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Chaudières à biomasses : fonctionnements et avantages

Comment générer de la chaleur avec les chaudières à biomasses (granulés, plaquettes, bois). Types, critères de conception et dimensionnement, avantages fiscaux

Les chaudières à biomasses sont des générateurs de chaleur qui exploite l’énergie produite par la combustion de biomasses au lieu de celle produite par le gaz, le fioul ou le GPL.

Actuellement, en raison de leurs caractéristiques, les chaudières à biomasse représentent une alternative durable valable aux pompes à chaleur.

Les conditions essentielles requises pour l’installation d’une chaudière à biomasse sont : 

  • un espace approprié à affecter à une salle technique ;
  • la possibilité d’installer un conduit de fumée ;
  • la disponibilité d’espace pour le stockage du combustible.

Pour effectuer le calcul énergétique d’un bâtiment desservi par une chaudière à biomasse de manière efficace et conforme à la réglementation, vous pouvez utiliser un logiciel d’analyse et de simulation d’énergie dynamique qui permet de définir les données climatiques et les ponts thermiques, puis d’intégrer l’installation de biomasse la plus adaptée à vos besoins ; le logiciel effectuera automatiquement toutes les analyses nécessaires.

Analysons en détail le fonctionnement d’une chaudière à biomasse, ses avantages et les avantages fiscaux prévus.

Qu’est-ce qu’une chaudière à biomasse ?

Une chaudière à biomasse est un générateur de chaleur qui exploite l’énergie des biomasses, c’est-à-dire des matériaux organiques d’origine végétale, pour produire de la chaleur par combustion. Chauffer avec des biomasses permet de valoriser une source renouvelable par excellence, en protégeant le cycle naturel du dioxyde de carbone, en économisant sur les matériaux de combustion et en préservant l’environnement.

Chaudières à biomasses : comment ça fonctionne

Le principe de fonctionnement des chaudières à biomasses sont pratiquement identique à celle des chaudières à gaz classique. Ce qui change, en effet, est la typologie de combustible utilisé pour la production de l’énergie thermique utilisée pour chauffer l’eau circulant à l’intérieur du système. Le fonctionnement est donc basé sur la combustion de la biomasse à l’intérieur d’une chambre de combustion spécifique.

La biomasse est alimentée par un système automatique qui la brûle, produisant de la chaleur qui est ensuite transférée à un circuit de chauffage. Ce circuit distribue ensuite la chaleur dans tout le bâtiment. Dans certains contextes, l’énergie produite par la chaudière peut également être utilisée pour générer de l’électricité à l’aide d’une turbine.

Chaudières à biomasses : types

Les biomasses se distinguent en : 

  • liquides : dérivent de l’expression et du raffinage de graines oléagineuses ou d’autres parties de plantes particulières ;
  • gazéifiées : (biogaz, gaz de synthèse) sont obtenues à partir de biomasses solides selon des processus spécifiques. En ce qui concerne le biogaz, par exemple, il est obtenu par un processus biologique à basse température par lequel, en l’absence d’oxygène, la substance organique est transformée en un mélange gazeux de méthane et de dioxyde de carbone ;
  • solides : sont généralement utilisées comme combustible dans les installations thermiques.

Parmi toutes les biomasses solides, les biomasses ligneuses jouent un rôle significatif, grâce à leur disponibilité étendue et à leur facilité de stockage et de combustion.

Les biomasses ligneuses comprennent des matériaux provenant du secteur agroforestier et des industries du bois tels que : 

  • granulés : déchets de transformation du bois comprimés en cylindres. Ce matériau est utilisé dans les poêles pour chauffer directement les pièces ou dans les chaudières pour chauffer l’eau des radiateurs et/ou des planchers chauffants ;
  • plaquettes : bois naturel issu de la taille des arbres broyé avec ou sans écorce ;
  • sciures : issue de déchets industriels ;
  • bûches de bois : constituées de résidus de bois pressés ;
  • bois de chauffage en morceaux (bûches) : portions de tronc provenant de forêts.

Une chaudière à biomasse se distingue par la possibilité d’être alimentée à la fois par l’un des types de combustibles mentionnés précédemment et par une combinaison de ceux-ci. Dans ce dernier cas, cela augmente sa polyvalence et son utilité pour les utilisateurs finaux.

