9). Quant aux bâtiments privés, on retrouve l’Hôtel (10), les logements privés (11) et la banque (12).

Vues du centre de Libin. La première image montre la maison communale (1) à droite avec les logements privés (11) et la banque (12) répartis du côté gauche de la rue. La deuxième image est prise dans la direction opposée. On distingue au premier plan le « couvercle » du silo, ensuite vient la maison communale (1). L’église (7), la maison de village (8) ainsi que les logements sociaux (9) ne sont pas visibles en arrière-plan. La dernière image est prise dans la ruelle qui longe les écoles communales (2).

Photographies lors du placement des tuyaux du réseau de chaleur.

La chaufferie

Le schéma ci-dessous illustre bien le principe de base de la chaufferie, bien que la configuration spatiale (c’est-à-dire la position relative des différents éléments) diffère un peu avec la situation réelle à Libin. Au départ, on trouve un silo enterré pour réaliser le stockage des plaquettes. Le plafond du silo est muni d’une trappe qui permet à camion de venir alimenter le silo. Sur le sol du silo, on trouve le racleur hydraulique qui permet d’extraire des plaquettes hors du silo et de les diriger vers le système d’alimentation de la chaudière. Finalement, les plaquettes sont acheminées vers la chaudière au moyen d’une vis sans fin.

Schéma de principe de la chaufferie à plaquette de Libin : silo (accessible par un charroi lourd, équipé de deux lignes de racleurs hydrauliques), vis sans fin et chaudière en bout de course.

On peut maintenant illustrer de manière plus précise chaque élément cité ci-dessus.

Le silo, l’extraction et le transport des plaquettes

La première photo montre, en avant-plan, la trappe fermée du silo en avant de la maison communale. On constate que la présence du silo est assez « discrète » dans la mesure où l’intégration avec l’ensemble des bâtiments est assez harmonieuse. Les photos suivantes montrent l’ouverture progressive de la trappe au moyen de vérins. Une fois la trappe complètement ouverte un camion peut venir alimenter le silo, comme l’illustre la dernière photographie.

Le silo a un volume utile de 90 m³. Il assure 7 jours d’autonomie à la chaudière bois quand elle fonctionne à puissance nominale.

La première photo donne une idée de la profondeur du silo comparé aux dimensions de la trappe. La deuxième photo montre les deux racleurs hydrauliques placés dans le silo.

Deux lignes de racleurs hydrauliques ramènent les plaquettes vers une vis sans fin. Celle-ci alimente la chaudière située en bout de course de la vis.

La première figure l’arrivée des plaquettes sur le début de la vis sans fin, en fin de ligne des racleurs hydrauliques. La deuxième photo montre le canal métallique qui contient la vis sans fin et qui fait progresser les plaquettes vers la chaudière. Celle-ci est visible sur la troisième photographie (en orange). Finalement, on voit la vis sans fin munie de retour d’angle pour assurer les changements de niveau permet aux plaquettes de parcourir une petite dizaine de mètres.

La chaudière à plaquettes

La chaudière Schmid à plaquettes a une puissance de 550 kW. Elle possède un foyer de type volcan, un décendrage et nettoyage automatique des tubes de fumées. La nouvelle chaufferie contient une chaudière d’appoint au mazout. Celle-ci à une puissance de 600 kW. Néanmoins, grâce à la complémentarité des profils de consommation évoquée ci-dessus (entre tertiaire et logements) qui assure une charge de base plus importante, la chaudière au bois assure 90 % de la production de chaleur. Dans le cas de la chaufferie de Libin, les deux nouvelles chaudières ont pu être installées dans l’ancienne chaufferie évitant ainsi de devoir construire un nouveau bâtiment.

La première figure montre la chaudière à plaquette au sein de la chaufferie. La troisième figure illustre son principe de fonctionnement. On distinguera principalement le foyer volcan alimenté par une vis sans fin, ainsi que le réseau de tubes de l’échangeur de chaleur (qui récupère l’énergie des fumées).

La première image montre l’intérieure de la chambre de combustion (en dépression). La deuxième photographie est un zoom sur les vérins qui assurent le raclage des tubes horizontaux de l’échangeur de chaleur, effectuant ainsi le nettoyage et le décendrage. La troisième photographie montre un des cendriers connectés à la chaudière tandis que la dernière image donne un aperçu du volume de cendre qui peut être généré.

Analyse économique

L’investissement total de l’installation est de 1 078 000 € TVAC. Approximativement la moitié de l’investissement est dédié au réseau de chaleur (avec 468 022 €). Le restant de l’investissement peut être divisé en trois parties quasiment égales : le gros œuvre (191 156 €), la chaudière et ses périphériques (208 975 €) et l’hydraulique (174 507 €). La part dédiée aux études et à la coordination est relativement faible dans la mesure où elle se limite à 35 340 €.

Le soutien financier de la Wallonie a été substantiel dans la mesure où celle-ci est intervenue pour un montant s’élevant à 862 400 €. La part restant à la commune étant limitée à 215 600 €. Sur base des prix de l’énergie moyens de 2008, la consommation annuelle de ~2 000 map de bois permet d’économiser approximativement 60 000 €/an par rapport au mazout, le vecteur énergétique de l’ancienne installation. Sur base de ces chiffres, le facilitateur bois-énergie estime le temps de retour à 3.6 ans pour un matériel dont la durée d’utilisation tourne autour d’une vingtaine d’années (du moins en ce qui concerne la chaufferie).

Performances environnementales

Si on considère les émissions de gaz nocifs émis par la combustion, on voit que la chaudière au bois permet de réduire significativement l’empreinte environnementale. Il faut du moins que la forêt de laquelle sont extraites les plaquettes soit gérée de manière durable.

Si on considère le cycle complet du combustible, c’est-à-dire en intégrant les processus énergivores de l’extraction, du conditionnement et du transport, on peut prendre une émission de 327 grammes d’équivalent CO₂émis par kWh pour le fioul et de 25 grammes par kWh pour les plaquettes. Si on intègre le cycle de vie complet, l’impact du bois-énergie sur l’émission de gaz à effet de serre n’est pas nul, mais il est de loin inférieur par rapport aux énergies fossiles. Dans le cas du mazout, la différence est estimée à 302 grammes de CO₂ par kWh. Si on reprend la consommation annuelle de la chaudière de ~2 000 000 kWh, les plaquettes permettent de réduire l’émission de ~600 tonnes d’équivalents CO₂ par an ! Le facilitateur estime quant à lui, cette réduction à 486 tonnes par an. En termes de production de SO₂, cette réduction serait de 940 kg/an.

Quelles leçons tirer après 8 ans d’usage ?

Les travaux furent terminés en 2008. En 2016, nous avons rencontré le premier échevin de la commune de Libin et avons visité les installations en compagnie de la conseillère en énergie de la commune et du responsable technique de ces équipements.

Ils nous ont fait part de leurs expériences.

Leurs clients privés sont très satisfaits du service offert. Ils payent exactement l’énergie fournie (rendement de production : 100 %). Ils n’ont pas de frais d’entretien. Ils n’ont pas besoin de chaufferie ni de cheminée. La chaleur fournie est suffisante et très rarement indisponible, la plupart du temps à cause d’une panne chez le client. Dans ce dernier cas, le gestionnaire du réseau intervient très rapidement.

A l’usage, il est cependant apparu que certains points peuvent être améliorés. Un audit de l’installation hydraulique va être réalisé pour pouvoir définir les améliorations nécessaires.

La boucle du réseau de chaleur extérieur est fort longue. Elle aurait pu être théoriquement optimisée. Les pertes de chaleur dépendent de la longueur de la boucle. Heureusement, les tuyaux sont bien isolés et les pertes visibles en hiver lorsqu’il y a de la neige sur le sol ne sont pas trop importantes. Ce sont des contraintes administratives (propriétés traversées) et techniques (configuration de la voirie et de son infrastructure) qui ont dicté le tracé des conduites.

Le comptage d’énergie fournie est bien effectué chez les clients, mais pas dans les bâtiments communaux. L’énergie totale fournie n’est donc pas mesurée. Le rendement de l’installation et la répartition des pertes sont ainsi impossibles à déterminer jusqu’à présent.

Lorsque les clients extérieurs sont en demande importante en hiver, les bâtiments communaux sont mal chauffés. L’équilibrage des boucles et les débits des circulateurs doivent être réétudiés pour déterminer les modifications nécessaires.

Un client important, un hôtel, n’est plus approvisionné en chaleur. La puissance du réseau est depuis sous-employée. La commune a l’intention d’étendre le réseau et d’y raccorder d’autres clients.

La fourniture de chaleur pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) chez les clients oblige la boucle de distribution à fonctionner toute l’année, y compris en été. Il est envisagé de trouver un autre moyen pour produire l’ECS directement sur les lieux de consommation.

La qualité des plaquettes a un impact important sur le bon fonctionnement de l’installation. Les fournisseurs doivent en garantir un niveau suffisant. Ils n’en sont pas toujours conscients.
- Forme des plaquettes : des plaquettes de forme anormale, des branches par exemple, se coincent parfois dans les systèmes d’acheminement vers la chaudière. Elles peuvent provoquer des obstructions ou se coincer devant des détecteurs optiques. Dans ce dernier cas, les informations transmises au système sont fausses et provoquent des pannes, des défauts d’approvisionnement et des mises en sécurité de la chaudière. Lorsqu’il y a obstruction, les plaquettes se compactent par écrasement et provoquent aux raccords entre les transporteurs des bouchons très durs, difficiles à enlever. Lorsque cela arrive, c’est la chaudière au mazout qui prend le relais. Il en résulte une consommation plus importante de combustible fossile en lieu et place du bois. L’adaptation des systèmes de détection par le responsable technique de l’installation a déjà apporté de nombreuses améliorations.

- Propreté des plaquettes : la présence de poussière dans le produit due aux aléas de sa fabrication provoque dans la chaudière l’apparition de mâchefers lors de la combustion. La quantité produite est très importante et nécessite un nettoyage journalier. Ce travail est difficile, car les mâchefers s’accrochent aux parois. Leur enlèvement nécessite d’arrêter la chaudière pour la laisser redescendre en température.

- Corps étrangers : des pierres, des morceaux de béton ou des barres métalliques sont parfois présents dans les plaquettes fournies. Lorsqu’ils pénètrent dans le système de transport, ils provoquent des dégâts importants (blocages, déformations et bris).

Un site comprenant un hangar de séchage, une aire de manœuvre (broyage) et une zone de stockage de bois vont être créés en partenariat avec les communes de Wellin et Paliseul, de manière à ce que les trois communes produisent elles-mêmes leur combustible. La qualité de celui-ci sera dès lors mieux contrôlée et le fonctionnement du système sera amélioré.

Le silo de stockage des plaquettes, bien que son volume total soit de 120 m³, ne peut contenir que 60 m³ au lieu des 90 m³ utiles théoriques. Les plaquettes déversées forment un tas qui ne s’étale pas complètement dans le volume disponible. La pente de talus provoquée par les caractéristiques des plaquettes est très importante. Cela nécessite des approvisionnements plus fréquents que prévu. Un silo permettant un accès aux camions à plusieurs endroits aurait été plus facile à remplir. Le silo réalisé en fonction de la configuration locale est cependant facile d’accès depuis la rue pour les camions à benne basculante. Le versage est rapide. La chaufferie située un étage plus bas que la voirie ne nécessite quasiment pas de relevage du combustible.

Partenaires du projet et contacts

Commune de Libin, Laurent Jacquet : laurent.jacquet@creg.be
Gros œuvre par l’entreprise TP rénovation, Olivier Cariaux : o.cariaux@tprenovation.be
Chaudière et périphérique par SCHMID (France), Stephan Kohli : schmid-france@wanadoo.fr
Hydraulique par la société Druart, Francesco Di Giacomo : druart-hvac@druat-sa.be
Réseau de chaleur par la SOCOGETRA, Michel Evrard : michel.evrard@socogetra.com
Etude de projet par SECA Benelux, Bernard Tamigneau : secabenelux@groupe-seca.com
Facilitateur Bois-Énergie pour le secteur public et coordinateur du plan PBE&DR, Francis Flahaux de la Fondation Rurale de Wallonie (FRW), e-mail : pbe@frw.be

N’hésitez pas également à consulter notre page consacrée aux technologies de conversion du bois-énergie.

Posted By : Laurent 22 Juin, 2010

Chauffage au bois de l’hôpital de Dave

Vue de l’hôpital Saint-Martin à Dave : première photographie représente le bâtiment qui est alimenté par la chaufferie au bois, deuxième photographie est une vue champêtre, bucolique de la vallée de la Meuse prise de l’hôpital.

Introduction

En 2005, la direction de l’hôpital neuro-psychiatrique Saint-Martin à Dave, près de Namur, a décidé de mettre en œuvre un plan majeur pour réduire la consommation énergétique de leur établissement ainsi que pour réduire la facture et l’empreinte environnementale associée. En effet, avant cette phase d’amélioration, l’institution consommait approximativement 1 200 000 litres de mazout par an pour réaliser le chauffage des locaux et la production d’eau chaude sanitaire (ECS). On imagine la charge que représentait ce poste de chauffage pour l’institution.

Dans une démarche globale, de bonnes performances énergétiques sont obtenues premièrement en réduisant les besoins finaux du bâtiment et deuxièmement en produisant la chaleur restante avec des systèmes de production efficaces. En outre, si ces derniers sont basés sur des énergies renouvelables, la réduction de l’impact environnemental peut être très conséquente.

De manière consistante, l’institution a d’abord entrepris une démarche de réduction des besoins de chaleur par une démarche globale d’utilisation rationnelle de l’énergie (URE). Ils ont travaillé au niveau des performances de l’enveloppe en plaçant des doubles vitrages, au niveau de la régulation des systèmes de chauffage en plaçant des vannes thermostatiques sur les émetteurs et en réalisant des régimes de coupure ou ralentis (suivant les cycles jour/nuit, semaine/week-end). Toute politique véritablement efficace s’accompagne d’un changement de comportement des utilisateurs. Parallèlement, des démarches de sensibilisation ont dès lors été réalisées au niveau du personnel et des patients.

Il restait ensuite à produire le besoin résiduel de manière efficace. La direction de l’établissement a décidé de produire une partie de la chaleur au moyen d’une chaudière automatique à plaquettes. Celle-ci remplace trois chaudières au mazout qui réalisaient le chauffage de 9 000 m² de locaux.

Cette étude de cas est une version étendue des fiches produites par le facilitateur bois-énergie orienté secteur public pour le compte de la Région wallonne. Cette fonction de facilitateur est réalisée par la Fondation Rurale de Wallonie (FRW) dans la personne de Francis Flahaux. Cette fiche technique est disponible via le site internet de la FRW ( http://www.frw.be/). En outre, le projet de l’institution de Dave s’intègre dans le Plan Bois-Énergie et Développement Rural (PBE&DR – https://www.frw.be/pbe.html) pour la Wallonie.

Description de l’installation de chauffage au bois

La chaudière à plaquette KÖB Pyrtec a une puissance nominale de 950 kW et remplace trois chaudières au mazout pour le chauffage de 9 000 m² de locaux. Elle couvre un besoin final d’approximativement 2 700 000 kWh/an. Comme la chaudière a une plage de modulation de puissance de 285 à 950 kW, elle réalise directement le chauffage des locaux sur une grande partie de l’année. Une chaudière de sauvegarde au mazout de 1 100 kW a été installée.

La consommation de la chaudière à plaquettes représente un volume annuel de 2 800 mètres cubes apparents (map). Il s’agit de plaquettes de granulométrie de 30 mm et d’un taux d’humidité de 30 % (c’est-à-dire G30/W30). Par grand froid, en faisant l’hypothèse que la chaudière fonctionne à puissance nominale de manière continue, celle-ci consommerait 950 kW*24 h/jour, soit 22 800 kWh/jour. Si on prend comme base un PCI de 1 000 kWh/map, la chaudière peut ingérer 22.8 map de bois par jour dans les conditions climatiques extrêmes. Afin de garantir une certaine autonomie, les concepteurs ont opté pour un silo de 180 m³. Pour un tel volume, un bâtiment spécifique a été érigé. Il est constitué du silo à plaquettes placé à côté d’une nouvelle chaufferie.

Photographies du nouveau bâtiment constitué de la chaufferie (partie en bardage clair avec la cheminée) et du silo de stockage des plaquettes (partie en bardage foncé). La dernière figure est une vue à l’intérieur du silo prise à partir de la chaufferie.

Le silo à plaquettes

Le silo à plaquettes à un volume de 180 m³. Il est implanté en contrebas d’un talus important ce qui permet de pouvoir l’alimenter par un camion sans devoir créer une rampe par terrassement. Les plaquettes sont versées par des trappes aménagées dans le toit du silo.

Illustration de la topologie du terrain qui permet d’alimenter directement le silo en plaquettes de bois.

Au fond du silo, on trouve le dispositif d’extraction des plaquettes, il s’agit d’un racleur hydraulique aussi appelé planché à tiroir. Ce dispositif amène les plaquettes au niveau du sol entre le silo et la chaufferie où elles seront alors transportées via un système de vis sans fin et de retour d’angle vers la chaudière.

Vue du bas du plancher tiroir où les plaquettes sont extraites et acheminées via une vis sans fin et retour d’angle vers la chaudière.

La chaudière à plaquettes

On peut maintenant passer à la description de la chaudière proprement dite. Celle-ci occupe la plus grande partie de la chaufferie.

Chaudière KÖB Pyrtec au sein de la chaufferie et son schéma de principe à droite.

Dans le schéma de principe ci-dessus, on repère l’alimentation par une vis sans fin (qui se trouve du côté gauche de la chaudière dans le cas de l’hôpital de Dave). On distingue le principe de combustion sur grille mobile où le bois est attaqué par l’air primaire de combustion. À la fin de la combustion, les cendres sont poussées en bout de course vers le cendrier. Après la phase primaire de combustion, les gaz riches cheminent vers l’échangeur où ils sont attaqués par l’air secondaire de combustion avant de rentrer dans celui-ci. Sur la face avant de la chaudière, on repère le système pneumatique qui permet racler les échangeurs pour les maintenir propres.

La première photographie représente l’ouverture sur le foyer maintenu en dépression par le ventilateur d’extraction de la chaudière. La deuxième photographie est un zoom sur la combustion sur la grille.

L’alimentation de la chaudière

La chaudière est alimentée en bas à gauche par une vis sans fin. À l’admission de celle-ci, on trouve la fin du dispositif de transport composé d’une vis sans fin avec retour d’angle. Intercalé entre les deux, on place un dispositif coupe-feu afin d’éviter que celui-ci ne propage en cas d’accident entre la chaudière et le silo.

Alimentation de la chaudière : en bas, la vis d’alimentation et haut, la vis de transport provenant du silo.

Le cendrier

Le volume de cendre généré est loin d’être négligeable comme on peut s’en convaincre par la taille du cendrier.

Vue sur le cendrier principal et de sa connexion avec la chaudière.

Analyse économique

Le cas de l’installation au bois de l’hôpital de Dave est un cas typique qui permet d’illustrer les grands enjeux de la conception d’une installation au bois. Ceux-ci ont été énoncés dans la section de choix du combustible.

Le vecteur énergétique est la plaquette de bois. Nous l’avons dit, la consommation correspond à 2 800 map/an. Pour garantir une certaine autonomie, les concepteurs ont choisi de bâtir un silo de 180 m³. Afin de trouver un tel volume et de pouvoir placer la chaudière proche du stockage, un nouveau bâtiment a été spécialement créé.

Cela modifie radicalement la clef de répartition des coûts. Pour un investissement total TVAC de 360 000 €, le gros œuvre représente 240 000 € pour 100 000 € pour la chaudière et ses périphériques. Même si au départ, les chaudières au bois sont plus chères que leurs homologues mazout ou gaz naturel, le gros œuvre fait croître considérablement les coûts. Citons que le coût des études et de la coordination s’élève à 20 000 €.

Comment rentabiliser un tel surinvestissement par rapport à une chaudière fuel ? Par kWh, les plaquettes sont significativement moins chères que le fioul. Si on prend un prix du mazout à 5.3 c€/kWh et un prix de 2.3 c€/kWh pour les plaquettes en janvier 2010, on obtient une différence de 3 c€/kWh. En supposant que la chaudière au bois a un rendement équivalent à une chaudière au mazout standard, on retrouve cette différence de 3 c€ au niveau de la facture. La chaudière consomme 2 800 map/an soit approximativement 2 400 000-2 800 000 kWh/an. Par conséquent, si le prix des énergies reste identique, chaque année la consommation de plaquettes à la place de mazout permet d’économiser 72 000 €. On estime le temps de retour simple sur l’investissement proche de 5 ans. Sur base des calculs réalisés par le facilitateur, celui-ci estime le temps de retour simple à 7,8 ans. Au regard de la durée d’utilisation d’un tel matériel qui avoisine les 20 ans, le rentabilité économique du projet semble clairement prouvée.

