Réduction des coûts énergétiques


Outre les considérations environnementales, le principal objectif de la plupart des installations à la biomasse est de réduire les coûts d’opération tout en répondant à la demande en énergie. Pour y arriver, il est essentiel de générer un maximum d’économies de combustible et de tirer un rendement maximal de la biomasse puisque leurs coûts d’investissement et d’exploitation sont souvent plus élevés que ceux des systèmes équivalents à carburants fossiles.


Ce rendement est principalement conditionné par la teneur en humidité du biocombustible [lien vers Caractéristiques des biocombustibles] et par le contrôle asservi de la combustion [lien vers Contrôle de combustion] offert par l’unité de chauffage. L’influence économique du premier paramètre n’est pas universelle. S’il est vrai qu’un biocombustible à faible teneur en humidité offrira un meilleur rendement énergétique, il coûtera en revanche généralement plus cher à l’achat. Au surplus, afin d’en préserver la qualité, son entreposage sera impérativement plus soigné et donc plus coûteux. Ces frais doivent alors être confrontés à la plus-value du rendement offert (ou limité) par la technologie en place.


La réduction des coûts d’opération passe donc par l’optimisation du contrôle de combustion. L’unité de combustion doit pouvoir s’adapter automatiquement à une large sélection de teneur en humidité afin de tirer un rendement maximal sur l’ensemble de la plage. Mais aussi, lorsqu’il s’agit d’aller chercher un maximum d’économie, l’unité devra être particulièrement performante lorsqu’alimentée avec un biocombustible à haute teneur en humidité.


Il est à noter que des conditions de combustion propre, à haut rendement, sont maintenant indispensables pour satisfaire aux exigences de plus en plus strictes de la réglementation visant les émissions.



Calcul du rendement


Sonde d'humiditéLe rendement est un rapport, habituellement exprimé en pourcentage, entre l’énergie thermique utile produite et l’apport en énergie du combustible. Cette valeur permet de calculer les pertes dues à l’exploitation du système, et donc la proportion d’énergie du combustible acheté qui est « perdue ».

Cette définition, pourtant simple, ne prévient pas la confusion qui règne à son sujet dans l’industrie de la biomasse. Le superlatif marketing « haut rendement » qui la tapisse est trop souvent mis de l’avant de façon abusive.


La confusion est entretenue par le fait qu’il existe plusieurs types de rendement, et que les paramètres de calculs de ceux-ci ne sont pas toujours au clair. Par exemple, contrairement aux carburants fossiles aux caractéristiques standardisées, le rendement d’un appareil à la biomasse ne nous apprend rien si la teneur en humidité du biocombustible considéré n’accompagne pas celui-ci.


On considère habituellement trois types différents de rendement :


Rendement de combustion : Cette valeur indique le degré de parachèvement de la combustion.


Rendement de l’appareil : Cette valeur combine le rendement de combustion et l’efficacité de l’échange de chaleur entre les gaz chauds et la charge de chauffage côté eau. Ce rendement est habituellement déterminé pour les conditions de fonctionnement à la puissance nominale de l’installation.


Rendement saisonnier : Cette valeur représente un rendement moyen, sur une période de fonctionnement donnée selon diverses conditions et régimes d’opération. C’est le rendement le plus représentatif de la réalité d’une installation.



Rendement de combustion


Le rendement de combustion caractérise, en pourcentage, le degré de combustion du biocarburant brûlé dans la chambre de combustion. Cette mesure est généralement effectuée en régime permanent lorsque la chaudière est sollicitée à 100 % de sa capacité. Une combustion est considérée incomplète lorsque des matières non brûlées sont libérées sous forme de polluants nocifs (imbrûlés gazeux - taux de CO) ou restent dans le système à l’état carbonisé (imbrûlés solides - taux de cendres).


Pour tendre vers une combustion complète, il faut une parfaite maîtrise [Lien combustion] des températures internes, du temps d’exposition de la matière pour faciliter le parachèvement des réactions d’oxydation, de la distribution adéquate et efficace de l’air pour alimenter convenablement le combustible en oxygène et du contrôle des infiltrations d’air (différentiel de pression) dans la cellule de combustion. Une conception et une exploitation efficaces de la chambre de combustion peuvent satisfaire à ces exigences. Normalement, les chaudières et cellule de combustion à biomasse sont caractérisées par un bon rendement de combustion, avec peu de pertes dues à une combustion incomplète.


