La combustion des granulés de bois et ses émissions

Si le chauffage au bois reste la première source d’énergie renouvelable en France (environ 50% de l’ensemble des énergies renouvelables), la question des émissions polluantes se pose régulièrement. Globalement, les développements réalisés depuis quelques années ont permis de réduire considérablement ces émissions pour tous les appareils. Notons cependant que parmi les différents combustibles bois utilisés comme source d’énergie, les granulés ont des caractéristiques qui permettent le plus souvent d’émettre des quantités très faibles de polluants. Après une courte introduction sur les mécanismes de combustion des solides, la suite de cet article traitera des émissions liées au chauffage au bois et notamment avec les granulés de bois.

Flamme de poêle à granulés - Crédit photo: Xavier COLLIN

La combustion du bois

Comme tous les solides, le bois ne brûle pas directement : il est chauffé et commence à libérer des gaz à partir 250°C ; lorsqu’il atteint une température voisine de 300°C, la nature et la quantité des gaz libérés permettent leur inflammation. Environ 80% de la masse de bois est ainsi brûlée sous forme de gaz : c’est ce qu’on appelle la combustion homogène ou vive. Les 20% restants sont brûlés lentement par attaque de l’oxygène directement vers le charbon résiduel : ces réactions plus lentes sont appelées combustion hétérogène De manière pratique, les réactions de la première phase se font dans la flamme alors que celles de la seconde phase se font dans le lit de braises : ce phénomène est visible avec les braises qui rougissent grâce à l’énergie libérée par les réactions d’oxydation.

Mesure de qualité des fumées - Crédit photo : Yann Rogaume

Ainsi, l’amélioration des performances des appareils doit prendre en compte ce fonctionnement. La règle simple des 4 T résume ces phénomènes :
• Température : il s’agit de maintenir un niveau de température suffisant dans toutes les parties de l’appareil pour éviter la présence de zones froides qui conduisent à la production de polluants de type imbrûlés : CO, COV, particules, … ;
• Teneur en oxygène : il convient d’apporter suffisamment d’oxygène dans les différentes zones de réactions pour que tous les éléments (carbone et hydrogène principalement) puissent être oxydés : sous le combustible, l’oxygène permet d’entretenir la pyrolyse du bois et d’effectuer les réactions d’oxydation du charbon et dans la flamme, l’air secondaire permet d’oxyder l’ensemble des gaz produits par la pyrolyse pour produire le maximum de chaleur ;
• Turbulence : pour oxyder les gaz issus de la dégradation thermique du bois, il est nécessaire qu’ils rencontrent l’oxygène de l’air. Ainsi, plus le mélange entre ces différents produits est important et plus les chances d’oxydation complète sont importantes ;
• Temps de séjour : même si les réactions d’oxydation sont très rapides, il est indispensable que les gaz restent entre 1 et 2 secondes minimum au sein de la chambre de combustion pour accroître les possibilités de rencontre entre les différents gaz, dont l’oxygène.

Les émissions du chauffage au  bois

Les bilans annuels réalisés par le CITEPA sur la qualité de l’air et la provenance des émissions montrent un impact du chauffage au bois pour 3 polluants principaux : les particules (surtout les particules fines), les HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques) et le CO. Ces émissions sont des imbrûlés dont les quantités émises sont liées directement à la qualité de la combustion. C’est pourquoi une mauvaise combustion du bois sera émettrice de ce types de polluants, on parle alors de combustion incomplète.

En revanche, le bois ne contient pas de chlore, ni de soufre, ce qui signifie qu’il n’émet pas de HCl, ni de dioxines et furannes, ni de SOx. Il contient très peu d’azote, ce qui limite aussi très fortement ses émissions de NOx. Globalement, ce combustible est donc très propre et les émissions liées peuvent être réduites en améliorant la qualité de combustion. Ainsi plus un appareil répond à la règle des 4 T plus il permet d’avoir une combustion complète du bois et plus il réduit les émissions liées à celle-ci.