Performances environnementales

Si on considère le cycle complet du combustible, c’est-à-dire en intégrant les processus énergivores de l’extraction, du conditionnement et du transport, on peut prendre une émission de 327 grammes d’équivalent CO₂émis par kWh pour la fioul et de 25 grammes par kWh pour les plaquettes. Si on intègre le cycle de vie complet, l’impact du bois-énergie sur l’émission de gaz à effet de serre n’est pas nul, mais il est de loin inférieur par rapport aux énergies fossiles. Dans le cas du mazout, la différence est estimée à 302 grammes de CO₂ par kWh. Si on reprend la consommation annuelle de la chaudière de 2 400 000-2 800 000 kWh, les plaquettes permettent de réduire l’émission de 724-845 tonnes d’équivalents CO₂ par an ! Le facilitateur estime quant à lui, cette réduction à 583 tonnes par an. En termes de production de SO₂, cette réduction serait de 1 120 kg/an.

La combustion du bois peut-être source de particules fines particulièrement nocives pour la santé. Dans le cas de l’installation de l’hôpital Saint-Martin de Dave, la chaudière est munie d’un dispositif de filtrage des fumées de combustion afin que celles-ci ne soient rejetées dans l’atmosphère.

Cyclone de décendrage des fumées avec un cendrier en contrebas.

Partenaires du projet et contacts

Hôpital neuro-psychiatrique Saint-Martin, Dave (Namur), Benoît Folens, e-mail : benoit.folens@fracarita.org

Facilitateur Bois-Énergie pour le secteur public et coordinateur du plan PBE&DR, Francis Flahaux de la Fondation Rurale de Wallonie (FRW), e-mail : pbe@frw.be

Posted By : Laurent 21 Juin, 2010

Combustion du bois

Produits de la combustion

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

Émission de C0₂ et cycle du carbone

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

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

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

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

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

Émission de gaz nocifs et de particules fines

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

Minéraux et production de cendres

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

Quantité d’air nécessaire

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

L’excès d’air

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

L’air primaire et secondaire

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

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

Le pouvoir calorifique du bois

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

Humidité du bois

Le bois contient deux formes d’humidité :

L’humidité intrinsèque : c’est l’eau qui est intégrée, liée à la structure moléculaire du bois. Cette quantité est déterminée par des laboratoires. Elle se traduit notamment pas des valeurs différentes pour la composition chimique générique du combustible, CHyOx.

L’humidité extrinsèque : c’est l’humidité qui dépend des conditions climatiques. Plus précisément, le bois peut contenir des molécules d’eau entre ces fibres sans pour autant l’intégrer à sa structure moléculaire. Il peut s’agir de la sève que contient un bois vert ou de l’humidité induite par les conditions climatiques (pluie ou humidité de l’air).

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

Humidité relative matière sèche : [H₂O]_DM = kg_eau / kg_bois,anhydre

Humidité relative matière humide : [H2O]_HM = kg_eau / kg_bois,humide

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

Teneur en cendres

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

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

[Ce]_brut = kg minéraux par kg de bois brut = kg_minéraux/kg_bois,brut

[H₂O]_brut = kg eau par kg de bois brut = kg_eau/kg_bois,brut

Influence sur le PCI par unité de masse

Si on considère un bloc de bois anhydre (c.à.d. sans eau) sans impuretés (c’est-à-dire de minéraux), sa composition sera proche de la valeur évoquée dans la formule définie pour les combustibles purs, c’est-à-dire CH1.44O0.66, il présentera alors un PCI de 18 400 kJ/kg. Cette valeur ne dépend donc pas de l’essence du bois. La valeur est la même pour 1 kg d’épicéa sec et pur que pour 1 kg de chêne sec et pur.

Si on considère l’influence de l’humidité extrinsèque et de la présence de minéraux, il voit diminuer le PCI par kg de bois brut (c’est-à-dire contenant à la fois de l’humidité et des minéraux). D’un coté, on aura simplement moins de bois pur et sec par kg de bois brut (effet de dilution). Et d’un autre coté, l’eau extrinsèque utilisera une partie de l’énergie contenue dans le bois pur et sec pour se vaporiser (effet de vaporisation). Cela peut se chiffrer de manière simple en kJ par kg de bois brut (c.à.d humide avec minéraux) :

PCI_brut = (1 – [Ce]_brut – [H2O]_brut) 18 400 – 2 501 [H2O]_brut en [kJ/kg_brut]

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

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

Influence sur le PCI par unité de volume

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

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

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

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

Masse volumique de différentes essences (source Valbiom)

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

Influence sur le PCI du volume apparent

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

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

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

Coefficient d’empilage (CE) = m³_{bois plein}/m³_apparent,

PCI par m³_apparent = CE x masse volumique x PCI_brut,

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

Posted By : Laurent 9 Juin, 2010

Documents de référence sur l’éolien

Documents de référence sur l'éolien

Voici une série de documents de référence qui permettent de connaître les diverses contraintes et législations en vigueur lors de l’établissement d’un projet d’éoliennes :

Vade-Mecum non technologique du candidat à l’implantation d’une petite éolienne, en cours de réalisation par l’APERe. Ce document reprend les diverses étapes pour l’implantation d’une petite puissance (inférieure à 10 kW). Mars 2018 : partiellement obsolète, notamment par rapport aux règles d’urbanisme suite à l’adoption du CoDT).

Cadre de référence pour l’implantation d’éoliennes en Région wallonne. Le développement éolien est régi par un cadre de référence qui définit les orientations stratégiques de la filière. Bien que sans force légale, « le cadre de référence » est un document approuvé par le gouvernement wallon en juillet 2013. On y retrouve des consignes relatives aux règles et procédures à respecter, aux éléments à prendre en considération lors du développement d’un projet (par exemple, les distances par rapport à certaines infrastructures, les zones dans lesquelles il est souhaitable de développer des parcs, le type de machine, etc …

CoDT (Code de développement territorial) définit les règles urbanistiques notamment d’implantation des éoliennes et décrit les critères des zones « capables » le long des infrastructures de communication où l’on peut implanter de l’éolien sans justifier de la dérogation au plan de secteur.

Brochure Le développement éolien en Wallonie.

Posted By : Laurent 9 Juin, 2010

Considérer l’aspect économique de l’installation d’une éolienne

La durée d’utilisation des éoliennes

Afin de déterminer la rentabilité d’un projet éolien, il faut connaître le nombre d’années durant lesquelles on espère pouvoir exploiter ses éoliennes. On parle de durée d’utilisation. Cette notion est un peu différente de la durée de vie. En effet, à la fin de la durée d’utilisation escomptée de votre matériel, il se peut que celui-ci garde un certain potentiel pour continuer à fonctionner, notamment au travers d’une grosse révision, ou une mise à niveau. Ce matériel n’est donc pas mort. Pour réaliser une étude économique, on prend en compte la durée d’utilisation. La durée de vie est au moins égale à la durée d’utilisation :

durée d’utilisation <= durée de vie.

La durée de vie d’une éolienne dépend essentiellement de la qualité du projet (choix d’un bon site, d’une bonne machine, d’une bonne hauteur de mât, etc.) mais aussi de la qualité de la maintenance. Installer une éolienne demande de s’en occuper régulièrement quand elle est installée. Dans la suite de cette section dédiée à la durée d’utilisation, on supposera toujours que le matériel est entretenu de manière rigoureuse.

Durée d’utilisation et de vie

Cela dépend essentiellement de la taille de l’éolienne. Plus une éolienne est grande et plus sa durée de vie est importante. En effet, les fluctuations de vent sont relativement moins importantes sur une grande éolienne. En outre, pour les puissances plus importantes, la maintenance sera réalisée par des sociétés spécialisées et formées sur le type de matériel installé. Par conséquent, la qualité de la maintenance est meilleure comparée à une petite éolienne où le propriétaire devra, plus que probablement, assurer lui-même la majeure partie du suivi.

Les micro-éoliennes [0,1 à 0,4 kW] et mini-éoliennes [0,4 à 2 kW] : La durée de vie dépend fortement du matériel et de sa mise en œuvre. On peut travailler sur une base de 6 à 12 ans. Un paramètre qui permet d’évaluer la robustesse du matériel est le rapport entre le poids de l’éolienne rapporté par m² de surface balayée par le rotor. Autrement dit, cela donne une idée de la masse disponible pour supporter une certaine « densité de force ». Plus le poids de l’éolienne par m² est important, plus elle est susceptible d’être robuste. Ce n’est pas garanti, mais c’est un bon indicateur. Une éolienne légère correspond à approximativement 10 kg/m² alors qu’une éolienne massive tourne autour des 20 kg/m². À noter que sur cette gamme de micro-éoliennes, les frais de maintenance et de réparation sont souvent difficiles à justifier d’un point de vue purement économique.

Éoliennes domestiques [2 à 30 kWh] : La durée de vie peut aller de 15 à 20 ans avec une bonne maintenance et un bon monitoring.

Petites éoliennes commerciales [30 à 120 kWh] : On tourne autour de 20 ans, toujours dans de bonnes conditions de maintenance. Dans certains cas, on commence à avoir des durées d’utilisation inférieures à la durée de vie de l’éolienne.

Moyennes et grandes éoliennes commerciales [120 à 3 000 kWh] : La durée d’utilisation est de typiquement 20 à 25 ans.

Géantes commerciales [3 000 à 8 000 kWh] :
Ces éoliennes sont plus récentes. Leur durée de vie est estimée entre 20 et 30 ans en fonction des constructeurs et de l’entretien.

Investissement

Il est difficile de donner un ordre de prix pour les éoliennes et leur installation. En effet, cela dépend fortement du type d’éolienne, de sa marque ainsi que de la nature du projet. En outre, s’il faut un raccordement particulier au réseau de distribution ou de transport de l’énergie électrique via le placement d’une nouvelle ligne de transmission, cela vient s’ajouter aux frais de l’éolienne.

On peut d’abord introduire quelques tendances générales :

Le coût d’investissement par m² de surface balayée ou par kW installé diminue avec la taille des éoliennes : le coût total augmente mais le coût relatif par m² ou kW diminue.

Le coût varie selon le fabricant d’éolienne ainsi qu’en fonction du type de fondation.

Le coût peut être considérablement impacté par la distance de l’éolienne par rapport à un nœud du réseau susceptible de recevoir la production de l’éolienne. On pense notamment au fait de devoir tirer une nouvelle ligne.

Investissement par m² de surface balayée ou par kW ?

On trouve essentiellement dans la littérature des ordres de prix donnés en euros/kW installé. Certains auteurs considèrent plutôt l’investissement par m² de surface balayée par le rotor. En effet, la puissance nominale d’une éolienne peut être mesurée à des vitesses différentes d’une éolienne à l’autre. Cette dernière valeur n’est pas standardisée si bien que l’on ne sait pas de quelle puissance on parle. In fine, la relation entre la puissance et la taille de l’éolienne n’est pas directe.

Prenons, pour exemple, deux éoliennes de r endement instantané global identique et de puissance nominale égale. La première obtient son rendement nominal à 10 m/s et la seconde à 20 m/s. En gros, on s’attend à ce que la première éolienne aie une surface balayée 2³ soit 8 fois plus importante que la seconde. En termes de diamètre de rotor, la première éolienne a un rotor 8^½ fois plus grand que la deuxième. En travaillant avec l’investissement rapporté par m² de surface balayée, on s’affranchit de cette limite.

Néanmoins, si on parle en termes d’investissement par m² balayé, on n’a aucune idée de rendement, d’efficacité du matériel, sur la qualité de l’éolienne.

Ordre de grandeur d’investissements totaux rencontrés

On donne ici un tableau établi en 2010 (mis à jour en 2018) reprenant des fourchettes de prix d’investissement total suivant différentes sources :

Taille de l’éolienne	€/m²	€/kW	€/kW	€/kW
Source ou auteur	Paul Gipe	Facilitateur (APERe)		EWEA
Micro-éolienne	2 000-3 000
Mini-éolienne	1 500-3 000
Eoliennes domestiques	1 500-2 500	5 000
Petites éoliennes commerciales	1 200-1 500
Grandes éoliennes commerciales	1 000-1 250	1 400 – 1 500	1000	1 000-1 400

Ordre de grandeur de la répartition des coûts pour un projet éolien de moyenne et grande puissance

On donne ici un tableau établi en 2010 et toujours d’actualité en 2018 reprenant des répartitions types dans l’investissement suivant différentes sources :

Schéma proportion des différents coûts éoliens.

Poste	Facilitateur APERe	Parc-eolien.com	EWEA
Eolienne	75 %	68 %	75 %
Raccordement au réseau	7 %	13 %	9 %
Génie civil	8 %	8 %	6.5 %
Ingéniérie	5 %	6 %	1.2 %
Etudes préliminaires	2 %	–	1.2 %
Autres	–	5 %	7 %

On voit que l’éolienne représente le gros de l’investissement et que le coût du raccordement au réseau est loin d’être négligeable.

La maintenance

Un aspect important d’un projet d’éolienne est la capacité à la maintenir en bon état de marche. Sans ce suivi, la machine ne fonctionnera pas efficacement sur toute la durée d’utilisation. En outre, il s’agit de garantir la durée de vie du matériel.

Voici quelques spécificités des frais de maintenance en faveur des grands projets éoliens :

Comparés à l’investissement, les frais de maintenance sont d’autant plus lourds que l’éolienne est petite. A la limite du raisonnement, on trouve les mini-éoliennes et les éoliennes domestiques. Dans le cas des mini-éoliennes, le coût de la maintenance voire de la réparation est tel qu’il ne se justifie pas souvent d’un point de vue strictement économique (de l’ordre de 300€ de maintenance annuelle pour une installation de 3 kWc). Dans les cas des éoliennes domestiques qui représentent déjà un investissement plus significatif, il est souhaitable de pouvoir réaliser une vérification des composants après quelques années. Néanmoins, sur base des recherches que nous avons faites sur les fournisseurs wallons d’éoliennes domestiques, ils n’offrent pas un tel service de maintenance et d’entretien. De manière générale, le propriétaire d’une telle éolienne devra assurer lui-même le suivi régulier de son installation, d’où l’intérêt de faire un relevé de la production électrique. En effet, toute dérive significative de production sera symptomatique d’un fonctionnement anormal, d’un élément défectueux. Le propriétaire bénéficie d’une garantie de quelques années sur le matériel au-delà de laquelle il doit se débrouiller avec son éolienne.

Les frais d’entretien augmentent avec le temps. Plus l’éolienne vieillit et plus les interventions sont lourdes pour la maintenir en état.

Plus l’éolienne est grande et plus le recours d’une équipe ou d’une société spécialisée pour réaliser les différents aspects de la maintenance sera rencontré. Du coup, la qualité de la maintenance sera plus facilement garantie.

À titre d’exemple, on peut citer les chiffres pour de grandes éoliennes : 5 % de l’investissement initial par année pour les 10 premières années de fonctionnement et 7 % de l’investissement initial par année pour les 10 années suivantes. D’autres sources donnent des valeurs de 1 à 2 % de l’investissement par année et certaines avancent 2 % les 10 premières années, 2,5 % de 10 à 15 ans et 3 % pour la fin de vie de l’éolienne (entre la 16e et 20e année). Il est difficile de savoir quels chiffres sont les bons tant les facteurs qui influencent ces chiffres sont nombreux. Néanmoins, si on travaille avec une éolienne que l’on espère faire tourner 20 ans, on constate que la maintenance est un poste important à intégrer dans l’analyse de rentabilité économique.

Si nous tablons sur une durée de vie de 20 années et un coût de maintenance annuel équivalent à 5 % de l’investissement initial : Le coût de la maintenance sur la durée de vie de l’éolienne sera alors égal à l’investissement initial pour cette dernière.

Production et rentabilité

Afin de pouvoir estimer la rentabilité du projet, il est nécessaire de pouvoir estimer la production électrique annuelle de celle-ci. Il s’agit essentiellement de connaître le potentiel de vent de son site. Il faut disposer de mesures correspondantes à la localisation exacte du futur mât de l’éolienne ainsi qu’à la hauteur à laquelle sera placé le rotor ou obtenir les statistiques du vent sur base de simulations numériques.

Une fois l’investissement connu ainsi que la production électrique annuelle escomptée, on peut déduire le temps de retour sur investissement. Il y a deux grands cas de figure :

Soit, toute l’énergie électrique est injectée sur le réseau, auquel il faudra regarder le prix auquel un fournisseur voudra acheter cette énergie,

Soit on consomme entièrement ou partiellement l’énergie que l’on a produite, il faudra alors intégrer le prix auquel on vend et on achète l’énergie à un fournisseur. En effet, l’énergie que l’on produit soi-même et qu’on consomme correspond à une quantité d’énergie non consommée sur le réseau et donc à une économie.

Coût du kWh produit

On peut réaliser une analyse simple de la rentabilité économique de la production d’électricité avec une éolienne. La dimension uniquement analysée ici est la dimension économique vue par l’investisseur. La réalité est plus complexe que cela … fort heureusement d’ailleurs … L’intérêt d’investir dans l’éolien ne se limite pas à une dimension purement économique. Par exemple, les avantages de l’éolien comparés aux centrales classiques à combustibles fossiles n’est plus à démontrer, que ce soit en termes de rejet de gaz à effet de serre (SER) ou d’autonomie en approvisionnement énergétique.

On considère ici une durée d’utilisation de 20 ans avec des frais d’entretien annuels de 5 % de l’investissement initial. L’investissement est pris à différentes valeurs : 1 000 €/kW et 1 500 €/kW qui sont représentatifs des grandes éoliennes ainsi que 2 000, 3 000, 4 000 et 5 000 €/kW pour de plus petites éoliennes. Il est alors possible d’évaluer le coût du kWh produit si on connaît la production annuelle d’électricité rapportée en nombre d’heures équivalentes de fonctionnement à puissance nominale.

Si on reprend 25 % de fonctionnement équivalent à puissance nominale (une valeur typique du grand éolien pour nos contrées), pour une année de 8 760 heures, cela donne approximativement 2 200 heures. Sur base du graphe ci-dessus, on voit que le prix du kWh produit s’échelonne de 5 c€/kWh pour des investissements proches de 1 000 €/kWN à 22.5 c€/kWh pour des investissements de 5 000 €/kWN représentatifs de petites éoliennes.

Pour les mini- et micro-éoliennes, le constat fréquent en Wallonie est que le nombre d’heures efficaces dépasse rarement les 1 000 h/an. En outre, l’investissement par kW nominal pour de telles éoliennes est relativement élevé. Prenons à titre d’exemple 5 000 €/kWN, tout en sachant que les prix varient fortement d’un constructeur à l’autre (en fait, la qualité varie aussi fortement selon les fabricants). Le coût du kWh produit est approximativement de 50 c€/kWh, ce qui est nettement supérieur à prix actuel de l’électricité du réseau. Cela explique pourquoi ces éoliennes sont surtout utilisées pour l’alimentation d’appareils dans des lieux éloignés du réseau électrique. On peut citer des applications de recharge de batterie pour des bateaux ou l’alimentation de clôtures électriques dans des exploitations agricoles.

Incitants fiscaux et aide à la production

Afin de promouvoir la production d’électricité verte sur base d’énergies renouvelables, les différents niveaux de pouvoir ont mis en place des dispositifs d’incitants financiers. On peut classer les différents mécanismes en deux grandes catégories :

Les certificats verts : Chaque producteur éolien reçoit 1 CV par MWh produit, pour une durée calculée en fonction de la rentabilité de chaque projet éolien. Cette durée est calculée par le régulateur de l’énergie wallon, la CWaPE, dans le but d’atteindre un IRR/TRI de 7 %. Pour plus d’info, voire la note de la CWaPE sur le calcul du coefficient de rentabilité [k_eco] ainsi que l’arrêté ministériel. Attention, le taux d’octroi pour le petit éolien est supérieur. http://www.cwape.be/?dir=0.2&docid=1528

Aides et subsides : Par exemple, à l’heure de l’écriture de cette section, c’est-à-dire en mars 2018, on pouvait compter les mécanismes suivants: aide à l’investissement pour les entreprises, Aide UDE de la DGO6 (uniquement petit éolien < 1 MW) http://www.wallonie.be/fr/formulaire/detail/20452, déduction fiscale d’une partie des bénéfices, exonération du précompte immobilier sur le nouveau matériel.

