Développement expérimental de deux voies complémentaires de Réduction des Particules du chauffage au BOIS via un système de post-traitement innovant et par régulation automatique de la combustion
Acronyme : RéParBOIS (AQACIA 2024)
Programme : AQACIA 2024 - Gérer les pollutions à l’ozone et sectorielles
Mots-clés : Energie / Qualité de l'air
Contexte : Forte de son statut d'énergie renouvelable (EnR) et de son indépendance vis-à-vis du contexte géopolitique, la biomasse constitue une alternative prometteuse aux énergies fossiles. Elle est en particulier indispensable aux objectifs européens définis par la directive 2018/2001, transcrite en France dans la loi Energie Climat du 8 novembre 2019, qui fixe à 33% la part des énergies renouvelables dans la consommation finale brute d’énergie d’ici à 2030, et dont découlent le Plan Climat adopté en décembre 2008 révisé en avril 2021, ainsi que la future Loi de Programmation sur l’Energie et le Climat (LPEC) fixant les grands objectifs de la Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) et de la Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC). A date, la LPEC récemment adoptée par le Sénat en octobre 2024 fixe la part des énergies renouvelables à 45% de la consommation finale de chaleur d’ici 2030, sous réserve d’une adoption du texte par l’Assemblée Nationale. Parallèlement, le PPE 2019-2028 adoptée en avril 2020 vise un nombre de logements équipé d’un appareil de chauffage domestique au bois de 10,2 à 11,3 millions en 2028, comparés à environ 7 millions en 2017, pour une consommation constante de bois de 80 TWh. Cette évolution suppose notamment le recours à des appareils plus performants, une meilleure isolation des logements, mais aussi une diffusion des bonnes pratiques. Malgré une augmentation constante de la part des énergies renouvelables en France depuis 2005, l’objectif d’une part d’énergies renouvelables à 23% de la consommation finale brute d’énergie en 2020 n’a pas été atteint par la France, cette part se limitant à 20,7% en 2022 [SDE, 2023]. Sachant que le bois-énergie constitue la première EnR produite en France à hauteur de 34 % de la production primaire d’énergies renouvelables en France en 2022 et qu’elle représente 61% de la consommation primaire d’énergie renouvelable pour usage de chaleur [SDE, 2023], cela laisse entrevoir les possibilités de développement de cette filière dans les années à venir. Mais si la biomasse est (re)devenue aujourd’hui une ressource énergétique incontournable sur laquelle reposent les scénarios de la transition énergétique, sa combustion peut, lorsqu'elle est mal contrôlée, constituer une source importante d’émissions de particules et de polluants gazeux dans l’atmosphère. Les pratiques d’utilisation et d’entretien de l’appareil sont des facteurs essentiels d’influence sur la qualité de la combustion et donc sur les émissions de polluants atmosphériques, conjointement avec la conception technique de l’appareil, la conformité de l’installation ou encore la qualité du combustible. Sur le plan particulaire (PM), la combustion de la biomasse génère essentiellement des particules submicroniques (PM1) et des particules ultra-fines (PM0.1 ou PUF) en quantités variables selon les caractéristiques de l’appareil et du combustible et le mode de fonctionnement de l’appareil. Les gaz rejetés, dont la concentration dépend des mêmes paramètres, sont majoritairement des Composés Organiques Volatils (COV) et des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ainsi que du monoxyde de carbone (CO), des oxydes d’azote (NOX) et éventuellement du dioxyde de soufre (SO2) [ADE, 2012a]. Ainsi, le secteur du « résidentiel / tertiaire » (au sein duquel le chauffage au bois constitue une source prédominante d’émissions de particules) est décrit par le Citepa comme un contributeur majeur aux émissions de particules en France, à hauteur de 34 % des émissions totales de PM10, 56 % des émissions totales de PM2.5 et 71 % des émissions totales de PM1 en 2020 [CIT, 2023]. Ce rapport fait également état d’une contribution du secteur « résidentiel / tertiaire » à hauteur de 85 % des émissions de HAP (benzo[a]pyrène, benzo[b]fluoranthène, benzo[f]fluoranthène et indéno[1,2,3-cd]pyrène) et de 27 % des COV non méthaniques (COVNM). Or, les effets néfastes de ces polluants sur la santé (inconforts sensoriels, maladies respiratoires et cardiovasculaires, cancers) et l’environnement (souillures des ouvrages, réduction de la visibilité, contribution au réchauffement climatique) sont aujourd’hui largement démontrés. En particulier, plusieurs polluants émis par les appareils de chauffage au bois sont classés comme agents cancérigène pour l’homme (Groupe 1) par le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC). C’est le cas du benzène et du benzo[a]pyrène ou encore des particules de l’air ambiant. Plus globalement, une étude de 2021 de Santé publique France indique que l’exposition chronique aux particules fines (PM2.5, incluant les PM1 et les PM0.1) contribue à 7 % de la mortalité annuelle totale en France métropolitaine, soit 40 000 décès prématurés par an [MED, 2021]. De la même façon, un rapport de l’Agence européenne pour l’environnement (AEE) indique qu’au moins 253 000 décès dans l’Union Européenne en 2021 étaient imputables à une exposition à une pollution par les particules fines (PM2.5, incluant les PM1 et les PM0.1) supérieure à la concentration de 5 µg/m3 recommandée par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) [AEE, 2023]. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet de recherche industrielle est d’étudier expérimentalement deux voies complémentaires de réduction des particules du chauffage au bois : via un système de post-traitement innovant (méthode secondaire) ; et par régulation automatique de la combustion, via un ajustement dédié de l’apport en air comburant, sans action de l’usager (méthode primaire).
