Bois énergie - Définition

Applications

• Le chauffage au bois sous forme de bûches connaît toujours un certain succès, notamment en habitat individuel malgré ses contraintes pratiques et la mauvaise maîtrise de sa pollution.
• Les chaufferies collectives au bois utilisant des déchets de scierie (sciure, chutes de bois) ou des plaquettes de bois issues de l'exploitation forestière se développent fortement. Les chaufferies collectives modernes (équipées de systèmes de dépollution performants), avec ou sans réseau de chaleur, sont à privilégier dans l'avenir, car elles offrent de nombreux avantages écologiques et économiques par rapport au chauffage individuel.
• En chaudière individuelle, du fait des difficultés d'approvisionnement et de stockage, le développement est plus lent mais la filière commence à se structurer. L'utilisation de plaquettes forestières ou de granulés de bois (aussi nommés pellets) dans des chaudières automatisées en remplacement du fioul apparaît prometteur, et est courant en Suède et en Autriche.
• Une innovation prometteuse consiste en la production à partir du bois d'un gaz de synthèse substituable et mélangeable avec le gaz naturel.
• L'industrie papetière utilise les liqueurs noires (sous produit de la fabrication de la pâte à papier) qui ont un contenu énergétique comparable au bois pour produire de la vapeur et de l'électricité en cogénération.

Combustion du bois

Combustion primaire

Porté à haute température le bois brûle en produisant des fumées composées d'eau, de gaz carbonique, de composés organiques volatils (en majorité du méthane), et de nombreux autres composants en quantité plus faible. Plus la teneur en eau du bois est élevée, plus la quantité de fumées par unité d'énergie produite est élevée, et plus les composés organiques produits sont lourds. En l'absence de combustion secondaire les fumées se condensent dans la cheminée provoquant des dépots de suie et de créosote qui peuvent l'obstruer et/ou provoquer des feux de cheminée. La fraction des fumées qui ne condense pas est rejetée dans l'atmosphère pouvant conduire à une pollution importante avec des conséquences sanitaires.

La combustion primaire est observée dans les cheminées ouvertes, les foyers fermés (poêles, cuisinières, chaudières, ...) anciens, le foyer des gazogènes, la phase d'allumage des foyers fermés à combustion secondaire. Son rendement est toujours faible (inférieur, voire très inférieur, à 50%).

Combustion secondaire

Les gaz émis par le bois chauffé brûlent à très haute température avec un rendement qui est potentiellement très proche de 100%. Dans les poêles modernes, une fois passée la phase d'allumage, l'arrivée d'air primaire est coupée, et le chauffage du bois n'est produit que par la combustion secondaire. Dans les poêles à pellets il n'y a pas de combustion primaire, le chauffage initial du bois est obtenu par une résistance électrique. Dans les équipements les plus performants la combustion secondaire est effectuée dans un compartiment séparé.

Teneur en eau

Pour brûler correctement le bois doit être sec. Pendant la combustion du bois une grande partie de l'énergie produite est consacrée à chauffer et vaporiser l'eau (contenue dans le bois) dont la capacité thermique et la chaleur latente sont particulièrement élevées. Le bois vert contient plus de la moitié de son poids en eau. Un bois en équilibre avec l'air ambiant (équilibre obtenu au bout de plus de deux ans pour des bûches non fendues) a un taux d'humidité de l'ordre de 20%. Les pellets et briques de bois compressé sont vendus à un taux d'humidité inférieur à 10%, qui, malgré une énergie grise nettement supérieure, leur donne un bilan écologique plus favorable, à condition d'être stockés dans un local particulièrement sec pour éviter toute reprise d'humidité.

Pouvoir calorifique inférieur (PCI) du bois:

• 1,7 kWh/kg à 60% d'humidité ;
• 4,0 kWh/kg à 20% d'humidité ;
• 4,4 kWh/kg à 11% d'humidité.

Ce pouvoir calorifique est indépendant de l'essence et même de la partie de la plante considérée (écorce comprise). Toutefois la densité du bois étant très variable, le pouvoir calorifique par unité de volume varie fortement, considération importante compte tenu du fait que le bois est en général vendu au volume.

Rendements

On peut comparer les différents rendements de types de chauffage au bois (par moderne on entend un appareil à combustion secondaire) :

• Cheminée ouverte : inférieur à 10 % (rendement lors de la combustion. Sur une année, le rendement peut être négatif, du fait des pertes thermiques importantes lorsque la cheminée n'est pas utilisée)
• Insert ancien fermé par une vitre : 30 à 50 %
• Insert moderne fermé par une vitre : 70 à 85 %
• Poêle à bûches ancien : 40 à 50 %
• Poêle à bûches moderne : 70 à 85 %
• Chaudière de cheminée : 70 à 80 %
• Chaudières à bois : 60 à 80 %
• Chaudières à gazéification de bois : 75 à 95 %
• Chaudière et poêles à granulés de bois (Pellet): 85 à 95 %
• Chaudière à plaquettes forestières : 75 à 90 %
• Réseaux de chaleur : fonction de la chaudière utilisée et de la distance

D'une façon générale les chaudières ont un rendement sensiblement inférieur aux poêles de même technologie en raison de la présence dans le foyer, ou à proximité immédiate du foyer, d'un bouilleur dont la température est pour des raisons de sécurité comprise entre 50° et 80° en fonctionnement normal. La température du foyer lui même est abaissée par cette source froide, ce qui diminue l'efficacité de la combustion secondaire.