Pour plus de détail, nous invitons le lecteur à consulter les informations diffusées par le Facilitateur Énergies Renouvelables électriques [https://energie.wallonie.be/fr/facilitateur-energies-renouvelables-electriques-et-cogeneration.html?IDC=9546] éolien, c’est-à-dire l’APERe ou de prendre contact avec celui-ci, notamment via son site internet. [http://www.apere.org/]

Il est important de prendre en considération ces incitants financiers dans la mesure où ils améliorent considérablement la rentabilité économique. Le montant et le nombre de certificats verts sont d’ailleurs conçus pour rendre les énergies vertes compétitives par rapport aux filières traditionnelles.

Avantages des grands projets éoliens par rapport à des petites installations : projets éoliens participatifs

Nous résumons ci-dessous les avantages d’investir en commun dans un grand projet éolien plutôt que de réaliser une multitude de petites installations :

L’investissement ainsi que les frais de maintenance par m² ou par kW nominal diminue avec la taille de l’éolienne si bien que, avec un même budget total initial, on peut investir dans une surface balayée ou une puissance installée supérieure. En conclusion, on produira plus.
Le rendement des éoliennes augmente avec la taille. En conclusion, on produira encore plus.
On pourra travailler avec du matériel certifié et l’entretien sera réalisé systématiquement par des professionnels formés sur le matériel installé. En conclusion, on aura une garantie de qualité et donc une meilleure garantie sur les performances et la durée de vie.
D’un point de vue financier, c’est répartir le risque de l’investissement sur un plus grand nombre de personnes.
Permet de se payer une étude du potentiel de vent approfondie ce qui garantit les performances de la future éolienne. Pour des petits projets, l’étude de vent est plus difficile à rentabiliser.
On peut déléguer et remettre le suivi du projet à des personnes plus compétentes ou qui ont un mandat clair et des moyens pour réaliser le projet. Ces personnes prendront la tête de l’initiative et pousseront le projet.
L’avantage paysager est également à noter : mieux vaut une grande éolienne que 10 petites : pas de prolifération anarchique de petites constructions.

Nous invitons donc les lecteurs intéressés dans l’éolien à ne pas perdre cette possibilité de vue, de se renseigner sur les offres disponibles dans l’éolien participatif avant de se lancer seul dans son propre projet. En outre, une motivation majeure, souvent principale, est aussi de prendre part à une initiative citoyenne en faveur de la protection de l’environnement.

Des plateformes comme Coopalacarte (https://www.coopalacarte.be/fr) cartographient les projets d’énergie renouvelable belge où des coopératives citoyennes sont actives.

Posted By : Laurent 7 Juin, 2010

Ressources du vent et éoliennes

Photographie issue de la banque d’images de la Région wallonne.

Généralités

Une éolienne convertit l’énergie cinétique du vent en travail moteur, qui, sauf exception, sera converti en électricité. Pour assurer la rentabilité de l’implantation d’une éolienne, il est nécessaire de pouvoir évaluer le potentiel de vent dont on dispose sur un site particulier. Il s’agit, in fine, de l’énergie de base sans laquelle le projet n’aura pas de sens.

Dans la section sur rendement des éoliennes, les concepts de puissance instantanée du vent, l’énergie du vent ainsi que la distribution du vent ont été introduits. Dans cette page, nous allons voir comment ces notions indispensables à l’évaluation du rendement et des performances d’une éolienne sont reliées à l’évaluation des ressources du vent (ou potentiel de vent).

L’objectif n’est pas de donner un petit cours sur le vent, ses origines et les différents types de phénomènes météorologiques rencontrés. Il est plus prudent de s’en référer à la littérature ou à des sites spécialisés dans ce domaine. En effet, la physique rencontrée est complexe, il nous semble dangereux de simplifier les propos (seuls des spécialistes en météorologie semblent compétents pour réaliser une telle tâche). Par contre, nous allons plutôt nous focaliser sur l’interface entre notre éolienne et le vent, en d’autres termes, introduire des aspects spécifiques du vent qui sont en relation directe avec une exploitation efficace d’une éolienne.

Propriété du vent : continuité dans le temps et l’espace

C’est un titre un peu pompeux. Le message à faire passer est relativement simple, mais très important : pour comprendre le potentiel et le comportement du vent en un point donné du globe, en l’occurrence à l’endroit où vous voulez implanter une éolienne, vous devez tenir compte de phénomènes physiques à la fois locaux et globaux (au niveau de l’espace), à la fois courts et de plusieurs années (au niveau de l’échelle de temps). Le comportement de votre vent sur votre site dépend de l’interaction de phénomènes à des échelles de plusieurs milliers de kilomètres à quelques mètres, à des échelles de quelques années à quelques secondes. C’est ce qui rend l’étude du vent et la météorologie extrêmement complexe. Il suffit de suivre les prévisions météo sur plusieurs jours et de les comparer à la réalité pour s’en convaincre. Tenter de comprendre le vent uniquement sur base de phénomènes locaux ou uniquement globaux aboutit inéluctablement à des erreurs significatives. Il en va de même pour l’évolution dans le temps.

Par conséquent, il est difficile d’évaluer le potentiel. Le nombre de méthodes pour y arriver est relativement limité.

Potentiel du vent : mesure in situ

La méthode la plus sûre est de simplement réaliser des mesures de la vitesse du vent « in situ ». On insiste bien sur le terme « in situ ». Il s’agit bien de vérifier localement ce qui se passe et pas de tenir compte d’une station météorologique voisine. Dans le cas des mesures, on constate et on analyse le potentiel de vent dont on dispose. Il n’est même pas question de comprendre les phénomènes physiques qui sont à la base de ce comportement. À noter que ces mesures se font en haut d’un mât qui est à une hauteur représentative de la future éolienne, au moyen d’un anémomètre.

Potentiel du vent : simulations par logiciel

On peut réaliser des simulations au moyen d’ordinateurs qui permettent de calculer des modèles atmosphériques. Il s’agit d’une approche complexe réservée à des spécialistes. C’est pourquoi cette tâche est souvent sous-traitée. Néanmoins, il faut savoir que ces méthodes tiennent compte à la fois des phénomènes globaux et locaux (parfois jusqu’à 100-250 m) pour évaluer le potentiel du vent pour un site donné. Pour compléter l’analyse, il reste des phénomènes encore plus localisés (inférieurs à 100-250 m) qu’il faut intégrer de manière indépendante. De même, le comportement est modélisé sur une base de temps de quelques minutes pour accumuler plusieurs années. Attention, il s’agit du temps du modèle. En réalité, ces simulations par ordinateurs ne prennent que quelques minutes voire quelques heures pour les plus précises. Cela montre tout l’intérêt : on peut connaître en quelques heures ce qui va se passer en moyenne sur plusieurs années. On peut citer la société wallonne ATM-PRO située à Nivelles qui s’est spécialisée dans les logiciels environnementaux, notamment pour évaluer le potentiel de vent.

Les échelles de temps

Le vent en un point donné est sujet à des fluctuations dans le temps. Ces variations peuvent avoir plusieurs échelles. Il peut s’agir de fluctuations de quelques secondes, comme des bourrasques, de variations de quelques minutes ou le long de la journée, de fluctuations induites par l’alternance jour-nuit, par les saisons voire des variations de comportement entre les années. En outre, dans ces considérations, on n’a même pas encore parlé des fluctuations de vitesses induites par la turbulence.

Par avoir une évaluation fiable de la vitesse moyenne ainsi que sa variance en un point, il faut compter une dizaine d’années de mesure. Bien évidemment, on ne dispose pas toujours d’un intervalle de mesure aussi long. De plus, pour valider le potentiel d’un site, on n’a souvent pas envie d’attendre si longtemps. Il faut alors trouver une méthode pour pouvoir obtenir le comportement du vent sur base d’une période de mesure beaucoup plus courte. On parle d’un minimum de quelques mois à une année complète. C’est à ce stade que les fonctions de distribution statistiques interviennent. Elles permettent sur base de données lacunaires de reconstruire le comportement global. En fait, derrière cela, on a fait une hypothèse sur l’évolution globale du vent, d’où le nom d’approche « statistique », mais elle semble être bien validée pour nos contrées.

Les échelles d’espace

L’origine du vent vient d’un niveau d’ensoleillement et d’un niveau d’absorption qui varient selon l’endroit du globe. L’équateur est plus chaud que les pôles. Cela génère une différence de pression le long de la surface de la terre qui met les masses d’air en mouvement dans les couches inférieures de l’atmosphère (troposphère). On appelle cela des cellules convectives. On se situe donc à un niveau global de plusieurs centaines voire des milliers de kilomètres.

A coté de ces phénomènes globaux, les propriétés géographiques locales sont susceptibles de générer des variations par rapport aux mouvements globaux. Ces variations interviennent sur des échelles de plusieurs centaines de kilomètres à quelques dizaines de mètres. In fine, on trouve des variations très localisées, comme la présence d’un bâtiment isolé qui influence l’écoulement dans son voisinage, mais qui seul ne modifie pas la topologie de l’écoulement dans sa région.

On rencontre parfois des atlas de potentiel de vent qui donnent la vitesse de vent à divers endroits du globe, voire sur une région donnée. Ces atlas ne tiennent pas compte des particularités locales (c’est-à-dire d’obstacles comme des immeubles et du relief local). Ils donnent une bonne idée du potentiel d’une région ou d’une zone, ce qui peut être intéressant pour la mise en œuvre d’une politique globale concernant l’éolien dans la région concernée. Néanmoins, les atlas ne permettent pas la sélection d’un site particulier pour l’implantation d’une éolienne. Comme évoqué ci-dessus, c’est dû au fait que la méthode ne tient pas compte de spécificités locales, spécificités qui ont un impact majeur sur le potentiel du vent. En conclusion, on verra les atlas comme de bons indicateurs globaux. Avoir un bon niveau de vent dans un atlas est plutôt une condition nécessaire que suffisante.

À titre d’illustration, une vue globale de l’atlas européen des vents développé par le laboratoire national danois RISO. Il considère cinq niveaux de ressource différents définis en fonction de la vitesse moyenne du vent ainsi que le type de topographie.

Influence du terrain

On met l’accent sur des caractéristiques plutôt localisées (de quelques mètres à quelques kilomètres) dans la mesure où ce sont des éléments qui peuvent être pris en compte lors de la conception d’un projet éolien. En effet, au-delà d’une certaine échelle de vent, les actions possibles qui peuvent être entreprises par un concepteur n’ont aucune influence sur ces grande échelles alors qu’il peut faire des choix d’emplacement sur un site en fonction de caractéristiques locales du vent pour optimiser son implantation.

Distinction entre terrains plat et non plat

Illustration du concept de terrain plat et non plat.

Un terrain est non-plat quand les effets du terrain sur l’écoulement de l’air sont significatifs. On peut prendre l’exemple d’une colline ou d’une vallée. À l’opposé, le terrain est considéré comme plat quand il contient de petites irrégularités (par exemple, des haies). Il est difficile d’établir une règle précise pour différencier les deux types de terrain. Voici une proposition rencontrée dans la littérature :

Le rapport maximum entre la hauteur d’une irrégularité et sa longueur ne peut dépasser 1/50 dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne. En gros, cela favorise les collines à faible pente.

Le point le plus bas du rotor doit être au moins trois fois plus haut que la plus haute irrégularité sur le terrain dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne.

Écoulement sur un terrain plat avec des obstacles

Illustration de la zone d’influence sur l’écoulement d’un obstacle.

Il peut s’agir d’obstacles naturels comme une rangée d’arbres ou des haies, voire d’obstacles érigés par l’homme comme un ou des immeubles.
Un obstacle est un objet :

dont la zone d’influence sur l’écoulement (en d’autres termes, la région qu’il perturbe) rentre en contact avec l’éolienne. La figure ci-dessus décrit la forme caractéristique de cette région d’écoulement fortement perturbé ainsi que ses longueurs typiques. On voit que l’écoulement est perturbé sur une vingtaine de fois la hauteur de l’obstacle en aval, mais l’objet perturbe aussi le vent en amont. À noter aussi que la zone perturbée se développe à une hauteur typiquement deux fois plus importante que l’obstacle. Dans cette zone, le vent est fortement fluctuant, tant en amplitude qu’en direction. Dans la mesure du possible, il est souhaitable de placer son éolienne à l’extérieur de la zone d’influence d’un objet.

En fait, sur base de cette définition, un obstacle est un objet capable de perturber significativement l’écoulement qui va venir rencontrer le rotor de l’éolienne. Il y a bien deux conditions, une sur la longueur, une autre sur la hauteur. Premièrement, la zone d’influence de l’objet sur l’écoulement peut atteindre l’éolienne. Par exemple, si un petit immeuble isolé se trouve à plusieurs centaines de mètres d’une grande éolienne, il n’aura guère d’influence sur la nature du vent que le rotor de cette éolienne rencontrera. Il est trop loin. Deuxièmement, l’obstacle doit avoir une hauteur comparable à la taille de l’éolienne. Imaginons un homme ou un tracteur se déplaçant sur le terrain d’une grande éolienne, on comprend rapidement que cela n’aura pas d’influence sur le comportement aérodynamique de l’éolienne.

Écoulement sur un terrain non plat avec de petites caractéristiques

Lorsque l’on se trouve sur un terrain non plat, on a des effets d’accélération et de décélération. Il faut donc veiller à placer l’éolienne dans une zone d’accélération par rapport à la direction dominante du vent.

La vitesse et la hauteur

Lorsque l’on réalise une mesure de la vitesse du vent, il faut toujours indiquer à quelle hauteur au-dessus du sol cette mesure a été effectuée. Imaginons que vous essayez d’estimer le potentiel éolien existant sur un terrain donné, plus particulièrement à un emplacement donné de ce terrain. Vous réalisez une campagne de mesure durant laquelle vous placez un mât de mesure qui fait 20 m de hauteur. Et bien, les vitesses de vent que vous allez rencontrer à cette hauteur sont différentes de ce que vous mesureriez à 30 ou 50 m.

Cette caractéristique est assez importante dans la mesure où, en début de projet, vous ne connaissez pas encore la hauteur du mât à laquelle vous allez placer votre éolienne. Du coup, vous ne savez pas à quelle hauteur il y a lieu de réaliser votre mesure. En fait, c’est exactement la situation opposée : vous réalisez une campagne de mesure pour savoir à quelle hauteur vous devez placer votre éolienne.

Quel phénomène physique se cache derrière tout cela ? Dans le jargon de la mécanique des fluides, on appelle ce phénomène une couche limite. Parler de ce phénomène est relativement complexe et lourd, c’est pourquoi nous allons simplifier grandement son explication pour introduire les conclusions d’intérêt pour notre développement.

Si l’on se place à une certaine hauteur au-dessus du sol, le vent possède une certaine vitesse que nous appellerons V_r (pour vitesse de référence). Au niveau sol, c’est-à-dire l’air qui touche le sol, la vitesse du vent est nulle. Ce phénomène est induit par la viscosité de l’air. La vitesse du vent va donc progresser de zéro au niveau du sol à la vitesse V_r que nous avons mesurée à une certaine hauteur. Cette progression entre ces deux vitesses se fera de manière plus ou moins régulière, avec des augmentations voire des diminutions locales de vitesse, suivant l’historique du vent, c’est-à-dire les obstacles que le vent a rencontrés avant d’arriver au point que l’on analyse ainsi que les modifications qu’il a subies. En outre, la rugosité du sol a une influence sur l’évolution de la vitesse en fonction de la hauteur. En d’autres termes, la vitesse ne progresse pas de la même manière suivant que le sol soit en gazon ou recouvert de plantations. On pourrait croire que c’est complètement farfelu, voire improbable, mais il est possible de la justifier physiquement, ce que nous ne ferons pas, et l’expérience le prouve clairement.

L’évolution peut être très complexe et, de manière générale, il n’existe aucune méthode simple pour pouvoir prédire cette évolution de la vitesse en fonction de la hauteur. Si on ne peut extrapoler la vitesse mesurée à une autre altitude, il faut alors réaliser la mesure à une hauteur proche de ce que sera la future éolienne.

Heureusement, le comportement du vent se simplifie un peu dans certains cas particuliers. Et c’est souvent dans ces configurations particulières que l’on placera une éolienne. Du coup, des solutions pour déduire le vent à différentes hauteurs existent.

Terrains plats et homogènes : les lois de puissance

Lorsque le sol ne présente pas de variations de relief importantes comparées à la hauteur de la future éolienne et ce, dans un rayon de plusieurs dizaines de fois cette hauteur, on peut qualifier ce terrain de « plat« . L’évolution de la vitesse de vent au voisinage du sol évoluera de manière relativement lente et progressive au fur et à mesure que le vent parcourt le terrain.

Cette évolution restera progressive si la couverture de sol, essentiellement sa rugosité, n’évolue pas dans cette zone de rayon de plusieurs dizaines de fois la hauteur. On dira que le terrain est « homogène« .

Si l’éolienne se situe sur un terrain plat, homogène et sans obstacle alors le vent évolue de manière progressive sans être perturbé. Il rentre alors dans un régime plus standard dans lequel des lois permettent de déduire l’évolution de la vitesse en fonction de la hauteur. Et encore, il ne s’agit pas de n’importe quelle vitesse, mais d’une vitesse moyenne. Cette moyenne n’a rien avoir avec les moyennes introduites aux sections précédentes qui se réalisaient sur des périodes de plusieurs mois voire un an. Il s’agit maintenant de considérer des moyennes sur des échelles de temps de quelques minutes. En effet, le vent est de nature turbulente si bien que la vitesse fluctue de manière continuelle autour d’une certaine moyenne. De manière très simplifiée, on peut dire que la turbulence ajoute un certain bruit de fond à l’évolution temporelle de la vitesse. Ce que les lois simplifiées proposent d’évaluer ici est l’évolution de la moyenne de la vitesse (où les fluctuations induites par la turbulence ont été filtrées) en fonction de la hauteur au dessus du sol. On peut illustrer cette distinction avec les deux figures ci-dessous, la première montrant un champ instantané et la seconde la moyenne.

Comparaison entre la visualisation expérimentale d’une couche limite turbulente comprenant un grand nombre de fluctuations (première figure) et l’évolution de la vitesse moyenne en fonction la hauteur (seconde figure). Les règles que l’on donne ici concernent uniquement l’évolution de la vitesse moyenne avec la hauteur pour les terrains plats, homogènes et sans obstacles.

La plus connue est la loi de puissance. Son fondement théorique est souvent mis en question, mais cette approche s’avère souvent utile sur le terrain ou dans les applications de l’ingénieur. Si on mesure à la hauteur de référence, h_r, une vitesse, V_r, on peut déduire la vitesse V(h) rencontrée à une autre hauteur, h :

V(h) = V_r*(h/h_r)^α,

le seul paramètre à fixer étant le coefficient « α », dit coefficient de cisaillement. En fait, celui-ci dépend essentiellement de la rugosité du sol (ou de la couverture du sol si vous préférez) :

Terrain	Exposant de cisaillement du vent, α
Glace	0.07
Neige sur terrain plat	0.09
Mer calme	0.09
Gazon coupé	0.14
Gazon court type prairie	0.16
Gazon long type cultures céréales	0.19
Haies	0.21
Arbres et haies clairsemés	0.24
Arbres et haies plus denses	0.29
Banlieue	0.31
Forêt	0.43

Exposant de cisaillement du vent en fonction de la rugosité du sol (pour une hauteur de référence de 10 m).

Puissance du vent et hauteur

Prenons pour exemple un terrain avec du gazon coupé caractérisé par un coefficient « α » de 0.14. Si on réalise une mesure, une vitesse de 5 m/s à une hauteur de 10 m, alors la vitesse du vent à 20 m sera de 5*(20/10)^0.14 soit de 5.5 m/s, une augmentation de 10 %. Comme on sait que la puissance du vent dépend du cube de la vitesse, on a P_v(h) = P_v(h_r)*(h/h_r)^3α. La puissance aura, elle, augmenté de 34 %. Si on augmente la hauteur du mât d’un facteur 5, c’est-à-dire en le plaçant à 50 m, alors la vitesse augmente de 25 % et la puissance du vent double. Cela met clairement en évidence que la hauteur du mât à une très grande importance. Il faut toujours placer son éolienne suffisamment haut, dans le cas contraire, on risque d’avoir des rendements déplorables. Pour les petites éoliennes domestiques, une hauteur de 10m est un minimum.