La forme la plus courante est celle des chaudières à flamme inversée ou renversée dans lesquelles la flamme ne se développe pas vers le haut, mais vers le bas. De cette manière, avec la charge de combustible présente dans la partie supérieure de la chaudière, il est possible de charger le foyer au maximum sans que le bois ne brûle tout d’un coup.

Lors du choix de la chaudière, le premier aspect à prendre en compte concerne le type de combustible que l’on souhaite utiliser. Voyons quelques exemples.

Chaudière à granulés

Le granulé est un combustible à base de biomasse fabriqué à partir de résidus de bois non traité, de forme cylindrique et de longueur généralement inférieure à 3 cm. Ces déchets sont réduits en sciure, séchés pour réduire l’humidité et soumis à un processus de pressage ultérieur, dans lequel la pression et la chaleur permettent de créer les formes caractéristiques en cylindre.

Chaudière à plaquettes

Les plaquettes de bois constituent une biomasse à coût très bas, facile à obtenir et simple à produire. Il est obtenu par la trituration du bois, un processus pour lequel une machine appelée déchiqueteuse est utilisée pour réduire en copeaux les déchets de coupe, d’élagage et de traitement du bois à d’autres fins.

Ces copeaux, de quelques centimètres maximum de longueur, sont laissés à reposer pendant plusieurs années pour perdre l’humidité absorbée, sécher et être prêts pour la combustion. Comme pour les granulés et le bois en général, en effet, plus le niveau de séchage des plaquettes est élevé, plus leur pouvoir calorifique est élevé.

Chaudière à bois

La chaudière alimentée au bois représente certainement la solution la plus efficace. Cependant, il est essentiel de s’assurer que le bois est adéquatement séché et stocké pour réduire au maximum la teneur en humidité, puis coupé en morceaux utilisables.

Le choix du biocombustible

Le choix approprié du biocombustible dépend de plusieurs facteurs, notamment : 

  • énergie spécifique ;
  • teneur en humidité ;
  • taille des particules ;
  • quantité de cendres.

Il est essentiel de considérer que le biocombustible doit répondre aux exigences à la fois technologiques et environnementales du générateur de chaleur et que le choix optimal du combustible peut varier d’une situation à l’autre, car il n’existe pas de solution universelle.

En général, les biocombustibles de basse qualité présentent une humidité élevée, une granulométrie variable et un faible point de fusion des cendres. Ils sont généralement utilisés dans de grandes installations capables de compenser les coûts élevés associés à la gestion du combustible et au nettoyage des gaz d’échappement.

En revanche, les biocombustibles de haute qualité, plus gérables, sont souvent préférés pour les petites installations.

La densité énergétique est un facteur critique à considérer, car elle influence la quantité d’espace nécessaire pour stocker et gérer le biocombustible. Les granulés, par exemple, ont une densité énergétique d’environ 3100 kWh/m3, tandis que les plaquettes peuvent varier considérablement en fonction de la qualité et de l’humidité, avec des valeurs comprises entre 630 et 860 kWh/m3.

Les biocombustibles à haute densité énergétique, comme les granulés, sont plus adaptés au stockage dans des espaces restreints ou à des livraisons moins fréquentes, tandis que les plaquettes sont préférables lorsque de grands espaces de stockage sont disponibles et que des charges thermiques élevées sont nécessaires.

Cependant, les spécifications du combustible à utiliser seront fournies par le fournisseur de la technologie de combustion, et il est toujours conseillé de se référer aux normes techniques européennes ou nationales pour garantir le respect des exigences minimales des biocombustibles, tant pour les paramètres physiques (dimensions, humidité, densité) que pour les paramètres chimiques (pouvoir calorifique, densité énergétique, teneur en cendres ou autres éléments chimiques).

Conception des systèmes de chauffage à biomasse

Nous pouvons schématiser les activités requises pour la conception d’une installation de chauffage à biomasse en suivant les phases suivantes : 

  • conception ;
  • définition ;
  • réalisation ;
  • livraison ;
  • gestion.