Les formes d'utilisation pour la combustion

Les essences de bois de chauffage

Les essences de bois sont classées en deux grandes familles selon leur densité :

• les feuillus durs (chêne, hêtre, frêne, châtaignier, charme, noyer, robinier faux-acacia, arbres fruitiers etc.) ;
• les résineux (épicéa, sapin, pin, mélèze, douglas) et feuillus tendres, (peuplier, saule, aulne, bouleau, etc.).

Le chauffage domestique ayant souvent un aspect important de spectacle des flammes et la plupart des installations étant encore dépourvues de système de stockage de chaleur (hydroaccumulation, poêles de masse), les feuillus durs sont traditionnellement les plus appréciés pour cette utilisation, à l’exception du châtaignier qui nécessite l'utilisation d'un pare-feu car il éclate et produit des étincelles lorsqu'il brûle.

Les feuillus tendres et les résineux brûlent plus vite. S’ils sont mal stockés, ils se dégradent rapidement. Ils sont néanmoins appréciés pour leur température de combustion élevée qui améliore le rendement des appareils et permet une montée rapide en température.

• Le sapin et l'épicéa ont le même pouvoir calorifique mais le sapin produisant moins de résine, il génère moins d'étincelles.
• Le pin et le mélèze sont de bien meilleure qualité, mais sont moins répandus.
• Le bouleau est souvent utilisé pour les cheminées, car il donne une belle flamme (claire, légèrement bleutée) et un bon arôme. Il brûle relativement rapidement.
• Le hêtre est considéré comme le bois de chauffage idéal car il donne une belle flamme et de bonnes braises presque sans étincelles et possède, en outre, un très haut pouvoir calorifique. L'apport énergétique / calorifique du bois de hêtre est souvent cité comme une référence par rapport à d'autres bois. Son odeur est généralement très appréciée, c'est la raison pour laquelle le fumage des denrées alimentaires est fait principalement sur bois de hêtre.
• Le chêne a de multiples usages. Il donne de bonnes braises mais une flamme moins belle. Le pouvoir calorifique est encore un peu plus élevé que celui du hêtre, et la combustion est la meilleure. Le chêne contient beaucoup de tanins nécessitant une bonne aération. Il est donc bien adapté pour les fours, mais pas pour les cheminées ouvertes.
• Le charme commun, de même que le chêne, a un très haut pouvoir calorifique. Il donne une belle flamme et brûle longtemps. Comme le frêne et le robinier faux-acacia, il est particulièrement difficile à couper et émousse donc vite les chaines des tronçonneuses. Le frêne donne la plus belle flamme. Il est idéal pour les cheminées, car il produit peu d'étincelles.

Les bûches

C'est l'utilisation historique depuis la nuit des temps, utilisée dans presque tous les appareils de chauffage domestiques anciens. Pour les appareils modernes, l'utilisation du bois bûche présente souvent des performances inférieures aux appareils à plaquettes ou à granulés. De plus, il est possible d'utiliser du combustible insuffisamment sec, ou de dérégler manuellement les arrivées d'air, ce qui a pour conséquence de provoquer des pollutions atmosphériques (poussières, HAP,etc...). Par contre, c'est la forme qui demande le moins de transformation.

Les plaquettes, forestières ou industrielles

Il s'agit ici de bois déchiqueté en plaquettes d'environ 3x2x1 cm. Ceci présente l'avantage d'être utilisé dans des chaudières automatiques, et supprime donc la contrainte du chargement manuel à chaque flambée. En outre, les exigences sur ces plaquettes font que le bois doit être sec (humidité <20%), ce qui améliore le rendement de combustion. On distingue :

• les plaquettes forestières issues de la sylviculture : le bois est généralement broyé encore humide, puis les plaquettes sont séchées en tas afin d'utiliser le phénomène de fermentation (quelques mois).
• les plaquettes industrielles issues de l'industrie du bois : le bois est généralement sec et les plaquettes peuvent être utilisées aussitôt après broyage.

Les granulés ou pellets

Les pellets sont de petits cylindres de quelques mm obtenus par compression de la sciure de bois, après l'avoir réduite à l'état de poudre. Ce procédé nécessite une installation de type industriel, mais procure un combustible très sec (humidité de l'ordre de 5%) ayant donc un pouvoir calorifique élevé (PCI de 4,5 kWh/kg). Ses performances en font un combustible mieux adapté aux petites installations domestique à cause d'un volume de stockage réduit par rapport aux plaquettes. De plus, l'alimentation des chaudières automatiques à granulés est plus souple que celles à plaquettes (aspiration des granulés). Ces granulés peuvent également être utilisés dans des poêles spécifiques avec d'excellentes performances.