Obstacle ou rugosité ?

Pour conclure cette section, il faut être prudent dans l’emploi d’un tel tableau et de la loi de puissance associée. En effet, le lecteur attentif aura remarqué que l’on a considéré des haies ou les arbres comme étant des obstacles, mais aussi dans le tableau ci-dessus comme étant simplement de la rugosité du sol. Finalement, quand faut-il considérer un objet comme de la rugosité ou comme un obstacle ? En fait, comme évoqué plus haut, un obstacle doit avoir une taille comparable à l’éolienne tandis que la rugosité doit être composée d’une multitude d’éléments petits par rapport à la taille de l’éolienne (pouvant être considérés comme étant des aspérités du sol). À titre d’exemple, si on place une éolienne dans une clairière entourée de forêt, les arbres sont des obstacles pour une petite éolienne et sont des éléments de rugosité pour une grande éolienne commerciale.

Couche limite et charge sur le rotor

Nous avons mis en évidence que la vitesse augmente avec la hauteur par rapport au sol. Cela a un impact évident sur l’énergie du vent qui sera récupérée par l’éolienne. On ne le répétera jamais assez, mais il faut que celle-ci soit placée suffisamment haut pour assurer la rentabilité, la viabilité du projet. Le choix de la hauteur de mât est donc de première importance.

Illustration d’un chargement asymétrique sur le rotor par le vent.

Un autre aspect lié à l’évolution de la vitesse avec la hauteur est la charge aérodynamique sur le rotor. Si l’on place le rotor de l’éolienne trop bas, il recevra comme annoncé un vent plus faible, mais cette vitesse risque en plus de varier significativement le long du rotor. En d’autres termes, les forces exercées par le vent seront plus importantes sur les pales pointées sur le haut que sur les pales pointées vers le bas. Du coup, le rotor est soumis à une contrainte mécanique de nature asymétrique (différence haut-bas) et fluctuante (le rotor passe de la position basse à la position haute). Ces contraintes ont un impact négatif sur la durée de vie du matériel.

Posted By : Laurent 4 Juin, 2010

Aérodynamique des éoliennes

Il s’agit d’une page qui peut s’avérer assez technique pour les personnes qui n’ont pas de base en physique ou en ingénierie. Néanmoins, cette page n’est pas absolument nécessaire à une compréhension d’ensemble du fonctionnement d’une éolienne. En effet, en pratique, il n’est pas obligatoire de comprendre les phénomènes physiques exacts qui rentrent en jeu, à partir du moment où l’on sait ce que l’on peut récupérer comme puissance et énergie électrique de la part de son éolienne. Néanmoins, afin d’être complet et de permettre aux personnes intéressées d’avoir une vue plus pointue ou complète, les bases de l’aérodynamique des éoliennes sont introduites ci-dessous.

La portance et la trainée

Pour comprendre le mode de fonctionnement d’une éolienne, il faut introduire quelques concepts d’aérodynamique. Parmi ceux-ci, les notions de trainée et de portance jouent un rôle majeur. Pour commencer, on simplifie le problème. En effet, lorsque l’on regarde une aile, qu’il s’agisse d’une aile d’avion ou d’éolienne, il s’agit d’un corps à 3 dimensions spatiales. En effet, une aile possède une certaine longueur de corde (direction « x »), une certaine cambrure (direction « y ») ainsi qu’une certaine envergure (direction « z »). De manière générale, il est assez difficile de considérer ces trois dimensions simultanément. On prend uniquement les deux dimensions (2-D) qui contiennent le phénomène physique dominant. Il s’agit de la dimension de la cambrure et de la corde. Ensuite, les aérodynamiciens intégreront la troisième dimension, c’est-à-dire l’envergure, comme étant une superposition de comportements en deux dimensions (2D) le long de l’envergure.

À droite, illustration du concept d’aile en trois dimensions avec une cambrure (direction »y »), une envergure L (direction « z ») et une corde (direction « x »). Le profil d’aile (surface grisée) est obtenu en « découpant » une section de l’aile en un point le long de l’envergure. À droite, vue de profil d’une pale d’éolienne qui donne un bon aperçu d’un profil d’aile. Ici, il s’agit du profil en bout d’aile.

On analyse donc les phénomènes physiques au moyen de profils 2D d’aile. Ce profil est constitué, d’une part, d’un bord d’attaque et d’un bord de fuite, et d’autre part, d’une corde qui relie ces deux extrémités (voir figures ci-dessous). Dans le cas d’une aile complète en trois dimensions, la corde, c, varie généralement en fonction de la position de long de l’envergure. En outre, la forme du profil peut varier avec cette distance. C’est souvent le cas pour les grandes éoliennes dans la mesure où la vitesse du rotor près du moyeu est nettement plus faible qu’en bout de pale. Il n’est pas nécessaire de tenir compte de cette propriété pour comprendre le principe de fonctionnement d’une éolienne voire d’un avion.

Notre profil d’aile est placé dans un écoulement, par exemple, on place le profil au centre d’une soufflerie. L’air présente une certaine vitesse, V, mesurée loin devant le bord d’attaque. En effet, les vitesses que prend l’air autour d’une éolienne sont toujours inférieures à la vitesse du son. On dit qu’elles sont subsoniques. Dans ce cas, les informations peuvent remonter le courant parce qu’elles se propagent plus vite. En fait, l’information se déplace sous forme d’ondes de pression qui ont cette vitesse du son. Du coup, si l’écoulement est subsonique, l’information peut atteindre toutes les directions de l’espace. En pratique, qu’est-ce que cela veut bien dire ? Et bien tout simplement que l’air est déjà perturbé par la présence d’un avion ou d’une éolienne avant même de l’avoir touché. Autre exemple, lorsque vous soufflez sur votre doigt, l’air est perturbé par la présence de votre doigt avant même de l’atteindre. Cela se traduit par des trajectoires courbes des filets de courant (en gros, il s’agit de la trajectoire du fluide). On voit clairement dans les figures suivantes qu’ils sont déviés bien avant d’avoir atteint le bord d’attaque. Par conséquent pour avoir une bonne idée de la vitesse à laquelle on soumet notre profil, il faut le mesurer bien loin devant le bord d’attaque, suffisamment loin pour qu’il ne soit pas perturbé par la présence du profil. Dans le jargon de l’aérodynamique, on parle de vitesse infini amont.

Retournons à notre profil d’aile placé dans une soufflerie. De manière générale, la corde présente un certain angle avec la vitesse de l’air en amont, V. Cet angle s’appelle l’angle d’attaque (AOA pour « angle of attack »). Plus cet angle est important, plus les filets d’air sont déviés par le profil. En d’autres termes, la présence de l’aile réorganise localement l’écoulement de l’air (autour du profil). La partie du profil entre le bord d’attaque et de fuite orientée vers le haut est appelée, extrados, tandis que l’autre moitié orientée vers le bas est appelée, intrados. Du côté de l’extrados, l’aile a fait accélérer l’écoulement. Par contre, elle a ralenti l’écoulement côté intrados. La physique nous apprend qu’une telle accélération est accompagnée d’une diminution de pression alors que la décélération engendre une augmentation de la pression. Comme la pression est différente au-dessus et en dessous de l’aile, les forces de pression sur l’aile ne sont pas identiques au-dessus et en dessous. Il en résulte une force globalement orientée vers le haut. C’est cette force qui permet aux oiseaux ou aux avions de voler. Elle est d’autant plus importante que l’angle entre l’axe du profil, c’est-à-dire la corde, et la vitesse de l’air amont, V, est important, ou dit plus brièvement, plus l’angle d’attaque est important. Il y a une limite à ce raisonnement que nous introduirons plus tard (notion de décrochage).

La force sur l’aile peut, comme toute force, se décomposer en plusieurs composantes. Dans notre cas, on considère la composante dans la direction de l’écoulement, la force de trainée (D comme « drag »), et la force dans la direction perpendiculaire à l’écoulement, la force de portance (L comme « lift »).

Illustration des concepts dans le cas d’un avion volant horizontalement à vitesse constante.

Pour illustrer l’ensemble de ces considérations, voyons ce que cela donne dans le cas d’un avion. Supposons qu’il vole en ligne droite à une certaine vitesse constante, V, dans une direction que l’on prend dans un plan horizontal. En fait, supposons que nous nous déplacions à la même vitesse que l’avion. Par définition, nous ne le verrions pas bouger. Par contre l’air qui était au repos avant le passage de l’avion (vu par un observateur situé au sol), acquiert une certaine vitesse, V, si on le regarde à partir de l’avion. De manière plus rigoureuse, on dira que l’on met son repère sur l’avion et que l’on regarde les vitesses relatives à la vitesse de l’avion, V. Son aile principale présente un certain angle avec la direction de vol, l’angle d’attaque. Il s’ensuit une force de portance verticale et une force de trainée horizontale appliquée à l’aile et donc à l’avion entier. La première permet de vaincre la force de gravité due à la masse de l’avion complet tandis que la seconde freine l’avion :

Dans le cas d’un planeur, l’avion n’a pas de moteur. La trainée a donc tendance à ralentir l’avion. Pour pouvoir maintenir sa vitesse et donc continuer à voler dans une atmosphère au repos, il doit toujours descendre progressivement en altitude (notion de taux de chute) pour maintenir sa vitesse. Dans la réalité, on sait que les planeurs tirent profit de mouvements d’air plus globaux au niveau de l’atmosphère. Ces mouvements naturels peuvent générer des vents ascensionnels qui permettent au planeur de prendre de l’altitude. Néanmoins, un planeur aura toujours intérêt à avoir une trainée la plus faible possible. Cette conclusion nous permettra de rebondir plus loin lors de nos explications sur les éoliennes.

Dans le cas d’un avion motorisé. La vitesse est maintenue constante grâce à l’action des moteurs. Ils exercent une force de poussée (T comme « thrust ») qui s’oppose à la trainée.

Le décrochage

Dans la section précédente, on a mis en évidence le phénomène physique qui générait la portance et la trainée d’un profil d’aile. On a aussi indiqué que cette force augmentait avec l’angle d’attaque du profil. Comme introduit précédemment, il y a une limite à cette croissance. Nous expliquons maintenant ce phénomène bien connu de décrochage (ou « stall » en anglais).

Courbe de portance en fonction de l’angle d’attaque pour un profil NACA.

Sur base de la courbe ci-dessus qui reprend l’évolution de la portance en fonction de l’angle d’attaque, on voit que cette force augmente progressivement jusqu’à un certain angle au-delà duquel la portance chute brusquement. Ce phénomène est appelé décrochage et l’angle à partir duquel il intervient, l’angle de décrochage. On voit qu’une fois l’angle de décrochage dépassé, les performances aérodynamiques du profil sont nettement dégradées. On imagine assez facilement ce que cela peut engendrer dans le cas d’un avion : une perte de portance brusque risque simplement d’engendrer une chute de l’appareil. A priori, on pourrait croire qu’il est assez farfelu d’introduire un tel phénomène dans le cas des éoliennes, mais comme cela sera expliqué, dans ce domaine d’application, le décrochage est parfois mis à profit pour contrôler la vitesse de rotor.

Explication du phénomène de décrochage

Le lecteur curieux aura peut-être envie d’en savoir un peu plus sur le principe du décrochage. Un élément de réponse simple est donné ci-dessous. Il n’a pas vocation d’être complet ou particulièrement rigoureux. Il cherche plutôt à démystifier le phénomène. Dans le cas d’un profil à angle d’attaque inférieur à la limite de décrochage, les trajectoires du fluide, à savoir l’air, sont infléchies par la présence du profil. Comme expliqué précédemment, on a une accélération côté extrados et une décélération côté intrados, accompagnée d’une diminution et une augmentation de pression, respectivement. Cette différence de pression sur les deux faces du profil est la base de la génération de portance.

Différence de la nature de l’écoulement entre un écoulement attaché et décroché.

Lorsque le profil décroche, les angles d’attaques sont trop importants et le fluide ne parvient plus prendre les trajectoires imposées par le profil (fortement incliné). Les trajectoires de fluides ont tendance à rester plus proches de leur situation initiale (avant que l’aile ne passe). Comme il y a moins de déformation de trajectoire, il y a moins d’accélération du fluide côté extrados du profil. Du coup, la dépression est moins importante et, sans surprise, la portance devient moins importante.

Pour augmenter l’angle d’attaque admissible avant de décrocher l’écoulement d’air, un dispositif aérodynamique, un générateur de vortex, peut être installé sur les ailes. Sans entrer dans les détails, ces petits appendices vont permettre de créer des tourbillons contrôlés de manière volontaire. Cette dynamique va plaquer le flux d’air contre la surface de l’aile permettant ainsi d’augmenter l’angle d’attaque admissible avant que la pale ne décroche.

Les forces aérodynamiques sur le rotor d’une éolienne

La première section nous a permis d’introduire les notions nécessaires pour comprendre les phénomènes physiques majeurs qui s’appliquent sur le rotor d’une éolienne. On a introduit la notion de profil d’aile, de corde, d’angle d’incidence ainsi que de trainée et de portance. Lorsque l’on considère une éolienne, le problème se complexifie un peu. En effet, il faut considérer en plus la vitesse de rotation des pales qui, en pratique, est de loin plus élevée comparée à la vitesse du vent. Dans la suite, on fait l’hypothèse d’une éolienne à axe horizontal.

Vitesses et forces exercées sur un profil d’une éolienne. On introduit l’angle d’incidence (alpha), de calage (beta) ainsi que la vitesse relative Va dans la figure de gauche. La résultante des forces engendrée par la vitesse du vent et la rotation de l’éolienne est illustrée dans la figure de droite.

Influence de la vitesse de rotation sur l’angle d’attaque et l’intensité de la vitesse

Considérons un profil d’une pale de notre éolienne obtenu en « coupant » l’aile à une certaine hauteur, r, comprise entre le moyeu et l’extrémité de la pale. Vu du haut, cela donne approximativement la figure ci-dessus (à gauche) où la grande flèche noire indique le sens de rotation. Si l’éolienne a une vitesse de rotation de n (Hz ou tours/seconde), alors à la hauteur du profil, la vitesse tangentielle de la pale induite par la rotation, U, est de

U = n.(2*pi*r) en [m/s],

toujours dans le sens de rotation. On voit clairement que la vitesse augmente proportionnellement avec la hauteur le long de la pale. La vitesse tangentielle maximale sera obtenue en bout d’aile. En plus de la vitesse de rotation, on a toujours la vitesse du vent, V, mesurée loin en amont de l’éolienne. Comme expliqué précédemment, l’écoulement est déjà influencé par la présence de l’éolienne avant d’arriver au niveau du rotor si bien qu’il est partiellement freiné avant d’atteindre celui-ci. En pratique, la vitesse aura idéalement diminué d’un tiers si bien qu’on se retrouvera avec 2/3 de V dans la direction perpendiculaire au plan de rotation, la direction axiale. Comme on l’a fait ci-dessus en considérant un avion, on place notre repère de vitesse sur le profil d’aile. Il faut alors combiner la vitesse de rotation de l’éolienne, U, à cette hauteur, à la vitesse 2/3 V du vent pour obtenir la vitesse du vent relative rencontrée par le profil de l’éolienne, Va. C’est cette vitesse qu’il faut connaître pour pouvoir estimer la force qui sera exercée sur le profil de la pale. En effet, on connaît maintenant la vitesse de l’écoulement (la norme du vecteur Va) mais aussi son angle d’attaque. Comme on l’a introduit ci-dessus, il ne suffit pas de connaître la vitesse du vent, V. La vitesse tangentielle, U, induite par la rotation influence significativement l’écoulement qui sera reçu par le profil.

On introduit un nouvel angle de première importance, l’angle de calage (« pitch angle » en anglais). Il se définit comme étant l’angle entre le plan de rotation et la corde du profil. Contrairement à l’angle d’attaque, il ne dépend pas de conditions de l’écoulement. Il s’agit d’un paramètre géométrique que l’on peut adapter. En effet, l’angle d’attaque dépend des conditions de fonctionnement. Dans le cas de notre éolienne, il dépend de la vitesse du vent, de la vitesse de rotation ainsi que de l’orientation de la corde du profil (autrement dit de l’angle de calage).

Représentation schématique de la variation de l’angle de calage des pales d’une éolienne.

On peut faire varier l’angle de calage en faisant tourner la pale autour de son axe, tel qu’illustré dans la figure ci-dessus. On voit qu’en modifiant cet angle, on modifie l’angle d’attaque et par conséquent la force qui sera exercée sur le rotor. Le pivotement des pales peut être réalisé par des actionneurs électromécaniques ou par un système hydraulique.

Vrillage de l’aile

Comme la vitesse relative, Vr, augmente avec la hauteur de long de la pale, la géométrie de celle-ci est adaptée à cette augmentation de vitesse. On voit notamment la diminution de l’angle de calage avec la hauteur pour garder l’angle d’attaque comparable tout le long de la pale. C’est cette variation qui donne un aspect vrillé à la pale.

Diminution de l’angle de calage avec la hauteur le long de la pale : effet de vrillage. On voit que Vr augmente entre le pied et la tête de la pale. Pour maintenir un angle d’attaque, alpha, constant, l’angle de calage, Theta, est modifié.

Caractéristiques de la force exercée sur le profil d’une éolienne

On voit, dans la deuxième figure sur la décomposition des forces (placée un peu plus haut), que la vitesse relative caractérisée par une certaine intensité et une direction décrite par l’angle d’attaque, induit une force sur le profil. Cette force F, se décompose en une composante tangentielle, F_T qui contribue positivement à la rotation de l’éolienne, c’est l’effet utile recherché (du moins pour toutes éoliennes basées sur la portance), et une composante axiale F_N perpendiculaire au plan de rotation qui n’a aucun effet utile. Au contraire, cette force axiale soumet l’éolienne par sa poussée à une contrainte mécanique importante. C’est l’élément dominant lors du dimensionnement du mât d’une éolienne. Si on décompose la force aérodynamique selon sa composante de portance et de trainée, on en déduit les propriétés suivantes :

La portance L, contribue positivement à la rotation de l’éolienne. En d’autres termes, elle induit une force dans le sens de rotation, c’est l’effet utile recherché. C’est aussi pourquoi on dit que ces éoliennes sont basées sur la portance.

La trainée, D, contribue négativement à la rotation de l’éolienne. En d’autres termes, elle induit une force dans le mauvais sens, c’est un effet parasite. Elle diminue le rendement de conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique sur le rotor. C’est pourquoi, tout comme un planeur, les pales d’une éolienne sont conçues pour minimiser la trainée et obtenir ainsi les meilleurs rendements.

Le réglage de la puissance : calage et décrochage

Pour faire fonctionner une éolienne correctement, on doit pouvoir jouer sur les paramètres aérodynamiques des pales pour contrôler la vitesse de rotation ainsi que la puissance soutirée au vent :

Dans le cas de vents importants, le rotor peut être soumis à des forces mécaniques qui peuvent dépasser les contraintes admissibles. En outre, la puissance fournie par le rotor est limitée par la puissance maximale de la génératrice.

Dans le cas de fonctionnement normal, on doit pouvoir fonctionner à la vitesse de rotation souhaitée ou du moins, prédéfinie.

Il y a deux grandes manières de faire varier, et donc de contrôler, la force aérodynamique sur le rotor d’une éolienne : changer l’angle d’attaque et diminuer la surface au vent balayée par l’éolienne. La deuxième solution s’obtient en décalant le rotor (« yawing » en anglais) par rapport à la direction du vent (selon un axe vertical pour un décalage gauche-droite, ou selon un axe horizontal pour mettre incliner le rotor vers l’horizontal). On s’attardera ici sur la première solution basée sur l’angle d’attaque.

Modification de l’angle d’attaque via l’angle de calage d’une pale

La manière la plus efficace de modifier l’angle d’attaque est de jouer sur l’angle de calage. Celui-ci peut être modifié en faisant pivoter la pale le long de son axe. Pour contrôler la force appliquée, on peut procéder de deux manières distinctes :

On peut augmenter l’angle de calage pour diminuer la puissance ou le réduire pour augmenter cette puissance (« pitch control » en anglais). A la limite si l’on souhaite réduire au maximum les forces exercées sur les pales pour garantir leur intégrité, notamment en présence de grands vents, on peut les placer en drapeau par rapport à la direction du vent (« feathering » en anglais).