Laboratoire - Crédit photo : Yann Rogaume

Les granulés de bois

Pour obtenir une combustion complète il faut un couple combustible et appareil de combustion de qualité.  Les granulés sont alors très intéressants car leurs caractéristiques en fond d’une part un très bon combustible et d’autre part elles permettent de développer des appareils avec des technologies performantes (répondant à la règle des 4T)  qui conduisent à des niveaux d’émissions très bas.

Test chaudière - Crédit photo : Yann Rogaume

Les granulés ont de nombreux avantages qui en font un combustible intéressant : ils sont secs (humidité stable comprise entre 8 et 10%), de petites tailles et avec une granulométrie homogène. La taille faible et homogène des granulés facilite la régulation de leur combustion en permettant un apport de combustible très régulier et adapté aux besoins. Il est ensuite beaucoup plus simple d’apporter la quantité d’air appropriée à chaque endroit du foyer : sur les appareils à granulés, cet air est injecté via des ventilateurs qui sont eux-mêmes régulés en fonction des besoins. Ce contrôle optimisé de la combustion limite les émissions d’imbrûlés gazeux. De plus, la masse volumique importante de ce combustible lui permet de limiter les besoins de stockage.

Les principaux défauts des granulés sont le coût légèrement plus important que celui des autres combustibles bois (mais inférieur à celui des énergies fossiles) et l’impact environnemental de la fabrication qui est un peu plus fort que pour les autres combustibles bois, mais très inférieur à celui des combustibles fossiles.

Les figures 1, 2 et 3 montrent les émissions de CO au cours du temps pour trois appareils différents : la figure 1 présente les émissions pour un poêle à bûches ancien, la figure 2 pour un poêle à bûche moderne et la figure 3 pour un poêle à granulés. Notons que des courbes semblables peuvent être tracées pour des chaudières à bûches ou à granulés, avec des différences assez faibles par rapport à celles-ci.

Ces courbes montrent deux éléments importants :
• les appareils à bûches peuvent être performants lorsque la technologie est moderne et adaptée : alors que l’appareil ancien émet environ 1,1% de CO (à 13% d’O2) lors d’un  cycle de chauffe, l’appareil moderne et performant n’en émet que 0,09% ;
• l’appareil à granulés est encore légèrement plus performant avec des émissions de 0,03% en moyenne sur un essai.

Ces résultats s’expliquent aussi par la régularité de fonctionnement des appareils à granulés : par exemple, alors que l’on charge un appareil à bûches avec une bûche de 2 kg pour une heure de fonctionnement, l’appareil à granulés est alimenté régulièrement avec quelques granulés par minute. Le contrôle de la combustion est alors beaucoup plus simple à réaliser et permet d’obtenir des niveaux d’émissions très bas. Le tableau 1 présente les facteurs d’émissions pour différents types d’appareils : les données prises en compte proviennent des essais réalisés dans le cadre de la charte « Flamme verte » et disponibles sur le site internet.

Ces données montrent que les appareils à granulés sont le plus souvent les plus performants, avec des niveaux d’émissions très bas, même si certains appareils à bûches permettent aussi d’obtenir des facteurs d’émissions très faibles. Pour les particules, les appareils de chauffage aux granulés émettent aussi des quantités plus faibles que les systèmes à bûches : en moyenne, les émissions sont environ 2 fois moins importantes

En ce qui concerne le niveau de particules émis par les appareils de chauffage au bois, de nombreux efforts ont été réalisés par les fabricants, permettant de réduire considérablement les émissions. Ainsi, les émissions de particules pour les appareils à bûches sont compris aujourd’hui entre 2 et 50 mg.Nm-3 à 10% d’O2. Pour les appareils à granulés, les valeurs sont le plus souvent comprises entre 1 et 40 mg.Nm-3 à 10% d’O2. Rappelons que pour les appareils plus anciens, les émissions atteignent des valeurs comprises entre 100 et 300 mg.Nm-3 à 10% d’O2. Si les valeurs obtenues pour les différents appareils sont dans une gamme très semblable, la moyenne pour les appareils à granulés est légèrement inférieure à celle obtenue pour les appareils à bûches : entre 15 et 20 mg.Nm-3 à 10% d’O2 pour les granulés et entre 25 et 30 mg.Nm-3 à 10% d’O2 pour les bûches (ces données proviennent du site de la charte « flamme verte »). Le meilleur contrôle de la combustion permet ainsi de limiter ces émissions.