Description : Ce projet vise à étudier deux solutions complémentaires de réduction des émissions de particules générées par un appareil de chauffage au bois-bûches, via le développement et la validation d’un système innovant de post-traitement des particules et d’un système automatique (mécanique et/ou électronique) de régulation de la combustion par ajustement dédié de l’apport en air comburant, tous deux intégrés à un appareil de chauffage au bois-bûches. Dans ce but et en lien avec les objectifs du projet, celui-ci a été décomposé en 5 lots, comprenant au total 15 tâches complémentaires : Lot 1 : Coordination / Management du projet par le CSTB Lot 2 (Tâche 2.1 à Tâche 2.5) : Etude expérimentale de différents prototypes d’un système de post-traitement, à échelle 1 « labo », sur lequel des optimisations successives seront réalisées, au sein du laboratoire de l’IMT Atlantique Tâche 2.1 : Définition détaillée du protocole expérimental appliqué et des premières configurations (géométries et positionnements) envisagées pour la Tâche 2.4 et la Tâche 2.5, en se basant sur le retour d’expérience du projet EvolutionBOIS et sur une étude basée sur la mécanique des fluides Tâche 2.2 : Conception et fabrication des prototypes de système de post-traitement, ainsi que d’une chambre de combustion en acier pouvant accueillir le système de post‑traitement sur le montage expérimental à échelle 1 « labo » Tâche 2.3 : Adaptation du pilote localisé sur la plateforme d’essais de l’IMT Atlantique, afin de pouvoir tester les prototypes de système de post-traitement dans les conditions les plus proches de leur taille réelle & Caractérisation du pilote après modification, afin de vérifier les conditions expérimentales applicables. Tâche 2.4 : Définition du plan d’expériences, en accord avec la Tâche 2.1 & Etude expérimentale (screening) de trois géométries distinctes, afin d’identifier la plus efficace du point de vue de la réduction des particules. Le screening sera réalisé pour une condition de fonctionnement donnée de la chaudière à biomasse, avec a minima deux réplicas par géométrie testée. Tâche 2.5 : Etude expérimentale de la géométrie retenue dans 2 conditions de fonctionnement différentes de la chaudière à biomasse : en fonctionnement stabilisé et en fonctionnement dégradé. Différents emplacements du système seront également étudiés. Le positionnement de ce dernier sera discuté en concertation avec le consortium, sur la base des résultats de la Tâche 2.1 et de la Tâche 2.4. A minima deux positions seront étudiées et deux réplicas seront effectués pour chaque condition (position, fonctionnement) testée. Lot 3 (Tâche 3.1 à Tâche 3.5) : Identification des effets, sur les émissions, d’un ajustement dédié de l’apport en air comburant au cours de la combustion (quantité, point d’injection, température) et étude expérimentale de différents prototypes de système de régulation de la combustion, sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE Tâche 3.1 : Réalisation d’un état de l’art sur la régulation de la combustion dans les appareils de chauffage résidentiel au bois Tâche 3.2 : Test de l’appareil de chauffage sur la plateforme d’essais de LORFLAM, en amont de toute modification (mesure par LORFLAM de composés gazeux et des PM en masse) Tâche 3.3 : Etude paramétrique du pilotage des arrivées d’air en température et débit. Tâche 3.4 : Conception et fabrication d’un prototype avec système de régulation intégré & Détermination d’un point de fonctionnement optimal de combustion sur la plateforme d’essais de LORFLAM (mesure par LORFLAM de composés gazeux et des PM en masse) Tâche 3.5 : Etude expérimentale des émissions particulaires du prototype sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE, à partir du point de fonctionnement déterminé en Tâche 3.4 Lot 4 (Tâche 4.1 à Tâche 4.3) : Etude expérimentale des performances énergétiques et environnementales d’un appareil de chauffage au bois-bûches muni conjointement d’un système de post-traitement des particules et d’un système automatique (mécanique et/ou électronique) de régulation de la combustion par ajustement dédié de l’apport en air comburant, sur la plateforme d’essais de LORFLAM puis sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE Tâche 4.1 : Conception et fabrication du prototype final d’appareil de chauffage muni conjointement du système de post-traitement et du système de régulation Tâche 4.2 : Définition détaillée du protocole expérimental appliqué, après détermination des points de fonctionnement en allure nominale et partielle sur la plateforme d’essais de LORFLAM (mesure de composés gazeux et des PM en masse) Tâche 4.3 : Etude expérimentale des émissions particulaires du prototype final complet sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE à partir des points de fonctionnement déterminés en Tâche 4.3 Lot 5 (Tâche 5.1 & Tâche 5.2) : Synthèse & Valorisation des connaissances acquises Tâche 5.1 : Synthèse des