Une autre manière de limiter la puissance est de dépasser rapidement l’angle de décrochage ce qui induit une diminution significative de la portance (« stall control » en anglais). Hormis pour certaines réalisations, cette seconde méthode est moins efficace que la première. Elle serait apparemment moins précise et les forces appliquées aux pales seraient plus intermittentes (dû au caractère fortement instationnaire du phénomène de décrochage).

Illustration de la variation de la force aérodynamique : diminution par réduction de l’angle de calage (centre) ou par décrochage (droite).

La trainée induite : aile d’envergure finie

Dans les développements précédents, on a essentiellement considéré les phénomènes physiques sur base de profils d’aile. En d’autres termes, on a tenu compte de deux dimensions de l’espace, c’est-à-dire la direction axiale (sens de l’écoulement pour une éolienne à axe horizontal) et tangentielle (plan de rotation). D’un point de vue purement théorique, c’est équivalent à considérer une aile infiniment longue. Pas simple de convaincre le lecteur de cette assertion, mais cela semblera sans doute plus clair par la suite. En réalité, tout le monde sait qu’une aile, que ce soit d’avion ou une pale d’éolienne, n’est pas infiniment grande. Elle a en effet une certaine envergure. Cela peut sembler trivial, mais, comme on va l’expliquer, cette limite va nous obliger à tenir compte de la troisième dimension spatiale dans notre raisonnement. Il s’agit de la direction radiale pour une éolienne à axe horizontal.

Photographie d’un tourbillon de sillage induit par un avion.

Tourbillons de bout d’aile : l’origine du phénomène

Comme on l’a expliqué précédemment en introduisant le phénomène de portance, une aile présente une certaine surpression à l’intrados et dépression à l’extrados. Que se passe-t-il en bout d’aile ? En bout d’aile, on a une région de haute pression (dans le cas d’un avion, en bas) et de basse pression (dans le cas d’un avion, en haut) qui sont voisines et non séparées par l’aile. En conséquence, l’air va se déplacer de la zone haute pression vers la zone basse pression dans un mouvement de contournement du bout d’aile. L’air se met donc globalement en rotation. Il crée un mouvement « cohérent » de rotation que l’on appelle « tourbillon ». Comme, il y a deux extrémités à une aile, on trouve deux tourbillons. Ceux-ci tournent en sens opposés l’un par rapport à l’autre. Ce phénomène de tourbillon est clairement visible sur la photographie ci-dessus où l’on voit que l’air est mis en rotation au niveau des bouts d’aile après le passage de l’avion. Ce comportement n’a lieu que si l’aile a une certaine envergure. Si elle avait été infiniment grande, on n’aurait pas rencontré ce phénomène. Cela explique la distinction que nous avons introduite en début de section.

Ce phénomène de tourbillon est clairement visible au passage d’un avion à réaction dans un ciel bleu. En effet, la combustion qui a lieu dans un moteur d’avion rejette principalement de l’eau sous forme de vapeur et du CO₂. Comme les avions volent à relativement haute altitude, la température de l’air à cette hauteur est largement négative (en °C). Du coup, l’eau qui est éjectée par les moteurs à l’état de vapeur se condense pour former de fins cristaux de glace. C’est la trainée blanche que l’on voit derrière un avion. En effet, l’eau à l’état de vapeur n’est pas visible. Par contre, une fois condensée, elle interagit avec la lumière. Revenons à nos moutons en ce qui concerne les deux tourbillons de bout d’aile. L’eau rejetée par les moteurs est capturée par les deux tourbillons de bout d’aile (phénomène dit d’ « enroulement »). Par conséquent, cela rend ces deux tourbillons visibles (parce que l’eau dans un état visible est capturée par les tourbillons). Ce sont les deux longues trainées blanches que vous voyez par ciel bleu derrière un avion de ligne. Vous remarquerez que, même si l’avion à quatre moteurs, in fine, il reste toujours deux trainées. Cela montre bien que les deux tourbillons capturent le « panache » des moteurs.

On peut se rendre compte que le même phénomène a bien lieu dans le cas d’éolienne. La figure suivante montre l’émission d’un tourbillon en bout de pale qui est translaté en aval par le vent.

Visualisation par dégagement d’un traceur (fumée) du sillage d’une éolienne expérimentale bi-pale.

Tourbillons de bout d’aile : augmentation de la trainée

Le phénomène de tourbillon de bout d’aile génère quelques problèmes. Nous retiendrons uniquement ici la contribution à la trainée. En effet, les tourbillons génèrent un mouvement de l’air global vers le bas juste en aval de l’aile. Ce mouvement induit par les tourbillons modifie les angles d’attaque des ailes si bien que la force est décalée vers l’arrière, augmentant ainsi la trainée. La contribution de la trainée induite est non négligeable, surtout à basse vitesse (ce qui est le cas des éoliennes). Du coup, il faut chercher à minimiser ces tourbillons de bout d’aile.

Vue de la composante verticale du champ de vitesse derrière un avion.

Retenons simplement que la forme de l’aile à une importance majeure. Un paramètre de première importance est l’allongement relatif qui est le rapport entre l’envergure et la corde moyenne d’une aile (ou d’une pale). Plus ce rapport est grand et plus la trainée induite est faible. C’est typiquement la raison pour laquelle les planeurs ont de grandes ailes allongées. En effet, ils n’ont pas de moteur si bien qu’ils sont conçus pour minimiser la trainée. En outre, ils volent à basse vitesse si bien que la trainée induite est non négligeable. En ce qui nous concerne, c’est une des raisons qui permettent d’expliquer pourquoi les éoliennes ont des pales si allongées.

Pour réduire la traînée induite par les tourbillons de bout d’ailes, le monde éolien s’est inspiré de l’aéronautique. Le monde de l’aviation et aujourd’hui celui de l’éolien utilisent un dispositif biomimétique : le winglet, sorte de petite cassure perpendiculaire située en bout de pale qui permet d’augmenter l’allongement effectif de l’aile et ainsi de réduire la traînée induite par les vortex de bout de pale.

Posted By : Laurent 3 Juin, 2010

Génératrice et dynamique du rotor

Il s’agit d’une section plus technique qui approfondit certains aspects liés à la dynamique de l’éolienne. Cela inclut inévitablement de considérer la technologie de génératrice utilisée ainsi que de considérer le système de transmission. Il n’est pas absolument nécessaire de comprendre les concepts suivants pour se familiariser avec les éoliennes, mais ils présentent l’avantage d’expliquer certains choix techniques.

Génératrice et transmission

La génératrice est l’élément d’une éolienne qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Les pales transforment l’énergie cinétique en énergie mécanique, celle-ci étant transmise à la génératrice via le système de transmission. Une fois le courant produit, celui-ci est généralement injecté sur le réseau électrique.

Illustration de la transmission entre le couple moteur appliqué sur les pales et la génératrice dans le cas d’une éolienne à axe horizontal.

Dans le cas des éoliennes à axe horizontal, la typologie de la chaîne de transmission est relativement standard. On trouve d’un côté les pales qui sont soumises à une certaine force et qui ont une certaine vitesse de rotation. Ces pales sont solidarisées à un moyeu, ce moyeu est lui-même connecté à l’arbre de transmission qui, in fine, est sujet à un couple moteur. À l’autre extrémité, on trouve la génératrice. Il s’agit de machines tournantes composées d’un stator et d’un rotor. Du coup, dans la suite de cette section, il faudra être vigilant dans l’utilisation du vocabulaire technique pour ne pas confondre le rotor de la génératrice avec le rotor de l’éolienne, composé des pales.

De manière générale, on trouve une boîte de vitesse (gear box) intercalée entre l’arbre et la génératrice. En effet, la majorité des génératrices imposent une vitesse de leur rotor significativement supérieure à la vitesse du rotor de l’éolienne. Par conséquent, il est nécessaire de placer une boîte de vitesse pour multiplier la vitesse de rotation et assurer le couplage entre ces deux entités.

Génératrices synchrones ou asynchrones

On se trouve aussi bien en présence de machines synchrones (aussi appelées alternateurs) que de machines asynchrones (aussi appelées machines à induction). Le but de cette section n’est pas de donner une explication sur le mode fonctionnement de ces deux machines, mais plutôt de développer leurs spécificités et leurs impacts dans le cadre de l’éolien. La suite des développements est assez technique, mais, dans ce domaine, il est difficile de simplifier plus les propos. Fort heureusement, les fabricants d’éoliennes choisissent le bon système électrique adapté à leur éolienne. Même si ce n’était pas le cas, cela reste une question de spécialiste. En conclusion, il ne vous sera jamais demandé de choisir ou de concevoir un système électrique, composé d’un générateur, pour une éolienne. Des concepts sont uniquement introduits afin de permettre au lecteur de comprendre les enjeux de la conception de la génératrice.

Pour le lecteur qui ne souhaite pas aller plus loin, nous résumons le point important à retenir. Dans le cas des machines tournantes synchrones et asynchrones, on trouve une certaine tension alternative aux bornes du stator. Elle présente une certaine fréquence, f.

Dans le cas des machines synchrones, son rotor doit tourner à une vitesse constante dépendant de cette fréquence (à la vitesse dite de synchronisme). Si le stator est directement connecté au réseau électrique, la fréquence du stator, f, est la fréquence du réseau (50 Hz). Par conséquent, le rotor de la génératrice tourne à une vitesse fixe imposée par le réseau que l’on ne peut changer.

Dans le cas des machines asynchrones, son rotor tourne à une vitesse différente de la vitesse de synchronisme. Cette différence de vitesse de rotation dépend à la fois des propriétés de la machine et du couple moteur exercé sur le rotor de la génératrice. En conclusion, même si la machine est directement connectée au réseau électrique, il reste une certaine latitude sur la vitesse de rotor.

Moteurs synchrones

Dans le cas d’une machine synchrone, un champ magnétique est généré au niveau du rotor au moyen d’un aimant permanent ou d’un électroaimant alimenté en courant continu. De manière générale, on trouvera les technologies à aimant permanent sur les petites éoliennes. En effet, il est plus difficile de mettre en œuvre des aimants permanents sur des grandes machines. La spécificité de la machine synchrone est que le rotor tourne à la même vitesse que la fréquence de la tension appliquée au stator divisée par le nombre de paires de pôles de la machine :

n = ns = f/p,

où,

f représente la fréquence de la tension au stator,
p, le nombre de paires de pôles,
ns, la vitesse de synchronisme et
n, la vitesse de rotation du rotor.

De par le principe de fonctionnement de cette machine, le rotor tourne à la vitesse de synchronisme.

Si la génératrice est directement connectée au réseau électrique, la fréquence du stator, f, est égale à la fréquence du réseau électrique (c’est-à-dire 50 Hz). Le rotor tourne alors à une vitesse constante, n, qui dépend du nombre de paires de pôles de la génératrice, p. Pour des questions de contraintes constructives, on ne peut augmenter ce nombre de pôles de manière infinie. La majorité des éoliennes ont deux paires de pôles. La vitesse de rotation du rotor sera donc de 1 500 tours/min. Cette vitesse est supérieure aux vitesses de rotation des éoliennes si bien que cela justifie la présence d’une boîte de vitesse. Néanmoins, certains modèles ont un nombre de pôles plus important ce qui permet de réduire cette vitesse de synchronisme et d’être dans le même ordre de grandeur que la vitesse du rotor de l’éolienne. Dès lors, un couplage direct sans boîte de vitesse devient possible. Cela se fait au prix d’une machine plus complexe, plus volumineuse et donc, plus lourde et plus chère. En contrepartie, on a épargné la boîte de vitesse.

Le couple résistif du générateur dépend du décalage, c’est-à-dire du retard qui existe entre la force électromotrice (fem) générée par le rotor et la tension au stator. On appelle ce décalage, l’angle électrique. Si l’angle correspondant à ce déphasage dépasse 90°, on a phénomène dit de décrochage où le rotor s’emballe et la génératrice ne parvient plus à le freiner.

Courbe caractéristique du couple électrique en fonction de l’angle électrique pour une machine synchrone.

Moteurs asynchrones

Dans le cas d’une machine asynchrone, un courant alternatif est induit dans les bobines du rotor par le champ magnétique du stator. Ce courant est généré parce que le rotor tourne à une vitesse légèrement différente que la vitesse du champ magnétique généré par le stator, celui-ci tourne à la vitesse de synchronisme (telle que définie ci-dessus). Ce courant dans le rotor produit à son tour un champ magnétique qui interagit avec le champ initial du stator. De cette interaction, il est produit un courant qui sort de la machine. De par cette explication, on en déduit que la vitesse de rotor diffère de la vitesse de synchronisme (par définition, l’effet utile a lieu s’il existe une différence de vitesse). Si on reprend la notation ci-dessus, on a « n » différent de « ns ». Cette différence de vitesse est appelée glissement,

s = (ns – n)/ns, et différent de 0.

Le couple de freinage exercé par la génératrice sur le rotor dépend de ce glissement, s. On voit donc que la vitesse de rotation dépend du couple exercé sur le rotor du moteur. Dans le cas de la machine synchrone, on avait un couple qui dépendait d’un déphasage entre le rotor et le stator, l’angle électrique, mais l’ensemble tournait à la même vitesse. Par contre, dans le cas de la machine asynchrone, on a un couple dépendant de la différence de vitesse entre rotor et stator.

Courbe caractéristique du couple électrique en fonction du glissement pour une machine asynchrone.

Si la génératrice est directement connectée au réseau électrique, la vitesse de synchronisme, ns, est fixée par la fréquence du réseau et le nombre de pôles. Dans le cas de la machine asynchrone, le rotor peut tourner à une vitesse différente qui dépend du couple exercé par le rotor et de la courbe caractéristique du couple électrique du moteur à induction (présentée ci-dessus). Si on peut jouer sur le glissement de la machine, on peut alors fonctionner à une vitesse différente que celle imposée par le réseau qui est constante. On gagne en souplesse.

Dynamique du rotor : vitesse variable ou constante

Reprenons une nouvelle fois la configuration de la chaîne de transmission entre le rotor de l’éolienne, d’une part, et le rotor de la génératrice, d’autre part.

Schéma des forces appliquées au système de transmission ainsi que les éléments dominant pour l’inertie.

Si l’on examine les forces qui s’exercent sur l’arbre de l’éolienne, on voit que l’on trouve, d’un côté, le couple mécanique exercé par les forces aérodynamiques sur les pales de l’éolienne, et d’un autre côté, le couple de freinage exercé par la génératrice sur le rotor (c’est-à-dire le couple électrique). En effet, si l’arbre exerce un certain couple sur la génératrice alors la génératrice exerce par réaction un couple de freinage sur son rotor. On trouve souvent intercalé entre les deux extrémités une boîte de vitesse pour rendre les vitesses de rotation compatibles. Le rotor de l’éolienne ainsi que le rotor de la génératrice représentent les contributions principales pour l’inertie de la chaîne de transmission.

La vitesse du vent est, de par nature, fluctuante dans le temps, si bien que le couple aérodynamique varie suivant ces variations. On distingue deux grands types de fonctionnement qui ont un impact sur la manière dont on gère ces fluctuations de couple aérodynamique :

Éolienne à vitesse de rotation constante directement couplée au réseau électrique

On considère ici une machine, synchrone ou asynchrone, directement connectée sur le réseau d’énergie électrique. Par « directement », on veut dire que l’on n’a pas intercalé, entre la sortie de la génératrice et le réseau, un système d’électronique de puissance qui permet de découpler le comportement électrique du réseau de celui de la machine (c’est-à-dire essentiellement un système « redresseur-onduleur »). C’est le montage le plus basique qui correspond typiquement à de vieilles façons de procéder.

Comme le stator de la génératrice est directement connecté au réseau, on connaît la vitesse de synchronisme de la machine, ns.

Dans le cas de la machine synchrone, le rotor doit strictement tourner à la vitesse de synchronisme, ns.

Pour la machine à induction, la vitesse de rotation est différente de la vitesse de synchronisme, ce qui correspond à un certain glissement, s. Néanmoins, il faut savoir que ce dernier est limité. En fait, il est d’autant plus limité que la machine est puissante, et ce, pour une question d’efficacité énergétique.

Dans le cas d’une éolienne qui tourne à vitesse constante, le couple électrique doit être constamment adapté au couple aérodynamique. Tout au plus, on peut essayer d’intercaler entre les deux extrémités de la transmission, une certaine forme d’amortissement mécanique qui permet que les à-coups ne se traduisent pas directement en contraintes mécaniques dynamiques importantes sur l’ensemble de la transmission, avec les problèmes de durée de vie qui y sont liés.

Couple moteur aérodynamique = Couple résistif électrique

Si le vent vient à augmenter brusquement, cela se traduit par une augmentation soudaine du couple aérodynamique. Le couple résistif du générateur s’adapte presque instantanément pour égaler ce couple aérodynamique. Cela se fait soit par une augmentation de l’angle électrique dans le cas d’une machine synchrone, ou par une augmentation du glissement dans le cas d’une machine à induction.

On voit qu’avec ce mode de fonctionnement, on a deux désavantages :

Le système de transmission est soumis à des charges dynamiques mécaniques importantes,

Par définition, la vitesse de rotation de l’éolienne reste constante (ou varie un peu dans le cas de la machine asynchrone avec glissement), et ce, quel que soit le régime de vent. Par conséquent, on ne peut maintenir le rapport entre la vitesse en haut de pale et la vitesse du vent qui garantit les meilleurs rendements aérodynamiques de la machine. On perd en efficacité.

Éolienne à vitesse de rotation variable couplée au réseau

On veut pouvoir travailler à vitesse de rotation variable pour toujours aller chercher les meilleurs rendements, en maintenant le « tip-speed ratio » optimum. En outre, on veut pouvoir minimiser les charges dynamiques sur la chaîne de transmission. En effet, si le vent vient à augmenter brusquement, cela se traduit par une augmentation soudaine du couple aérodynamique. Comme le couple électrique n’est pas obligé de s’adapter en fonction, le rotor va simplement se mettre à accélérer. En d’autres termes, le rotor accumule sous forme d’énergie cinétique (au moyen de l’inertie de rotation) l’énergie des fluctuations rapides de vent. Une fois que le vent diminue et reprend sa valeur précédente, le rotor décélère lentement en transférant son énergie accumulée à la génératrice.

Couple moteur aérodynamique différent du Couple résistif électrique

Génératrice synchrone couplée au réseau via un système redresseur-onduleur

La fréquence à la sortie du stator de la génératrice synchrone n’est pas fixée. En effet, le système redresseur-onduleur permet de découpler le fonctionnement électrique de la machine électrique et du réseau. Du coup, c’est la vitesse de rotation du rotor qui donne la fréquence électrique à la sortie du stator. On peut laisser la vitesse de rotor varier. La fréquence du stator sera elle aussi variable, mais cela n’a aucune importance dans la mesure où un couple redresseur-onduleur va transformer cette tension alternative en une autre de fréquence et de tension différente, en l’occurrence, celles du réseau électrique.

Génératrice asynchrone combinée directement au réseau avec glissement important

Si on peut jouer sur le glissement de la machine à induction et que l’on est capable de le faire varier sur de larges plages, alors on peut travailler avec un rotor à vitesse variable. Typiquement, on peut augmenter le glissement du moteur en ajoutant des résistances au rotor. Cela peut se faire par un jeu de balais qui connecte le rotor par l’extérieur, ce qui permet d’avoir des éléments du circuit électrique à l’extérieur du rotor, autrement dit, fixes. Dans ce cas-ci, il s’agit de résistances. Néanmoins, pour atteindre des plages de variation importantes, le niveau de ces résistances est loin d’être négligeable si bien qu’elles engendrent beaucoup de dissipation. Heureusement, elles sont placées à l’extérieur du rotor à un endroit où elles peuvent évacuer facilement la chaleur. Néanmoins, ces pertes par effet Joule grèvent sérieusement le rendement. On ne peut pas raisonnablement envisager de travailler de cette manière.

Une solution est de faire varier les caractéristiques électriques du rotor via un système d’électronique de puissance. Dans ce cas, on peut faire varier le glissement de manière significative et donc la vitesse de rotation de l’éolienne sans créer de dissipation importante et donc conserver l’efficacité énergétique. L’avantage par rapport à une génératrice synchrone avec redresseur-onduleur est que, dans ce cas-ci, l’électronique de puissance embarquée est moins importante.