Globalement, les émissions polluantes sont suivies pour tous les types d’appareils et des normes permettent de contrôler les appareils avant leur mise sur le marché. Ces normes sont européennes et peuvent être différenciées selon le type d’appareils. A l’heure actuelle, les normes existantes pour les appareils domestiques ainsi que leurs principales limitations sont répertoriées dans le tableau ci-dessous :

Nota : Les valeurs données dans ce tableau proviennent de calculs réalisés à partir des normes pour les appareils de meilleures classes et pour une puissance moyenne.

Notons que pour les limitations en émissions de particules, des limites sont en cours de discussions pour les différents appareils et les normes devraient prendre en compte ce polluant dans les prochaines années. De même, les chaudières sont le plus souvent beaucoup plus performantes que les limites imposées par la norme NF EN 303-5. Celle-ci est actuellement en cours de modifications et apportera de nouvelles classes de fonctionnement qui permettront de mieux distinguer les performances des différents appareils.

Conclusion

Les caractéristiques des granulés de bois et de leurs appareils de combustion en fond des systèmes de chauffage bien adaptés aux petites chaufferies (homogène, stable, simple et automatique) mais aussi pour des procédés spéciaux demandant des pics de fonctionnement (exemple de fromageries). Ils sont aussi intéressants pour substituer du charbon ou d’autres combustibles dans des centrales existantes.

Les granulés de bois sont un combustible de grande qualité qui est à la fois simple d’utilisation et émet très peu de polluants.  
Leur procédé de fabrication induit cependant un coût à la fois économique et environnemental plus élevé que les autres combustibles bois. Ainsi, si l’on prend l’ensemble de la chaîne depuis la production de combustible jusqu’à l’utilisation dans les appareils de chauffage, le bilan sur l’effet de serre en équivalent CO2 est le même pour un poêle à bûches que pour un poêle à granulés. Le bilan économique sera plus intéressant avec le poêle à bûches, mais le poêle à granulés autorise un confort et une facilité d’utilisation bien plus importante, notamment dans les milieux urbains.

Le développement de ce mode de chauffage en milieu urbain est une alternative pertinente permettant de développer une énergie renouvelable et de limier l’impact environnemental.

Références bibliographiques :
• CITEPA, « Inventaire des émissions de polluants atmosphériques en France », juin 2009.
  Etude ADEME / Bio Intelligence Service « bilan environnemental du chauffage domestique au bois », 2005 ;
• Y. ROGAUME « Combustion des granulés de bois », colloque SNPGB, Paris, 2009 ;
  Etude ADEME / LERMAB « Mise en œuvre d’un indice de performance global des appareils de chauffage au bois », 2008 ;
• Y. ROGAUME, « La combustion du bois », Pollution atmosphérique, numéro spécial bois, 2009 ;
• Encart sur CITEPA : le Centre Interprofessionnel Technique d’Etude sur la Pollution Atmosphérique a pour but de suivre l’évolution de la qualité de l’air, d’identifier les émissions polluantes des secteurs d’activité au travers notamment d’inventaires d’émissions polluantes.

Essai sur poêle à bûches pour mesures des particules
Chaudière pilote 200 kW
Essai sur un poêle à bûches
Suivi de la qualité de combustion lors d’un essai
Combustion dans four à plaquettes de 12 MW

Yann ROGAUME
Professeur
Université de Nancy
LERMAB – ENSTIB
27, rue du merle blanc
BP 1041
88051 EPINAL cedex