Le rendement de combustion est fréquemment confondu par les fabricants et vendeurs avec le rendement en régime permanent présenté plus bas.



Rendement en régime permanent (rendement de l’appareil)


Le rendement en régime permanent, ou rendement de l’appareil, consiste à comparer l’énergie thermique produite au niveau de l’échangeur de chaleur (l’énergie transférée au caloporteur) à l’énergie potentielle ou théorique du biocarburant consommé (pouvoir calorifique supérieur, PCS). Encore une fois, il est mesuré lorsque la chaudière est sollicitée à 100 %.


Le rendement en régime permanent est établi à partir du rendement de combustion, duquel est retranché l’efficacité de l’échangeur de chaleur, l’énergie contenue dans les fumées (évaluée par mesure du taux d'O2 et de la température de fumées), celles contenues dans l’évacuation des cendres inorganiques non-combustibles et l’énergie perdue par rayonnement (température des parois de l’unité). Si l’installation de chauffage à la biomasse est située dans un bâtiment chauffé, la chaleur rayonnée n’est pas perdue. Habituellement, ce paramètre n’est pas mesuré par les essais de rendement en régime permanent.


Un accroissement de la teneur en humidité du biocombustible [Lien] entraîne une réduction significative du rendement de l’appareil. Dans une moindre mesure, la teneur en cendre est également un facteur contributif. Une certaine vigilance doit donc être pratiquée lorsqu’il s’agit de comparer les valeurs de rendement avancées par les fournisseurs.



Rendement global d’exploitation


Le rendement global d’exploitation est le paramètre le plus représentatif de l’ensemble d’une installation. Il s’agit du rapport entre l’énergie utile totale réellement fournie à la charge pendant une période de fonctionnement et l’énergie potentielle totale du biocarburant brûlé pendant ce même laps de temps.


Cette valeur intègre tous les éléments du système, tels le rendement en régime permanent de la chaudière, les perturbations de son fonctionnement liées aux phases de démarrage, de ralenti ou d'arrêt ainsi que l’ensemble des pertes liées au système de distribution de la chaleur. Autrement dit, elle indique le rendement réel moyen de l’appareil dans diverses conditions pour une période de fonctionnement donnée, généralement une saison ou une année.


De nombreux facteurs qui agissent sur le rendement global d’exploitation ne dépendent pas de la chaudière à la biomasse comme telle. On retrouve notamment l’emplacement de la chaudière, la qualité et la variabilité du biocombustible, l’efficacité de l’isolant installé sur le réseau de distribution de chaleur, la fréquence des cycles de charges énergétiques fortes et basses du système, etc. C’est pourquoi le rendement global d’exploitation dépend d’un lieu et d’une installation donnés. Il peut varier considérablement, même entre des installations dotées de modèles identiques d’unité à la biomasse.


Sur des installations vétustes, ce rendement est plutôt médiocre (< 60 %) contre 70 à 85 % pour des installations récentes, bien conçues et bien exploitées.




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Et la puissance…


La puissance d'une machine se définit comme le quotient de travail (de la chaleur ou de l'énergie), par le temps qu'il a fallu pour les fournir. Son unité est le watt (W).


La puissance nominale d'une chaudière à la biomasse correspond à la quantité d'énergie nette transmise au caloporteur en une seconde à pleine charge. À ne pas confondre avec la puissance du foyer, qui elle correspond à la capacité de combustion d'une quantité d'énergie en une seconde.


La puissance d'une chaudière est donc affectée par le pouvoir calorifique du bois utilisé et son taux d'humidité. Ainsi, une chaudière d’une puissance annoncée à 1MW et qualifiée avec une biomasse à 50% d’humidité sera dans les faits plus puissante qu’une chaudière elle aussi annoncée à 1MW mais qualifiée avec une biomasse à 30% d’humidité.


On classe les unités à la biomasse en fonction de leur niveau de puissance :


Petite puissance (inférieur ou égal à 0,1 MW*)

Moyenne puissance : (entre 0,1 et 1 MW)

Forte puissance : (entre 1 et 10 MW)

Très forte puissance : (supérieur à 10 MW)


* 1MW (méga watt) correspond à 1MJ/sec, soit 1 000 000 joules à la seconde contenus dans le caloporteur. C’est l’équivalent de 3,4 MMBTU/hr (3 400 000 BTU/hr) en système impérial.


** La puissance d'une chaudière est souvent représentée en HP, où 1 HP s'approxime à 1/100 de MW, soit 10 kW.




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