On peut noter qu'il existe des briquettes fabriquées avec un procédé similaire, lesquelles sont utilisables dans les poêles conventionnels.

Autres formes

On peut parler ici de tous les rebuts : écorces, vieilles palettes, etc... à condition que le bois soit sain. Ceci concerne généralement les chaufferies de plus grande taille.

Raffinage du bois

Par distillation sèche de bois on obtient du méthanol. Il existe plusieurs procédés de production de bioéthanol à partir de la cellulose du bois, l'un d'eux passe par l'intermédiaire du gaz de synthèse (mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone obtenu par craquage de molécules organiques).

Un gaz naturel de synthèse (GNS) issu du bois

Combiner les avantages du bois-énergie et ceux du gaz naturel, sans leurs inconvénients

En vue d'optimiser l'utilisation du bois énergie et son impact sur l'environnement, le principe ancien des gazogènes (conversion du bois en un gaz de synthèse) fait l'objet de travaux d'amélioration.

« Actuellement, le chauffage au bois représente - et de loin - la technologie la plus importante quant à l’utilisation du bois. Cependant, sa contribution à la pollution s’avère très élevée, comparée aux autres carburants (notamment en ce qui concerne les particules fines). Au vu de ce constat, se pose la question du développement de nouvelles technologies pouvant utiliser de façon optimale la ressource que représente le bois. Par « optimal », on entend que le bois doit présenter le plus haut rendement possible tout en affichant de faibles émissions polluantes, lors de son utilisation en tant qu'énergie primaire pour les formes d’énergie finales nécessitées à l'avenir. La gazéification du bois et la préparation du gaz en résultant - de qualité similaire à celle du gaz naturel - permettent de remplir les critères cités précédemment : en effet, la conversion permet d’obtenir un rendement élevé, tandis que l’utilisation du gaz peut être effectuée de façon décentralisée, tout en rejetant peu d'émissions polluantes (par ex., si l’on considère l’intégralité de la chaîne des opérations, l’émission de particules fines est réduite d’un facteur de 50 à 100). De plus, cette technologie permet également une utilisation finale dans les domaines du transport (véhicules au gaz naturel) et de la production d'électricité.» [GNS à partir du bois - Institut Paul Scherrer - Texte d'information pour les médias, p. 1].

Principes de la conversion

1. Matières utilisables
Sont principalement concernés les bois forestiers bon marché et de qualité inférieure, les déchets ligneux de l'industrie de transformation du bois, les déchets de bois urbains non traités disponibles dans les déchèteries, les déchets de bois ménagers ou municipaux (élagages....), etc.
2. Préparation de la matière première
Il faut, le cas échéant, éliminer les substances étrangères (métaux, cailloux...).
La matière première subit ainsi différents traitements préliminaires : tri, broyage, séparation magnétique... puis séchage avant stockage.
3. Gazéification
Le bois est gazéifié à haute température (800 - 900°C) par de la vapeur d'eau.
Il en résulte un mélange (gaz de bois) contenant principalement du dihydrogène (H₂), du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO₂) et du méthane (CH₄).
4. Purification du gaz
Le gaz obtenu contient des impuretés qu'il faut éliminer.
5. Méthanation
Elle consiste en la conversion catalytique du dihydrogène (H₂) et du monoxyde de carbone (CO) en méthane (CH₄).
Le procédé se base sur la réaction d'équation-bilan : CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O (en présence d'un catalyseur nickel).
6. Nettoyage du mélange gazeux
Il faut éliminer le CO et le H₂ résiduels, et séparer la plus grande partie du CO₂ présent dans le mélange.
Le résultat est un gaz naturel de synthèse (GNS) qui répond aux normes nécessaires à son injection dans le réseau de gaz naturel.

Atouts énergétiques et environnementaux

- Ce GNS bio peut se substituer ou se mélanger au gaz naturel fossile. Il peut être utilisé aussi bien pour le chauffage que comme carburant ou comme source d'électricité.
- Comme le bois, il est une énergie locale, renouvelable, au bilan neutre pour les émissions de CO₂ et il contribue à l'indépendance énergétique.
- Comme le gaz naturel, la combustion de ce GNS est peu polluante. On résout ainsi d'une manière optimale le problème des émissions polluantes du combustible bois, sans filtres coûteux.

Une production rentable de ce GNS nécessite de grandes quantités de bois bon marché. L'Europe de l'Est possède en la matière un potentiel très intéressant.

Les principaux protagonistes

- en Suisse : l'Institut Paul Scherrer (PSI), qui a élaboré le principe de cette production.
- en Autriche : l'Université technique de Vienne.
- dans le district autrichien de Güssing, un consortium helvético-autrichien teste une installation de démonstration pour la production de ce GNS. Le gaz obtenu est constitué à 98% de méthane.

Un modèle qui fait des émules

Fin juin 2009, la commune de Güssing a inauguré la première centrale de production de gaz naturel de synthèse à partir du bois. Cette solution innovante suscite l'intérêt des géants européens de l'énergie (une centrale de puissance 20 à 25 fois supérieure à celle de Güssing est en projet en Suède). L'événement a été relaté dans les médias.