Posted By : Laurent 23 Fév, 2010

Stockage et l’alimentation du bois-énergie

Avant d’alimenter la chaudière, le bois-énergie, qu’il soit sous forme de pellets ou de plaquettes, est d’abord acheminé vers un lieu de stockage, le silo. Ensuite un dispositif mécanique lui permettra de l’extraire de cette réserve pour ensuite être transporté jusqu’à la chaudière. La chaudière peut elle-même posséder un petit réservoir qui lui permet de ne pas devoir s’alimenter de manière continue à la réserve de pellets ou plaquettes.

Afin de généraliser notre propos, nous allons scinder ce processus en deux étapes :

D’une part, on analysera les systèmes de stockage suivant le conditionnement du bois, ainsi que les modes d’extraction suivant le stockage.
D’autre part, on analysera le dispositif de transport entre le local de stockage et la chaudière.

Ces développements n’ont pas pour vocation de former le lecteur au choix d’un dispositif de stockage et d’alimentation. En fait, il s’agit d’une tâche de spécialiste. Pour prendre une décision éclairée, il faut connaître les détails techniques et de prix de chaque dispositif. Ceux-ci dépendent du fabricant, du constructeur. En outre, ces techniques peuvent évoluer dans le temps.

La vue synthétique présentée ci-dessus a pour objectif de montrer la variété des solutions qui permettent de s’adapter à un très grand nombre de situations. Cela permet aussi de donner les éléments clefs de réflexion pour interagir avec les spécialistes de la question. Au travers des différentes configurations présentées, on s’aperçoit que les investissements et les aménagements sont plus ou moins lourds. D’un point de vue économique et technique, le stockage est un poste important du projet. Il aura un impact majeur sur sa faisabilité ainsi que sur sa viabilité économique.

Stockage

Pièce de stockage : pellets et plaquettes

On peut distinguer différents types de stockage pour les pellets et plaquettes. Généralement, on trouve une pièce de stockage, c’est-à-dire un silo. Cette pièce rectangulaire ou cylindrique est dissociée de la chaufferie et peut ne pas lui être voisine voire se situer à un niveau différent.

La pièce devra être conçue pour résister mécaniquement à la masse du bois et pour protéger le bois de l’humidité. En outre, elle devra être facilement accessible pour son réapprovisionnement. Ce dernier point sera traité plus tard.

On peut faire certaines distinctions entre les pièces de stockage, distinction qui aura un impact sur la méthode d’extraction du combustible :

Avec sol incliné : Dans ce cas, le sol est incliné dans la direction de l’admission de bois de la chaudière. Comme la chaudière est dans le prolongement direct du plan incliné de stockage, le dispositif d’extraction pourra être conçu de manière plus simple.
Avec sol horizontal : Tout l’espace est occupé au niveau du sol ce qui assure une optimisation de l’espace disponible. Par contre, le sol peut être à une hauteur différente de l’admission de combustible de la chaudière et le bois à extraire peut se situer n’importe où au niveau du sol de la pièce. En conclusion, le dispositif d’extraction devra être plus élaboré.

Illustration de deux organisations spatiales du local de stockage : la figure de gauche représente un local à sol horizontal alors que la figure de droite correspond au local avec un sol incliné.

Stockage des pellets

Les pellets offrent des possibilités de stockage supplémentaires. Cette flexibilité est est due à la grande faculté d’écoulement des pellets. Celui-ci est découle de leurs petites tailles et de leurs surfaces lisses.

Pièce de stockage

Toujours dans les pièces de stockage séparées, on peut maintenant ajouter une troisième catégorie :

Avec parois latérales inclinées ou en « V » : Dans ce cas de figure, les pellets sont dirigés naturellement sous l’effet de la gravité vers le centre de la pièce où les deux parois latérales se rejoignent. Cette particularité permettra de concevoir un dispositif d’extraction simple.

Illustration d’un local de stockage pour pellets avec parois latérales inclinées : ce principe garantit l’écoulement naturel des granulés vers le dispositif d’extraction (vis d’extraction).

Sac ou silo textiles à pellets

Il s’agit de silo en textile pré-assemblés par le constructeur. Ces sacs ont des de multiples avantages mais ont des volumes limités si bien qu’ils s’appliquent plutôt au secteur domestique et au petit tertiaire :

Plus de flexibilité sur la localisation du stockage. Les parois sont protégées contre l’humidité si bien qu’ils peuvent être placés dans des pièces humides, dans la mesure où le silo textile protège les pellets qu’il contient. Dans le même ordre d’idée, le silo pourra être directement placé dans la chaufferie si celle-ci possède un volume suffisant. Il ne faut donc pas prévoir une pièce spécifique pour le stockage. Le silo peut même être placé à l’extérieur du bâtiment s’il est protégé contre les intempéries et des rayons UV (qui peuvent altérer les propriétés des parois à long terme).
Facilité de montage. Dans la mesure où la fonction de stockage et d’extraction est réalisée de façon automatique par le silo préfabriqué. Le montage est relativement simple : il ne reste plus qu’à prévoir le transport entre le silo et la chaudière.

Illustration de silos textiles de stockage de pellets : la figure de gauche représente un silo textile placé dans un local de stockage tandis que la figure de droite correspond à un silo dans le local de chauffe.

Volume de stockage

On a déjà plusieurs fois évoqué le volume occupé par les différents conditionnements de bois pour une même quantité d’énergie. De cette analyse, il ressort qu’il faut un volume deux à trois fois plus important de pellets que de mazout, un volume dix à quatorze fois plus important de plaquettes. Les plaquettes sont donc caractérisées par un volume de stockage important qui aura un impact direct sur la zone de stockage.

Le tableau ci-dessous reprend les différents volumes de bois en fonction de la consommation annuelle d’énergie du bâtiment [kWh/an]. La première ligne est caractérisée par une consommation de 5 000 kWh/an, ce qui correspond approximativement à une maison passive où le chauffage des pièces et de l’ECS est couvert par le bois. Les hypothèses de calcul sont reprises dans la première ligne du tableau décrivant les entrées. En outre, on a uniquement supposé, pour l’estimation du volume de stockage, que l’on réalisait dix approvisionnements par an. Il est facile de déduire ces volumes pour un autre nombre d’approvisionnements. On a estimé qu’il fallait un volume total de stockage 1.5 fois plus important pour contenir 1 volume utile de bois.

Estimation du volume de stockage en fonction de la consommation annuelle

Besoin calorifique [kWh/an]	Litres de mazout: ~10 kWh/litre	M³ de gaz naturel : ~10 kWh/m³	Tonnes de plaquettes : ~3 900 kWh/tonne	Tonnes de pellets : ~4 600 kWh/tonne	Map de plaquettes : ~1 000 kWh/map	Map de pellets : ~3 500 kWh/map	Volume stockage plaquettes [m³] pour 10 approvisionnements: ~1.5 m³/map	Volume stockage pellets pour 10 approvisionnements [m³]: ~1.5 m³/map
5 000	500	500	1.28	1.08	5	1.42	0.75	0.21
10 000	1 000	1 000	2.56	2.17	10	2.85	1.5	0.43
15 000	1 500	1 500	3.84	3.26	15	4.28	2.25	0.65
20 000	2 000	2 000	5.12	4.34	20	5.71	3.0	0.86
50 000	5 000	5 000	12.82	10.86	50	14.28	7.5	2.14
100 000	10 000	10 000	25.64	21.73	100	28.57	15.0	4.3
200 000	20 000	20 000	51.28	43.47	200	57.14	30.0	8.6
300 000	30 000	30 000	76.92	65.2	300	85.71	45.0	12.8

Approvisionnement

La position de la zone de stockage ne peut être prise au hasard. Elle doit être compatible avec le dispositif d’approvisionnement des pellets et des plaquettes. Dans la pratique, cette contrainte est loin d’être négligeable.

Pellets

De manière générale, les pellets peuvent être vendus par sacs de 10 à 30 kg, par palettes d’une tonne et en vrac par camion souffleur.

Dans le cas du tertiaire, nous considérons ce dernier cas. En pratique, le camion est muni d’une citerne qui contient les pellets. Une fois arrivé à destination, il est muni d’un tuyau flexible qui permet de souffler les pellets dans la zone de stockage. Cette dernière est munie de bouches ou connexions de remplissage. Pour des volumes importants, plusieurs bouches peuvent être placées pour assurer un remplissage plus uniforme de la zone de stockage. En outre, les parois de la zone de stockage sont munies d’un revêtement anti-rebondissement pour ne pas briser les pellets. En effet, il faut que les pellets conservent leurs dimensions et leurs propriétés mécaniques pour que la combustion s’opère dans les meilleures conditions.

Pour que le tuyau flexible puisse atteindre le volume de stockage, il faut que les connexions de remplissage soient situées à maximum 30 m du camion souffleur. Il faudra donc s’assurer que la localisation du stockage soit compatible avec les possibilités d’accès du site.

Illustration de la distance maximale entre le camion souffleur et les conduits d’admission des pellets vers le silo (placés en façade).

Plaquettes

Comme pour le stockage, les plaquettes offrent moins de flexibilité. En effet, la zone de stockage doit être directement accessible par un charroi lourd, c’est-à-dire une remorque à benne ou une benne de tracteur. Cette contrainte spatiale est beaucoup plus sévère que pour les pellets. De nouveau, cela illustre bien qu’une analyse préalable de faisabilité est nécessaire avant de s’engager dans un projet tertiaire basé sur le bois-énergie.

Illustration de l’accessibilité du local de stockage des plaquettes par un charroi lourd (1ère figure).
Photographie de l’alimentation en plaquettes de la chaufferie de l’hôpital de Dave.

Extraction

Avant d’être transportés vers la chaudière, les pellets ou les plaquettes doivent être extraits du silo. La méthode est fortement liée au type de stockage :

Silo avec sol plat : Un déssileur racle le sol de la pièce et amène le bois au niveau d’une tranchée dans laquelle se trouve une vis sans fin d’extraction. Les éléments en bois viennent se placer entre deux pas de vis. La rotation de celle-ci amène ces éléments progressivement vers la sortie du silo. Comme le sol est la plat, la vis d’extraction est elle-même horizontale.
Silo avec sol incliné : On travaille toujours avec un déssileur et le principe reste le même. Comme le sol est incliné en direction de la chaudière, la vis intégrée au sol est directement alignée avec la chaudière. Par conséquent, si la vis est assez longue, elle peut directement alimenter la chaudière sans devoir ajouter de dispositifs particuliers.

Représentation d’un déssileur : la partie supérieure rotative racle le sol de la pièce et amène le bois au niveau d’une tranchée dans laquelle se trouve une vis sans fin d’extraction.

Silo avec parois latérales inclinée ou en « V » : Applicable pour les pellets, cette méthode permet d’éviter l’installation d’un déssileur. De par la forme des parois, les pellets s’écoulent naturellement vers la rigole contenant la vis d’extraction.
Silo textile : Le dispositif ad hoc est développé par le fabricant du silo textile.

Plancher tiroir : Idéal pour les locaux de grande surface.

Représentation simplifiée d’un système d’extraction basé sur un plancher tiroir.

Transport

Une fois extraits de la zone de stockage, les pellets ou plaquettes sont acheminés vers la chaudière. Celle-ci peut être voisine de la zone de stockage ou éloignée, au même niveau ou à niveau inférieur ou supérieur. Ces différents éléments conditionnent le type de système de transport. De nouveau, on verra que les pellets proposent plus de flexibilité que les plaquettes.

Alimentation pellets et plaquettes

Par vis d’alimentation inclinée : On peut atteindre directement la chaudière si la chaufferie est proche de la zone de stockage et au même niveau.

Illustration d’une vis d’extraction directement couplée à la chaudière : la disposition relative du sol du local de chauffage et de la chaudière permet de réaliser un couplage direct.

Par vis d’alimentation horizontale couplée avec vis montante à renvoi d’angle : La vis montante permet de monter les granulés ou plaquettes de plusieurs mètres (par exemple, maximum 3.5 m) pour atteindre la chaudière si la chaufferie reste proche de la zone de stockage.

L’alimentation de la chaudière se trouve à un niveau supérieur comparé au sol du local de stockage (et par conséquent du système d’extraction) : la vis montante à renvoi d’angle, illustrée sur la figure en dessous, permet de récupérer cette différence de niveau.

Exemple de vis d’alimentation avec renvoi d’angle sur le coté de la chaudière de l’hôpital de Dave.
Sur la figure de gauche, on a une vue détaillée de la connexion entre la vis d’alimentation et la chaudière : intercalé entre la fin de la rampe d’alimentation et la vis d’alimentation de la chaudière se trouve un dispositif coupe-feu (dans ce cas-ci, il s’agit d’une guillotine) et un réservoir d’eau pour éteindre la masse de bois non encore intégrée au foyer.

Par vis d’alimentation horizontale couplée à une conduite de chute : La conduite de chute permet de descendre les granulés ou plaquettes de plusieurs mètres pour atteindre la chaufferie si celle-ci reste proche de la zone de chauffage.

L’alimentation de la chaudière se trouve à un niveau inférieur comparé au sol du local de stockage (et par conséquent du système d’extraction) : la conduite de chute permet de descendre le combustible de niveau.

Autres alimentations possibles pour les pellets

Par aspiration : Les pellets sont aspirés dans un flexible dont la longueur peut aller jusqu’à une vingtaine de mètres. Cela permet d’alimenter une chaufferie distante ou située à un niveau supérieur. La chaudière se voit ajouter un réservoir supplémentaire de collecte pour l’admission des granulés. Cela permet aussi de faire fonctionner le transfert par aspiration de manière intermittente, ce qui minimise la consommation et les bruits durant la nuit. La méthode par aspiration marche aussi bien pour les pièces de stockage que pour les silos flexibles.

Dans le cas particulier des pellets, un dispositif de soufflage peut être mis en place, et ce, pour différentes configuration du local de stockage.

Posted By : Laurent 19 Fév, 2010

Chaudières bois-énergie

Remarque générale

termes de technologie, il faut noter que les différents conditionnements du bois influencent fortement la structure de la chaudière. Par conséquent, dans les développements ci-dessous, les différentes approches seront déclinées suivant le type de conditionnement.

De manière générale,

La température de retour de l’eau vers la chaudière au bois est limitée à une valeur minimale. Celle-ci dépend du modèle, mais un ordre de grandeur fréquent est de 50-60°C, comme pour les chaudières gaz ou mazout d’ancienne génération (c’est-à-dire, avant les chaudières basse température et à condensation). Cette caractéristique a une influence majeure sur le design de la boucle primaire qui sera conçue pour garantir une température de retour suffisante. Il y a lieu de garder ce paramètre en vue. Celui-ci est souvent communiqué par le constructeur.

La possibilité de modulation en puissance d’une chaudière au bois est souvent plus limitée qu’une chaudière au gaz voire de certains brûleurs au mazout. Cela a un impact sur la manière de dimensionner la chaudière : la logique de dimensionnement sera différente que pour les combustibles « traditionnels ».

Les chaudières à bûches

Les chaudières à bûches ont le désavantage de ne pas être entièrement automatisées si bien que leur emploi dans le secteur tertiaire soulève certains problèmes. Le facilitateur bois-énergie pour le secteur public, Francis Flahaux de la FRW, mentionne qu’il n’existe pas de projet à bûche en Wallonie. En fait, cette approche est bien adaptée pour le chauffage des maisons individuelles ou collectives et pour des bâtiments agricoles.

Exemples de chaudière à bûches.

Les éléments constitutifs de la chaudière à bûches sont la zone de remplissage, la zone de combustion ainsi que l’échangeur thermique. Cette distinction entre zones s’explique par leurs fonctions différentes. Les bûches sont placées manuellement dans la zone de remplissage. C’est dans cette zone qu’elles seront attaquées par l’air primaire. Les gaz riches générés par cette première phase, essentiellement du monoxyde carbone CO et de l’hydrogène H₂, sont ensuite acheminés vers la zone de combustion où l’oxydation complète est réalisée par l’air secondaire. Différentes configurations existent suivant la direction et l’agencement des flux d’air. On peut trouver une combustion montante, latérale ou inversée. Les gaz de combustion issus de la seconde étape, essentiellement de la vapeur d’eau et du CO₂, sont à haute température. Ils sont admis dans l’échangeur thermique pour réchauffer l’eau de la chaudière. Ce tirage se fait par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières à pellets

Les chaudières à pellets sont bien adaptées pour les applications domestiques, tertiaires et industrielles. D’une part, le système d’approvisionnement peut-être entièrement automatisé, ce qui est toujours le cas dans le secteur tertiaire. Cela donne un confort d’utilisation comparable aux chaudières mazout ou gaz. D’autre part, le bois se trouve sous forme compactée si bien qu’il demande le volume de stockage le plus faible parmi les différents conditionnements du bois.

Exemples de chaudière à pellets. Pour la dernière figure, illustration par une coupe dans une chaudière à pellets. On distingue clairement la couche d’isolation pour limiter les pertes vers la chaufferie, le foyer ainsi que la vis d’alimentation situés en bas et surplombés par l’échangeur. En bas à gauche, une porte permet d’accéder au cendrier.

Comme pour les bûches, la combustion se fait en deux étapes séparées, ce qui influence la structure de la chaudière. Au départ, les pellets sont acheminés vers le foyer. Cela se fait généralement par un système de vis sans fin, mais on trouve aussi des systèmes où les pellets tombent dans le foyer. C’est au niveau du foyer que se passe la phase primaire de combustion.

Illustration d’une typologie de foyer à pellets où les pellets sont amenés via une vis sans fin par le dessous et l’air primaire est injecté latéralement par une série de trous percés dans un anneau.

Illustration de deux autres typologies différentes de foyer à pellets : la première figure correspond à une alimentation via une vis sans fin tandis que la dernière image montre des pellets qui tombent dans le foyer.

De nouveau, cette phase dégage des gaz riches, essentiellement du CO et de l’hydrogène H₂, qui se déplacent vers la zone dite de « post-combustion » où ces gaz subissent leur oxydation complète par l’air secondaire. La séparation en deux étapes permet de les contrôler indépendamment, permettant ainsi d’optimiser le processus de combustion (c’est-à-dire, obtenir les meilleurs rendements et minimiser l’émission de gaz nocifs).

Les gaz de combustion à haute température traversent l’échangeur thermique pour céder leur chaleur à l’eau de la chaudière. Ce déplacement est généré par un ventilateur situé en aval de l’échangeur.

Vue du haut d’un échangeur vertical avec un système de ressorts pour racler les dépôts. Au centre, on trouve la zone de post-combustion où une série d’injecteurs placés en anneau fournissent l’air secondaire de combustion.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs pour les chaudières basse température oscillent typiquement entre 90 et 94 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 20 à 30 % de la puissance nominale. Nous n’avons pas de rendement nominal à notre disposition pour les chaudières pellets à condensation.

Les chaudières à plaquettes

Les chaudières à plaquettes sont elles aussi bien adaptées pour le secteur tertiaire et industriel. En effet, l’entièreté du processus d’approvisionnement est toujours automatisé de même que le nettoyage des tubes de l’échangeur et le décendrage. Néanmoins, il ne faut pas perdre de vue que le volume de stockage pour les plaquettes est plus important que pour les pellets.

Exemple de chaudière à plaquettes.

La chaudière à plaquettes est organisée de manière identique à la chaudière à pellets. On retrouve le foyer et son alimentation en combustible et en air primaire, la chambre de « post-combustion » pour l’oxydation avec l’air secondaire ainsi que l’échangeur thermique.

Les chaudières à plaquettes sont souvent capables de brûler aussi bien des plaquettes que des pellets, et ceci, dans de bonnes conditions. Néanmoins, l’inverse n’est pas vrai : les chaudières à pellets ne peuvent gérer efficacement les plaquettes.

En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs oscillent typiquement entre 88 et 92 %. La plage de modulation oscillant quant à elle autour d’une puissance instantanée minimale de 30 à 50 % de la puissance nominale.

Les chaudières industrielles

Les chaudières industrielles sont caractérisées par des puissances importantes et une plus grande souplesse sur la nature et la qualité du combustible exigé. Elles sont souvent proposées pour des puissances supérieures à ~150 kW. Ces chaudières peuvent brûler indifféremment des plaquettes et des pellets industriels (qui obéissent à des normes moins strictes que les pellets pour application domestique).

Exemples de chaudière industrielle avec une grille de combustion : tournante (image de gauche) et rectiligne (image de droite).

Dans cette catégorie de chaudières pour le tertiaire, on trouve essentiellement la combustion sur grille qui permet de brûler du bois présentant des granulométries différentes. De nouveau, on trouve une zone de combustion pour l’oxydation avec l’air secondaire et l’échangeur de chaleur.