Phase de conception

Dans le processus de conception d’un système à biomasse, la phase initiale comprend une évaluation préliminaire de la durabilité du projet pour un site donné. Une erreur courante à ce stade, en particulier lorsque l’expérience des parties impliquées est limitée, est de baser les décisions sur des solutions qui ont fonctionné ailleurs. Cependant, cette approche n’est pas toujours recommandée car chaque projet est unique et nécessite une approche personnalisée.

Chaque projet a ses propres particularités, il est donc essentiel de concevoir et d’adapter chaque élément aux besoins spécifiques de l’utilisateur.

Pour éviter des coûts excessifs dans la phase initiale du processus, il est possible de procéder par étapes : une phase de préfaisabilité, au cours de laquelle tous les sites inappropriés doivent être filtrés et exclus du projet, puis une étude de faisabilité plus détaillée visant à quantifier certaines des variables clés permettant une meilleure évaluation de la pertinence de la proposition.

Phase de définition

Pendant la phase de définition du projet, il est nécessaire d’approfondir davantage les détails techniques et financiers.

À cette étape, des décisions sont prises concernant la taille du générateur et le type de combustible utilisé. Ces facteurs, qui influencent tous les autres aspects du système, doivent être identifiés sur la base d’une compréhension claire des besoins de chaleur et des exigences spécifiques des utilisateurs du site.

Identifier à l’avance les problèmes potentiels qui pourraient compromettre la réalisation ou le fonctionnement du projet peut faire gagner du temps et de l’argent dans les phases ultérieures.

Il est courant de rencontrer des problèmes tels que des difficultés de livraison de combustible à certaines périodes de l’année ou la présence de communautés sensibles au bruit ou à la circulation, qui pourraient influencer les décisions de conception.

Consulter les parties prenantes lors de cette phase peut être extrêmement utile pour recueillir des informations précieuses et aborder les éventuels obstacles prévisibles. Les parties prenantes peuvent inclure les gestionnaires du site, le personnel de maintenance ou de réalisation de l’installation, les fournisseurs de biocombustibles et les utilisateurs finaux. Même les résidents locaux peuvent être considérés comme des parties prenantes s’ils sont affectés par les activités de l’installation.

Phase de réalisation

Pendant la phase de réalisation du projet, des rôles sont assignés aux différents acteurs et diverses activités sont menées, avec la participation du client.

Il est important de maintenir une bonne communication entre tous les participants à cette phase de développement du projet. L’interconnexion entre les différents éléments du projet implique que toute modification par rapport aux spécifications établies dans la phase initiale pourrait influencer d’autres composants du système.

Des réunions régulières avec les parties prenantes sont essentielles pour prendre en compte adéquatement toutes les éventuelles modifications apportées au projet sans compromettre le fonctionnement futur de l’installation et sans créer de problèmes pour les parties impliquées. Cette phase se termine par la mise en service de la chaudière.

Phase de livraison

Une fois le système réalisé, l’installation est remise à l’opérateur qui la gère ou directement au propriétaire.
Les installations modernes à biomasse sont généralement efficaces, mais leurs performances peuvent diminuer sensiblement si les exploitants ne possèdent pas les compétences appropriées ou ne sont pas correctement formés.

Les principaux aspects sur lesquels former le personnel sont la gestion correcte, la maintenance courante, le nettoyage des cendres, les pannes éventuelles qui peuvent se produire pendant le fonctionnement normal. La phase de livraison comprend bien sûr les tests nécessaires pour vérifier que les performances sont conformes à ce qui a été défini lors de la phase de conception.

Phase de gestion

Après la livraison de l’installation, il y a une période de familiarisation avec les équipements et leur utilisation, en tenant compte en particulier des variations de charge thermique et de la qualité du combustible.

Le suivi des performances de l’installation est également un outil précieux pour détecter précocement d’éventuels problèmes à l’intérieur du système.

Dimensionnement des chaudières à biomasses

Concevoir correctement la chaudière est essentiel pour garantir un fonctionnement optimal du système. Alors que les chaudières à combustibles fossiles, telles que celles au gaz, peuvent s’adapter dynamiquement à la demande de chaleur, les chaudières à biomasse sont moins réactives et nécessitent un dimensionnement précis pour éviter les inefficacités et les problèmes de fonctionnement.

Généralement, ces chaudières sont surdimensionnées pour réduire le risque de ne pas satisfaire pleinement les besoins des utilisateurs.

Les chaudières à biomasses étant moins réactives et, si elles sont surdimensionnées, peuvent générer des cycles continus d’allumage et d’extinction, avec des conséquences négatives telles qu’une mauvaise qualité de combustible, une faible efficacité, une augmentation des émissions, une usure excessive des composants et une probabilité accrue de dysfonctionnements.

Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de faire une distinction entre la charge thermique moyenne et la charge de pointe déjà lors de la phase de conception du système.

Selon cette approche, les chaudières sont dimensionnées pour ne satisfaire qu’une partie de la charge de pointe, avec des performances variables en fonction du modèle et de la technologie. Par exemple, une chaudière à plaquettes devrait fonctionner, en régime, à au moins 30 % de sa puissance thermique utile, tandis qu’une chaudière à granulés peut baisser jusqu’à 25 %.

Une optimisation du système, même d’un point de vue économique, peut impliquer l’utilisation d’une chaudière de taille réduite capable de satisfaire 50 à 60 % de la charge de pointe. De plus, pour gérer la charge thermique supplémentaire, d’autres chaudières plus petites peuvent être intégrées, alimentées par des combustibles fossiles ou de la biomasse et équipées d’un stockage thermique. Ce dernier est fortement recommandé car il permet d’augmenter l’efficacité du système ; une chaudière dimensionnée pour 50 % de la charge de pointe peut satisfaire jusqu’à 85 % des besoins si elle est combinée à un stockage thermique adéquat.

Lorsque la demande de chaleur est plus constante dans le temps ou ne présente pas de variations significatives, il est possible de dimensionner le système pour qu’il puisse couvrir également les demandes de pointe de manière autonome.

Dans le cas où le système de chauffage fait partie intégrante de travaux de rénovation importants, il est conseillé de revoir à la baisse les charges thermiques, car des mesures visant à améliorer les performances du bâtiment sont souvent introduites, telles que l’amélioration de l’isolation thermique et la réduction des pertes de chaleur.

Avantages et inconvénients des chaudières à biomasses

Choisir une chaudière à biomasse comporte certains avantages et inconvénients à prendre en compte. Parmi les avantages principaux, on trouve : 

  • impact environnemental réduit, en raison du très faible niveau d’émissions de CO2 ;
  • économies réelles sur la consommation ;
  • coût bas des granulés ou des biomasses en général.

Parmi les inconvénients, on trouve : 

  • encombrement ;
  • nécessité d’une pièce technique externe ;
  • entretien et nettoyage réguliers ;
  • nécessité d’un conduit séparé pour les fumées ;
  • inconvénient lié au chargement du combustible ;
  • coût plus élevé par rapport aux chaudières à gaz.

Parmi ces inconvénients, celui qui est le plus important est sans aucun doute la nécessité d’une pièce technique externe. Contrairement à un poêle à bois, en effet, la chaudière nécessite une installation à l’extérieur du bâtiment.

Comment entretenir les chaudières à biomasses ?

L’entretien ordinaire des installations technologiques à biomasse, y compris la chaudière, doit être effectué au moins une fois par an. Cet entretien concerne à la fois le générateur de chaleur et le système de fumée. Il est important de réaliser un entretien approprié pour garantir une efficacité maximale et minimiser les émissions nocives dans l’atmosphère. De plus, les installations de chauffage à biomasse doivent également être soumises à l’émission d’un rapport de contrôle de l’efficacité énergétique par un technicien qualifié.

Combien coûte l’installation de chaudières à biomasses ?

Le coût d’une chaudière à biomasse peut varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs, notamment la marque, le modèle, la puissance, la complexité de l’installation et l’installation nécessaire. En général, les chaudières à biomasse peuvent avoir un coût initial plus élevé que les chaudières traditionnelles à gaz, mais il est également important de prendre en compte les économies potentielles à long terme sur les coûts énergétiques et l’accès éventuel à des incitations fiscales ou à des financements pour l’efficacité énergétique.

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