Direction de la flamme par rapport à l’alimentation de la grille en fonction de la géométrie de la chaudière et de l’arrivée d’air primaire : combustion à contre-courant (figure de gauche), à co-courant (figure centrale) et latérale (figure de droite).

Exemple de chaudière industrielle de 1MW de l’hôpital de Dave brûlant des plaquettes. La première vue représente une vue globale de l’installation. La deuxième photographie montre l’ouverture sur le foyer (les flammes sont maintenues à l’intérieur, car le foyer est mis en dépression par le ventilateur d’extraction). La troisième photographie montre la combustion sur la grille.

Équipements de l’installation

Échangeur de chaleur

L’échangeur de chaleur est un élément constitutif récurrent des différents types de chaudière. Son objectif est de transférer la plus grande partie de l’énergie des gaz de combustion à haute température vers l’eau de la chaudière. Cette eau réchauffée sera ensuite acheminée vers le circuit de chauffage.

Généralement, les chaudières ne refroidissent pas les gaz de combustion jusqu’à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. Le soufre contenu dans l’eau condensée provoquerait la corrosion de l’échangeur. Néanmoins, certains fabricants présentent des chaudières à condensation. Dans ce cas, l’échangeur thermique est adapté pour supporter cette étape supplémentaire, par exemple en travaillant avec de l’acier inoxydable. Si la condensation n’est pas prévue, le circuit hydraulique devra être conçu pour maintenir la température de retour à un niveau suffisant pour éviter cette condensation.

En outre, l’échangeur doit être conçu pour éviter son encrassement. En effet, des cendres volantes ainsi que des suies sont présentes dans les fumées. Généralement, elles viennent s’agglomérer ou se condenser sur les points froids de la chaudière et donc particulièrement dans l’échangeur thermique (puisque sa fonction est de diminuer la température des fumées).

Différentes solutions sont présentées par les constructeurs. On pense notamment à la disposition des canaux de l’échangeur de manière verticale pour permettre l’écoulement naturel des crasses. Certains constructeurs ont équipé les canaux des échangeurs d’éléments métalliques, typiquement des ressorts spéciaux, qui viennent racler la surface de l’échangeur et ainsi assurer son nettoyage (voir figure du zoom sur l’échangeur dans la section sur les chaudières à pellets). Suivant les modèles cette procédure peut être réalisée automatiquement, par exemple sur une base quotidienne ou, mieux encore, sur base d’un nombre d’heures de fonctionnement. De manière moins souple et peu adaptée pour le tertiaire, la procédure peut être réalisée manuellement via une manette qui actionne le jeu de ressorts.

Zoom sur la face avant de la chaudière de l’hôpital de Dave : on voit ici une série d’actionneurs pneumatiques qui permettent de racler les canaux horizontaux de l’échangeur de chaleur.

Cendrier

Les cendres sont un produit naturel de la combustion. Qu’elles proviennent du foyer ou du nettoyage de l’échangeur thermique voire des filtres à fumées, une bonne conception de chaudière les fera aboutir dans un cendrier sous l’effet combiné de la gravité et de dispositifs mécaniques (comme une vis sans fin).

Suivant la teneur en minéraux du bois-énergie qui est à l’origine de la formation des cendres et de la consommation, le volume de cendres généré est plus ou moins important. Souvent, le volume du cendrier est fixé par le constructeur si bien que la fréquence de vidage du cendrier dépend des applications. Pour fixer les idées, on parle de décendrages espacés de deux semaines jusqu’à un seul décendrage par saison de chauffe. Les variations sont donc assez conséquentes, mais restent suffisamment espacées pour garantir le confort d’utilisation. Pour fixer les idées, le taux de cendres est d’approximativement 0.5% du poids avec des granulés jusqu’à 2 voire 3% pour des bois plus minéralisés (par exemple, contenant beaucoup d’écorces).

Pour garantir le caractère renouvelable de la combustion du bois, les cendres doivent être idéalement restituées à la nature. Il s’agit en effet de minéraux qui ont été prélevés au sol durant la croissance de l’arbre. Il est donc logique de restituer ces éléments pour avoir un bilan écologique le plus neutre possible. Néanmoins, à l’heure actuelle, la législation en région wallonne n’autorise pas les épandages en forêt et, pour l’agriculture, les cendres doivent être analysées et agrées par l’AFSCA pour pouvoir intégrer un amendement agricole.

Si le bois est sain, l’épandage ne pose pas de gros problèmes techniques. Par contre, si le bois est pollué, les cendres peuvent contenir des produits toxiques, par exemple du Plomb ou de l’Arsenic. Il n’est dès lors pas question de répandre ces cendres polluées directement dans la nature.

Ballon tampon et cycle de production

Dans les cas des chaudières au bois, on intercale parfois un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage.

Les chaudières au bois présentent des cycles de fonctionnement relativement longs, c’est-à-dire l’espace de temps entre la première injection de combustible et l’arrêt de fonctionnement de la chaudière. Pour les applications domestiques, on parle d’une demi-heure pour les chaudières à pellets et d’une heure pour les chaudières à bûches. Si on veut travailler sur des cycles de production plus courts, la qualité de la combustion sera dégradée significativement. Cette caractéristique est liée à la physique de la combustion du bois. En conclusion, on peut synthétiser que la chaudière doit fonctionner pendant une durée minimale pour travailler de manière efficace.

Les chaudières possèdent une modulation de puissance, c’est-à-dire que la puissance instantanée peut être inférieure à la puissance nominale de chaudière. Certains modèles de chaudière bois-énergie peuvent avoir une plage de modulation d’au maximum 25 à 100 %. Par exemple, une chaudière de 25 kW pourrait avoir une puissance instantanée minimale proche de 6 kW. Cette modulation permet de s’adapter aux besoins thermiques instantanés du bâtiment. Au mieux, on a une production de chaleur qui est égale à la chaleur consommée par le bâtiment. Dans ce cas, la chaudière fonctionne sur base de cycles de production longs. Tout se passe alors pour le mieux : on obtient un fonctionnement continu synonyme de meilleur rendement ainsi qu’un minimum de gaz nocifs produits.

La réalité est malheureusement un peu plus complexe. Suivant les saisons, l’ensoleillement voire l’occupation du bâtiment, les besoins de chaleur de celui-ci seront fort variables. Les puissances demandées pour chauffer le bâtiment peuvent varier à la fois en amplitude, mais aussi dans le temps. À certaines périodes, le besoin d’énergie du bâtiment peut être trop faible pour absorber toute l’énergie produite par un cycle de combustion de la chaudière au bois, même si la durée du cycle est limitée au minimum. En outre, on ne veut engendrer aucune surconsommation : on ne veut pas rejeter la puissance excédentaire ou surchauffer le bâtiment. Ces aspects sont traités dans la partie relative au dimensionnement des chaudières au bois.

Si on ne peut absorber raisonnablement la quantité minimale d’énergie produite par une chaudière, une solution est d’intercaler un ballon tampon entre la chaudière et le circuit primaire de chauffage. Le volume du ballon est dimensionné pour absorber une bonne partie de l’énergie d’un cycle minimal de combustion, si bien que la chaudière est assurée de fonctionner dans des conditions optimales. L’énergie qui n’est pas consommée instantanément par le bâtiment est stockée dans le ballon. Ensuite, une fois la chaudière éteinte, le circuit de chauffage vient s’alimenter dans cette réserve de chaleur au rythme des demandes du bâtiment. Le ballon tampon permet de « temporiser ». Ce ballon permet de faire un découplage entre le rythme de la chaudière et le rythme des demandes du bâtiment. D’un côté, la chaudière peut fonctionner sur base de cycles suffisamment longs, indépendamment de la demande du bâtiment. D’un autre côté, le bâtiment peut toujours être chauffé à la bonne puissance et au bon moment. On a une combustion efficace et aucune surconsommation. Au pire, on a les pertes du ballon tampon.

Installation avec chaudière industrielle de 230 kW de l’école IND à Saint-Hubert. On trouve à gauche la chaudière (en jaune) et le ballon tampon associé (en gris). On voit aussi les conteneurs de cendres (« poubelles » métalliques en gris à gauche de l’image).

Découvrez ces exemples de chaudières bois ou pellets : la chaudière à pellets à la résidence 3e âge « Aux Lilas » de Bonlez, le chauffage urbain au bois de Libin et le chauffage au bois à l’hôpital de Dave.

Posted By : Laurent 17 Fév, 2010

Bois-énergie : les points clés

Origines et conditionnement

Cette section est essentiellement issue des dossiers réalisés par Valbiom sur la filière bois-énergie. Ces documents sont disponibles sur le portail énergie de la Région Wallonne. Néanmoins, certains dossiers sont essentiellement destinés au secteur domestique.

Avec une superficie forestière de 544 800 ha équivalents à 32% du territoire, la Wallonie présente d’importante ressources en combustibles biomasse (En 2017, Les combustibles biomasse wallons représentent 76% de l’énergie renouvelable wallonne((La place des bioénergies en Europe, Belgique et Wallonie – Valbiom – décembre 2017))). Cependant, ces ressources ne peuvent être exploitées d’une manière raisonnée, traçable et durable qu’à travers la structuration de ce potentiel au sein d’une filière professionnelle.

D’où vient le bois ?

Le bois destiné à la production d’énergie peut avoir plusieurs origines. D’une part, il peut s’agir de bois directement coupé dans des exploitations forestières pour des applications énergétiques (typiquement le chauffage au moyen de bûches). D’autre part, il peut s’agir de sous-produits, aussi appelés « produits connexes » :

Sous-produits issus l’exploitation forestière, exploitation dont le produit principal sert à alimenter l’industrie. Il s’agit de sciures, de copeaux, d’écorces, de plaquettes voire de chutes diverses.

Sous-produits issus de la première transformation du bois, par exemple au sein de scieries ou des entreprises de déroulage du bois. Ces sous-produits peuvent se trouver sous forme d’écorces, de sciures, de plaquettes ainsi que de chutes diverses.

Sous-produits issus de la deuxième transformation du bois, notamment dans les menuiseries et les fabriques de panneaux. Il s’agit de copeaux, de sciures et de chutes diverses.

Sous-produits issus de l’entretien des routes, des voies de chemin de fer, des haies ainsi que des arbres isolés. Les volumes générés sont non-négligeables. Généralement, on exploite les grumes, c’est-à-dire le tronc d’arbre abattu dont on a coupé les branches, mais qui est toujours recouvert de son écorce, les tiges étant broyées sur place.

Bois en fin de vie issu de la démolition (bois de rebut), souvent sous forme de plaquettes. Dans ce cas de figure, il faut distinguer le bois propre d’un bois traité. Par bois traité, on entend un bois imprégné par un produit de conservation du bois (PCP ou autre) ou un bois qui a été recouvert sur sa surface (par du PVC ou autre). Bref, tout élément exogène qui rend le bois impur et risque de le rendre impropre à la combustion.

Sous quelle forme ?

Les bûches

Les bûches sont principalement utilisées pour les applications domestiques étant donné que leur usage demande une certaine manutention, une charge socio-économique rarement compatible avec les applications privées ou publiques de grands bâtiments ou de logements collectifs. Pour avoir une vue globale, la thématique des bûches est reprise dans Énergie+ bien qu’il soir fort improbable de retrouver des bûches dans le domaine tertiaire, le secteur cible d’Energie+.

Les bûches viennent principalement de l’exploitation de taillis ou de la récupération des houppiers (c’est-à-dire la tête des troncs d’arbre, toute la partie supérieure au fût). Le tronc est quant à lui destiné à la scierie pour une exploitation industrielle. En fait, on utilise pour le chauffage le bois qui n’a pas la qualité ou les dimensions suffisantes pour un usage industriel, on pense notamment à la menuiserie et à la production de panneaux.

Illustration des différentes parties d’un arbre lors de sa valorisation.

Le bois peut être vendu dans un conditionnement plus ou moins fini :

Sur pied : l’acheteur devra réaliser ou faire réaliser la coupe du bois par ses propres moyens ainsi que son conditionnement.
En « bord de route » : le vendeur aura préalablement abattu l’arbre et l’aura débardé (pour l’amener au lieu de chargement).
Débité : le tronc aura été préalablement découpé.
Conditionné en stère (c’est-à-dire un volume d’un m³).
Séché à l’abri jusqu’à deux ans.

Plus le conditionnement sera fini, plus le coût sera élevé. Il y a moyen de réaliser des économies substantielles en réalisant une des ces étapes soi-même. Néanmoins, il faut pouvoir assurer ces tâches et disposer d’une zone de stockage qui peut être non négligeable. Encore une fois, on conçoit facilement de réaliser de telles tâches pour une application domestique alors que c’est pratiquement exclu pour les autres contextes.

Conditionnement en stère

Les bûches sont généralement conditionnées en stère. Il s’agit d’un volume d’ 1m x 1m x 1m dans lequel sont empilées des bûches. Suivant la longueur des bûches, leurs formes ainsi que leur régularité, on va pouvoir entasser plus ou moins de bûches dans ce même volume. Comme les bûches sont vendues par stère, il faut donc être vigilant sur leur condition d’empilement. D’une part, cela dépend de la qualité géométrique du bois (longueur, régularité et forme) mais aussi la rigueur avec laquelle on a empilé les bûches.

Illustration de la relation entre le volume apparent et le conditionnement du bois : évolution du volume apparent occupé en fonction de la longueur de la découpe. En prenant au départ 1 m³ de bois coupé sur 1m, on trouve in fine 0.7 m³ de bois coupé en 33 cm.

Pour quantifier cela, on définit le coefficient d’empilage qui est le volume de bois plein présent dans un stère :

CE = m³_bois _plein/m³_apparent = m³_{bois plein}/stère

Le tableau suivant donne un bon aperçu des variations possibles sur le coefficient d’empilage et de leur impact sur la quantité de bois plein présent au sein d’une stère. En reprenant nos considérations sur le *PCI, on voit bien que ce potentiel d’énergie par unité de masse est indépendant de l’essence. Par contre, le PCI par stère dépend à la fois de la masse volumique et du coefficient d’empilage qui sont bien fonction de l’essence.

*PCI : pouvoir calorifique inférieur.

Tableau 1 : Influence du coefficient d’empilement et de l’essence sur les propriétés énergétiques d’une stère de bûches.

Essence HR de 20 La d	Coefficient d’empilage [m³/stère]	Masse volumique [kg/m³]	Masse volumique [kg/stère]	Pouvoir Calorifique Inférieur [kWh/kg]	Pouvoir Calorifique Inférieur [kWh/stère]
Chêne	0.46 à 0.68	725	334 à 493	3.9	1 302 à 1 922
Hêtre	0.58 à 0.77	725	421 à 558	3.9	1 641 à 2 176
Epicéa	0.62 à 0.76	425	264 à 323	3.9	1029 à 1 259

La définition de corde n’est pas standardisée.

Les filières de production du bois-bûche en Wallonie

Selon Valbiom, la filière de valorisation de bois-bûche est faiblement organisée puisque les producteurs sont, d’une part nombreux, et d’autre part, exercent parfois cette activité d’une manière complémentaire à une activité de valorisation forestière principale. Il s’avère donc moins fiable de récolter une information chiffrée et précise sur leur activité.

Cependant, les tendances démontrent que cette filière commence à se structurer. En effet, la production ne vise pas uniquement à répondre aux besoins de chauffage domestique, mais aussi à fournir du bois-bûche pour attirer de nouveaux clients dans le secteur industriel.

Sans une professionnalisation de cette filière en Wallonie, la production de bûches de qualité sera toujours coûteuse et demandera beaucoup de main-d’œuvre.

Les plaquettes

Exemple de plaquettes.

Source : www.valoris-environnement.fr.

Les plaquettes sont obtenues par le broyage du bois. Elles sont obtenues à base de sous-produits d’exploitation forestière (par exemple, de houppiers), de déchets issus de la transformation du bois voir de l’entretien des routes ou voies ferrées ainsi que des espaces verts. En outre, cela permet de valoriser ces déchets et de ne pas payer pour s’en débarrasser.

C’est un conditionnement typique pour les applications dans le tertiaire ou l’industrie en chaufferie automatique. En effet, aucune manutention n’est plus nécessaire : le broyage en plaquettes permet d’automatiser tout le processus, à partir du transport jusqu’à l’alimentation de la chaudière.

Le gabarit de ces plaquettes de forme plus ou moins parallélipédique peut varier suivant l’appareil de broyage. Seule la longueur peut être réglée, généralement, elle est comprise entre 15 et 30 mm.

Elles sont obtenues en broyant du bois vert ou légèrement ressuyé. Les plaquettes présenteront alors une humidité relative autour de 50 % qui diminuera rapidement lors du stockage à cause de phénomènes de fermentation qui réchauffent le tas. C’est ce phénomène de fermentation aérobie qui assure le séchage qui dure généralement de 3 à 6 mois. Un emploi efficace nécessitera une phase de séchage sous abris et sur dalle (pour éviter les remontées d’humidité) pour atteindre une humidité de 20 à 25 %. Les plaquettes peuvent aussi être obtenues en broyant du bois qui a été préalablement séché. Dans ce cas, on peut atteindre 20 % d’humidité relative.

Exemple de séchage de plaquettes (Combubois à Sainlez).

Il est important de savoir que les plaquettes doivent avoir atteint un taux d’humidité inférieur à 30 % avant d’être stockées de manière viable sur une longue durée dans un silo fermé. Si l’humidité est trop élevée, le bois pourrait subir un phénomène dit de seconde fermentation qui engendrerait la dégradation des plaquettes (formation de méthane, de champignons ou de sucre). Ce phénomène pourrait même détériorer la chaudière lors de la combustion, et, in fine, alourdir la facture d’entretien. Cela met en évidence l’importance de la teneur en eau lors de l’achat de plaquettes. Dans certaines applications, certaines technologies de chaudières peuvent fonctionner avec des plaquettes vertes.

Mètre cube Apparent de Plaquettes (map)

De manière analogue à ce qu’il a été expliqué pour les bûches, un tas d’1 m³ de plaquettes ne contient pas 1 m³ de bois plein. En fait, il y a beaucoup de vide entre ces plaquettes. Un mètre cube apparent de plaquettes, map en abrégé, correspond à un m³ du tas de plaquettes. Dans ce mètre cube, on ne trouve approximativement que 0.4 m³ de bois plein et par conséquent, 0.6 m³ d’air.

1 m³ de bois plein est approximativement égal à 2.5 map de plaquettes.

L’essence du bois à la base des plaquettes a aussi sont importance dans la mesure où il conditionne la masse volumique. Suivant la valeur de la masse volumique, on aura plus ou moins de kg de bois dans notre map. En reprenant nos considérations sur le pouvoir calorifique inférieur (PCI), on a montré que c’est la masse volumique et l’humidité qui importent pour la détermination du pouvoir calorifique. Le tableau suivant donne un ordre de grandeur.

HR de 30 %	Coefficient d’empilage [m³/map]	Masse volumique [kg/m³]	Masse volumique [kg/map]	Pouvoir Calorifique Inférieur [kWh/kg]	Pouvoir Calorifique Inférieur [kWh/map]
Plaquettes	0.4	625	250	3.3	825

Qualité et labels

Les plaquettes peuvent être de qualité différente en fonction de l’essence ainsi que de l’humidité. Les appareils de combustion ainsi que les distributeurs de plaquettes utilisent essentiellement deux chiffres pour qualifier les propriétés physiques des plaquettes. La teneur en eau en % est spécifiée après la lettre W suivie de la taille de la plaquette en mm après la lettre G : une plaquette G30 W50 correspond à des plaquettes de 30 mm à une humidité de 50 % (bois vert) alors que G30 W20 correspond à des plaquettes séchées dont l’humidité est descendue à 20 %.

On fait parfois référence au label autrichien ÖNORM M 7133 pour certifier les propriétés physiques d’un lot de plaquettes et ceci pour les applications domestiques ou de puissance inférieure à ~150 kW. Beaucoup de fabricants de chaudières se retranchent derrière ce critère de qualité pour garantir les performances et la viabilité de leur matériel (la chaudière, mais aussi le système d’alimentation). Néanmoins, pratiquement aucun fournisseur belge de plaquettes n’est certifié pour cette norme. Heureusement, beaucoup de producteurs ont des plaquettes qui ont des propriétés conformes ou proches de ce standard, mais il n’y a pas véritablement de procédure de contrôle de qualité. Dans ce cadre, il est intéressant de connaître le producteur de plaquettes ou d’engager la responsabilité du fournisseur sur la qualité de ses plaquettes dans le contrat d’approvisionnement (essentiellement sur la granulométrie G et sur la teneur en eau W).

Les filières de production des plaquettes en Wallonie

Les producteurs de plaquettes forestières en Wallonie sont majoritairement des agriculteurs ou des exploitants forestiers qui possèdent déjà un tracteur et un accès à la ressource bois. Ils profitent d’une période creuse pour produire et commercialiser des plaquettes.

Jusqu’à présent, 19 producteurs et/ou fournisseurs de plaquettes de chauffage sont recensés par ValBiom. L’estimation de la capacité annuelle de production reste relative et tourne autour de 100.000 t en 2018.

Le bois densifié : pellets, bûchettes et briquettes

Le bois densifié est produit à partir de sous-produits de bois de petite dimension, principalement de la sciure. Pour les briquettes et bûchettes, d’autres éléments peuvent être utilisés, comme des copeaux. Après une phase de séchage, le bois est compressé pour produire un matériau dense et homogène.

Aucun liant n’est ajouté au bois pour assurer la cohésion de la matière densifiée. En effet, la compression engendre une montée importante de la température conduisant à la détente et la plastification de la lignine, un polymère naturellement présent dans le bois. Une fois refroidie, cette lignine assurera le rôle de liant naturel de la matière densifiée.

La densification du bois va augmenter son pouvoir calorifique par m³. D’une part, sous l’effet de l’augmentation de la masse volumique : on trouve plus de masse de bois dans un même volume, d’autre part, sous l’effet de la phase séchage qui va réduire l’humidité relative autour de 10 %, ce qui est bien en dessous de ce que l’on peut obtenir en réalisant un séchage du bois à l’air libre. En conclusion, la densité énergétique du bois densifié est significativement plus importante. Le volume de stockage demandé pour un même besoin énergétique sera donc plus faible que pour les bûches ou les plaquettes. En outre, l’énergie requise pour réaliser le transport est liée au PCI/m³ étant donné qu’un camion sera essentiellement restreint par le volume de matière qu’il pourra charger. A distance de déplacement égale, le coût énergétique du transport est donc moindre pour du bois densifié.

Le produit fini peut être sous forme de :

pellets, des granulés de diamètre de 6 à 12 mm pour une longueur allant jusqu’à 20 mm. Dans ce cas, les petites dimensions ainsi que les surfaces lisses des pellets permettent un certain écoulement de la matière et donc une automatisation complète de l’alimentation ainsi que de la chaîne d’approvisionnement. En 2009, 7 producteurs de pellets étaient actifs en Wallonie dont un pour l’usage industriel. Une liste de producteurs et de distributeurs de pellets élaborée par Valbiom est disponible sur le site internet de l’énergie de la Région Wallonne. Les pellets sont vendues non pas par unité de volume, mais suivant la masse : en tonne ou en kg.

Exemple de pellets

briquettes (sous forme de briques) et bûchettes (sous forme de bûches), de 5 à 10 cm de largeur ou de diamètre pour 10 à 20 cm de longueur. Vu les dimensions, l’automatisation n’est pas possible, l’application au domaine tertiaire doit donc être mise question. D’ailleurs, le facilitateur tertiaire pour le bois-énergie, Francis Flahaux (FRW), pour le secteur public considère que cela ne s’applique pas du tout pour le tertiaire. Certains modèles semi-automatiques existent. Dans ce cas, la chaudière contient un réservoir alimenté manuellement dans lequel un volume de briquettes peut être stocké, ce qui assure une certaine autonomie. Ces briquettes seront concassées avant d’être acheminées vers la chambre de combustion. Il n’en reste pas moins que la taille de ce réservoir est limitée, cela s’applique à des installations de faible puissance, une phase de manutention étant toujours nécessaire.

Exemple de bûchettes

Qualité et labels

Le bois peut être densifié avec plus ou moins de soin, suivant le choix de la matière première ainsi que son humidité. Il en résulte que la qualité du produit fini peut-être plus ou moins bonne. Les principales propriétés recherchées sont la résistance à l’abrasion, notamment pour les phases de transport et de manutention, ainsi que la conservation durant le stockage. Durant l’achat de bois-énergie densifié, il faudra comparer les prix, mais aussi tenir compte de la qualité du produit.

Il n’existe pas de norme au niveau belge sur la qualité des pellets. Les producteurs et fournisseurs de pellets font référence à des normes de qualité étrangère. En effet, on entend souvent parler de normes allemandes DIN 51731 et DINplus, de la norme autrichienne ÖNORM M 7135 ou de la norme française NF qui donnent les caractéristiques physiques des pellets et la manière de le déterminer. Depuis quelques années, la norme allemande DINplus est devenue le standard imposé par la majorité des constructeurs de poêles et chaudières. En outre, cette qualité peut aussi être requise par les systèmes d’alimentation et pas uniquement les chaudières elles-mêmes.

La standardisation des pellets permet l’automatisation et le réglage des appareils de combustion. Tous les producteurs de pellets ne font pas certifier leurs produits dans la mesure où cela peut demander beaucoup de temps et d’argent. Cela ne veut pour autant pas dire que les pellets non certifiés ne sont pas de bonne qualité. Néanmoins, aucune garantie ne peut être donnée sur cette qualité. Dans ce cas de figure, il vaut mieux connaître le producteur. Certains respectent les standards de la norme DINplus sans pour autant être passés par la procédure officielle de certification. En effet, des analyses légales peuvent toujours être faites par des laboratoires agrées. La nuance peut être comprise dans une formulation différente dans la description de leur produit : pellets « conformes » DINplus au lieu de pellets « certifiés » DINplus.

En 2012 est apparue au niveau européen une norme visant à contrôler la fabrication, l’entreposage ainsi que la qualité des granulés de bois. Cette norme a été développée par l’European Pellet Council, organisme regroupant les associations nationales du secteur des pellets. La norme ENplus intègre 2 classes en fonction de différents critères de qualité : la classe A1, la plus stricte et la classe A2 qui diffère notamment par une tolérance plus élevée au niveau du taux de cendres. Toutes les informations sur cette norme sont disponibles sur le site officiel ENplus : http://www.enplus-pellets.eu/.

Au niveau des volumes de stockage ainsi que de transport, retenons que pour un même contenu énergétique, ce sont les plaquettes qui prennent le plus de place (600 à 1 000 kWh/map). Ensuite viennent les bûches avec un volume approximativement deux fois moindre (1 500 à 2 000 kWh/stère). Finalement, on arrive aux pellets où l’on peut de nouveau diviser par deux le volume (3 200 à 3 500 kWh/map). Il faut mettre ces chiffres en relation avec le PCI d’un litre de mazout qui vaut approximativement 10 kWh, c’est-à-dire ~10 000 kWh/m³. En conclusion, pour obtenir le même contenu énergétique qu’un mètre cube de mazout, vous avez besoin de ~3 map de pellets, ~6 stères de bois et approximativement 12 map de plaquettes. Cela donne une bonne idée du volume de stockage que cela nécessite si l’on connaît la fréquence d’approvisionnement. La durée de l’autonomie peut varier fortement d’un projet à l’autre, d’un secteur à l’autre. Un bon ordre de grandeur pour le secteur tertiaire est une autonomie de 1 mois.

Comparaison indicative des combustibles-bois : source Valbiom (comprenant documents ADEME 1999, Carré et al. 1991)

	Origine	Automatisation	PCI (moyenne)	Humidité sur masse brute	Masse volumique	Energie volumique
Bûches	Rémanents forestiers (feuillus) et taillis.	Non	2 100 à 3900 kWh/t	20 à 50 %	250 à 600 kg/stère	1 500 à 2 000 kWh/stère
Bûches	Entretien de haies ou de bords de route.	Non	2 100 à 3900 kWh/t	20 à 50 %	250 à 600 kg/stère	1 500 à 2 000 kWh/stère
Plaquettes	Broyage de rémanents lors d’exploitation forestière.	Oui	2 200 à 3 900 kWh/t	20 à 50 %	180 à 400 kg/map³	600 à 1 000 kWh/map
	Broyage lors d’entretien de haies ou de bords de route.
	Broyage de sous-produit de l’industrie de transformation du bois.
	Bois de rebut.		3 300 à 3 900 kWh/t	20 à 30 %	170 à 270 kg/map³	600 à 950 kWh/map
Pellets	Densifié à partir de sciure séchée.	Oui	4 600 kWh/t	8 à 12 %	700 à 750 kg/map³	3 200 à 3 500 kWh/map

Les filières de production du bois densifié

Il existe 7 sites de production de pellets en Wallonie et 12 sur l’entièreté du territoire belge en 2017.

En ce qui concerne la production en granulation, l’augmentation de la capacité de production s’est accélérée, passant à 270.000 t/an en 2007, à 650.000 t/an en 2017, dont 75% concernait uniquement la production effective de pellets.

Quant aux briquettes et bûchettes de bois densifiées, il existe en 2017 5 producteurs en Belgique, dont 3 en Wallonie. La capacité de production est de 15.000 t/an.

Impact environnemental et socio-économique

Impact environnemental

Dans la théorie relative à la combustion du bois-énergie, le bilan neutre de CO₂ émis lors de la combustion du bois est mis en évidence. Les choses sont cependant un peu plus complexes : la réintroduction dans de la matière végétale du carbone dégagé lors de la combustion prend du temps. Or, le changement climatique n’est plus un enjeu lointain, mais une urgence. Il faut donc s’assurer que le cycle du carbone sur lequel on se base est le plus court possible. Il faut également veiller à ne pas réduire le rôle de puits de carbone des forêts, qui sont nécessaires à terme pour contrebalancer les émissions de gaz à effet de serre que nous ne parviendront pas à éviter. Or l’évolution du stockage de carbone en forêt est lente et dépend de nombreux paramètres, en particulier la répartition des classes d’âge, qui est héritée de la gestion passée. Par exemple, certains pays européens ont vu leurs forêts détruites pendant la Seconde Guerre mondiale et replantées dans les années 50. Ces forêts sont actuellement à maturité, ce qui justifie des coupes qui vont entraîner une diminution temporaire du stockage de carbone, mais répondent néanmoins à une gestion durable, visant à maintenir à long terme le stockage de carbone((https://plateforme-wallonne-giec.be/lettre/)).

Force est de constater que, à l’échelle mondiale, l’industrie du bois n’est pas toujours compatible avec les enjeux environnementaux. Notamment, l’appétit des producteurs d’énergie pour les pellets comme remplacement du charbon entraine une explosion de la demande (fois 20 entre 2009 et 2018 selon l’Outlook for Wood Pellets), et induit des pratiques défavorables à la biodiversité et à la régénération des forêts. Cette situation a poussé un grand nombre de scientifiques à signer en février 2021 un appel aux autorités européennes (« Letter Regarding Use of Forests for Bioenergy ») plaidant pour que la combustion de biomasse ne soit plus subsidiée et ne soit plus considérée comme neutre en carbone. Globalement, pour que la production de bois énergie ait une plus-value carbone, il faut que soit l’espace libéré laisse place à une forêt avec des stocks de carbone à l’hectare plus élevés à terme, soit la récolte permet d’anticiper une détérioration de la forêt et par conséquent entretient la pompe à carbone.

En pratique, faut-il donc en finir avec la biomasse ? Non, mais il faut aujourd’hui séparer le bon grain de l’ivraie, et considérer que l’hypothèse d’un bilan neutre ou faible en CO₂ de la combustion de biomasse n’est valide que dans trois situations :

Lorsque le bois est issu d’une forêt exploitée de manière durable, en ce compris d’un point de vue biodiversité. Deux labels garantissent cela : FSC et PEFC. La Wallonie a fait le choix d’encourage la certification PEFC. Selon le rapport sur l’état de l’environnement wallon, fin 2020, les forêts certifiées PEFC couvraient 52,4 % de la superficie forestière wallonne totale : la quasi-totalité des forêts publiques, mais seulement une dizaine de pour cent des surfaces forestières privées, alors qu’elles constituent la moitié de la superficie totale.
Lorsque le bois est en fin de vie utile : un projet pilote de valorisation de bois de déchetterie est en préparation à Mont-Saint-Guibert : InBW fournira le bois de ses recyparcs, pour alimenter une chaufferie connectée au réseau de chaleur de Louvain-la-Neuve, alimentant les bâtiments de l’UCLouvain. Une idée intéressante à reproduire ailleurs : ne bruler le bois qu’à condition qu’il ait déjà été une charpente, un meuble,… et qui ne soit plus réutilisable en tant que tel.
Lorsque la biomasse est de cycle court. On vise là les agrocombustibles. Il s’agit de la biomasse végétale produite en zone agricole (donc non-forestière) et qui est destinée à une valorisation énergétique. Il peut s’agir de bois ayant poussé en zone agricole ou de plantes herbacées, de résidus agricoles ou de cultures dédiées (miscanthus par exemple) (Valbiom, 2018). On peut alors compter sur un cycle annuel du carbone. Les agrocumbustibles sont pour l’instant essentiellement utilisés en autoproduction (l’exploitant valorise lui-même la biomasse), mais la filière commence à se structurer, et une contractualisation avec des agriculteurs pour garantir une fourniture régulière est envisageable. Outre un intérêt climatique, cette piste permet, dans certaines conditions, de consolider le tissu économique agricole, et de redessiner des paysages tout en favorisant la biodiversité (par des haies, taillis, etc.). À l’échelle globale, la question des agrocarburants soulève d’autres enjeux, notamment la concurrence avec la production vivrière. Mais dans le contexte wallon de soutien à une agriculture paysanne, basée sur des pratiques agroécologiques, ce type de production a tout à fait sa place((https://energie.wallonie.be/servlet/Repository/panorama-des-filieres-bois-energie-et-agrocombustibles-en-wallonie.pdf?IDR=49095)).

Dans ces conditions, si le bois-énergie est brûlé dans des chaudières performantes, l’émission de gaz nocifs et de particules fines est contrôlée, si bien qu’on peut alors dire qu’il s’agit d’une énergie propre.

Que faire alors comme gestionnaire de bâtiment ? Idéalement, choisir des fournisseurs dans une logique de circuits courts : des agriculteurs locaux qui pourront diversifier leur production grâce à la fourniture d’agrocarburants. Des coopératives, agissant parfois comme tiers investisseurs, peuvent servir d’intermédiaire pour cela. Si un tel partenariat n’est pas possible, exiger de vos fournisseurs la preuve que leur biomasse est wallonne (dans le cas des agrocombustibles) ou issue d’une forêt labellisée PEFC ou FSC. En dernier recours, exiger que le bois soit d’origine UE. Surtout, il ne faut en aucun cas fermer les yeux sur la provenance de la biomasse que vous brulez !

Impact socio-économique

Plusieurs aspects peuvent être mis en évidence :

Une énergie rentable : Les performances du bois-énergie doivent être évaluées au-delà de considérations purement économiques. En effet, il ne fournit pas simplement de chaleur, il contribue aussi à la réduction des GES. Deux services sont donc rendus. C’est pourquoi, à performances économiques égales, il doit être favorisé par rapport aux énergies fossiles. Néanmoins, on remarque que le bois-énergie peut tout à fait être compétitif au niveau économique. Il suffit de bien étudier ou de faire évaluer son projet. Les installations bois-énergie sont caractérisées par un investissement initial relativement important, mais qui peut être amorti par une économie substantielle au niveau de la facture énergétique. En effet, suivant les sources d’approvisionnement, le coût par kWh du combustible bois-énergie est inférieur aux énergies fossiles. Contrairement à certaines idées reçues, performances économiques et énergies renouvelables peuvent naturellement aller de pair. À titre illustratif, on peut s’en rendre compte au moyen du baromètre des coûts des combustibles pour le secteur domestique réalisé par l’APERe. La figure ci-dessous tirée du mensuel Renouvelle reprend l’évolution du prix de l’énergie par kWh sur une période allant de janvier 2010 à décembre 2020. En ce qui concerne le bois-énergie, les prix ne comprennent pas les frais de transport. Néanmoins, on voit que le bois-énergie reste particulièrement bon marché et donc attractif. En fait, la différence peut être encore plus marquée pour le secteur tertiaire. Cela dépend aussi du contrat avec le fournisseur. Dans le domestiques, les pellets ont actuellement un prix comparable au mazout, mais les bûches et particulièrement les plaquettes sont moins chères que les énergies fossiles. Dans le tertiaire, les pellets peuvent aussi être obtenues à des prix intéressants par rapport au mazout.

Analyse de l’évolution des prix des combustibles pour le secteur domestique réalisée par l’APERe et issue de la revue Renouvelle.

Le graphique ci-dessus montre l’évolution des prix moyens unitaires, à monnaie courante, des différentes vecteurs « bois » achetés par les ménages en Belgique.

Une énergie locale : Si le bois-énergie vient de nos contrées, cela contribue à diminuer la dépendance énergétique de notre pays et de nos régions. En outre, cela permet de valoriser certains sous-produtis de bois et cela crée des emplois locaux, non délocalisables.

Où en est la filière bois-énergie en Wallonie ?

En 2017, les filières de la biomasse solide ne sont pas recensées dans les règles d’art et les chiffres officiels parlant de chauffage au bois dans les entreprises et les collectivités restent très limités. Toutefois, le recensement qu’à établi ValBiom révèle la présence de 149 installations de chauffage au bois dans les entreprises en Wallonie ayant une puissance totale de 397 MW. Parmi ces installations, dix unités sont des installations de cogénération représentant 85 % de la puissance totale recensée.

Quant aux installations fonctionnant aux agrocombustibles en Wallonie, Valbiom a recensé la présence de 18 chaudières à Biomasse agricole. 7 chaudières utilisent du miscanthus, une de l’anas de lin et 10 fonctionnent en un mélange des plusieurs types d’argocombustibles((Panorama des filières bois-énergie et agrocombustibles en Wallonie – Valbiom – 2018)).

Author: Laurent

Généralités

Contexte

Domaine d’application

Exigences : les différentes actions

Avant la réception :

Pendant l’utilisation de l’installation :

Techniciens

Types de techniciens

Exigences pour les gaz de combustion

Que se passe-t-il en cas de non conformité de l’installation ?

Objectif de l’audit de régulation

Description de l’installation

Schéma de principe de l’installation

Photographie des différents éléments

Campagne de mesure

Exemples de mesures

Résultats et amélioration de la régulation

Paramètres de réglage initiaux (comportement avant le 14/12)

Paramètres de réglage adaptés (comportement après le 14/12)

Conclusions

Principe du réseau de chaleur

Le projet de chaufferie centralisée au bois à Libin

Description du réseau de chaleur

La chaufferie

Le silo, l’extraction et le transport des plaquettes

La chaudière à plaquettes

Analyse économique

Performances environnementales

Quelles leçons tirer après 8 ans d’usage ?

Partenaires du projet et contacts

Introduction

Description de l’installation de chauffage au bois

Le silo à plaquettes

La chaudière à plaquettes

L’alimentation de la chaudière

Le cendrier

Analyse économique

Performances environnementales

Partenaires du projet et contacts

Produits de la combustion

Émission de C02 et cycle du carbone

Émission de gaz nocifs et de particules fines

Minéraux et production de cendres

Quantité d’air nécessaire

L’excès d’air

L’air primaire et secondaire

Le pouvoir calorifique du bois

Humidité du bois

Teneur en cendres

Influence sur le PCI par unité de masse

Influence sur le PCI par unité de volume

Masse volumique de différentes essences (source Valbiom)

Influence sur le PCI du volume apparent

La durée d’utilisation des éoliennes

Durée d’utilisation et de vie

Investissement

Investissement par m² de surface balayée ou par kW ?

Ordre de grandeur d’investissements totaux rencontrés

Ordre de grandeur de la répartition des coûts pour un projet éolien de moyenne et grande puissance

La maintenance

Production et rentabilité

Coût du kWh produit

Incitants fiscaux et aide à la production

Avantages des grands projets éoliens par rapport à des petites installations : projets éoliens participatifs

Généralités

Propriété du vent : continuité dans le temps et l’espace

Potentiel du vent : mesure in situ

Potentiel du vent : simulations par logiciel

Les échelles de temps

Les échelles d’espace

Influence du terrain

Distinction entre terrains plat et non plat

Écoulement sur un terrain plat avec des obstacles

Écoulement sur un terrain non plat avec de petites caractéristiques

La vitesse et la hauteur

Terrains plats et homogènes : les lois de puissance

Puissance du vent et hauteur

Obstacle ou rugosité ?

Couche limite et charge sur le rotor

Émission de C0₂ et cycle du carbone