connaissances acquises & Emission de recommandations Tâche 5.2 : Valorisation des résultats sous forme de publication(s) scientifique(s) et de communication(s) à destination des professionnels Puisqu’ils portent sur des développements clairement identifiés d’éléments dissociés, les lots sont indépendants les uns des autres et il n’est pas prévu de comparaison directe des valeurs d’émissions d’un lot à l’autre. Les tendances générales obtenues au cours du Lot 2 et du Lot 4 d’une part et du Lot 3 et du Lot 4 d’autre part seront par contre discutées. De ce fait, les équipements de prélèvement et de mesure des polluants gazeux et particulaires ne seront pas nécessairement similaires d’une plateforme d’essais à l’autre. Parallèlement, des dispositifs de prélèvement et de mesure des particules complémentaires sont mis en place en parallèle durant les différents lots de ce projet, afin de caractériser : les PM en masse (fraction solide) par méthode gravimétrique sur filtre chauffé ; les composés condensables selon la méthodologie issue du projet CILCO actuellement en cours ; les particules en nombre (avec évolution temporelle et distribution granulométrique) via un ELPI. De même, des essais dans différentes conditions de fonctionnement sont prévus pour tester différents points de fonctionnement dans chacun de ces lots, sans nécessairement que les conditions appliquées soient identiques d’un lot à l’autre. Lot 1 : Management Le Lot 1 regroupe les actions de coordination et management de projet. Cette tâche sera coordonnée et menée par le CSTB. L’IMT Atlantique, la SATT‑LGRE et LORFLAM participeront à cette tâche pour échanger sur les travaux menés. Cette tâche consiste à assurer la coordination des activités scientifiques, techniques et financières de ce projet. Plus spécifiquement, c’est dans le cadre de cette tâche que les actions suivantes s’inscrivent : Assurer les relations avec l’ADEME et l’ensemble des acteurs ; Assurer un suivi régulier de l’avancement du projet (sur un plan scientifique, technique et financier). Celui-ci supposera en particulier de : o Mettre en place un comité de suivi. Compte tenu du caractère confidentiel de ce projet, il est proposé que ce comité se compose uniquement des ingénieurs ADEME en charge de son suivi (à ce jour Manon VITEL et Isabelle AUGEVEN-BOUR) ; o Organiser une réunion de lancement, une réunion de clôture, ainsi que des réunions tous les 9 mois avec le comité de suivi et l’ensemble des partenaires du projet. Ces réunions donneront lieu à un compte-rendu envoyé à tous les invités. Des réunions complémentaires pourront être organisées en cas besoin ; o Organiser, selon les besoins identifiés, des réunions d’échange spécifiques entre les partenaires du projet (entre autres en amont des comités de suivi et en préparation des différentes phases expérimentales) ; o Procéder aux ajustements éventuellement nécessaires en accord avec le comité de suivi, et plus généralement l’ADEME et l’ensemble des acteurs du projet, ainsi qu’en accord avec la Direction de la Recherche et de l’Innovation (DRI) du CSTB ; o Garantir la fourniture des rapports (et prototypes) attendus selon le planning établi ; Gérer la protection des résultats et l’accessibilité des données, en accord avec l’ensemble des partenaires et l’ADEME. Lot 2 (Tâche 2.1 à Tâche 2.5) : Système de post-traitement Le Lot 2 (Tâche 2.1 à Tâche 2.5) consiste en une étude à échelle 1 « labo » de différents prototypes de système de post-traitement, au sein du laboratoire de l’IMT Atlantique, incluant la préparation, la réalisation, l’exploitation et l’analyse de la campagne expérimentale dédiée. Ce lot sera coordonné et mené par l’IMT Atlantique, en concertation avec LORFLAM (qui se chargera de la Tâche 2.2) et le CSTB (qui participera à la définition du protocole expérimental, des essais et à l’analyse des résultats, ainsi qu’aux travaux d’optimisations successives du système de post-traitement). Ce lot aboutira à la rédaction d’un rapport d’essais. L’ensemble des tâches de ce lot vise à étudier expérimentalement différents prototypes d’un système de post-traitement, en grandeur réelle, sur lequel des optimisations successives seront réalisées (par méthode itérative après analyse des premiers résultats obtenus). Ce travail sera basé sur l’étude bibliographique et les résultats expérimentaux (à échelle laboratoire et à échelle 1) du projet EvolutionBOIS [LED, 2023]. L’objectif de ce lot est de s’affranchir au maximum des changements d’échelle, afin d’étudier les prototypes dans les conditions les plus proches possibles d’un usage réel. En lien avec les perspectives du projet EvolutionBOIS [LED, 2023], ce système sera soumis à un effluent de fumées issu d’une chaudière à biomasse de 15 kW (fonctionnant avec des granulés ou des plaquettes), permettant d’assurer conjointement la représentativité des fumées et la stabilité des émissions moyennes. Le fait de travailler en grandeur réelle permettra en outre de s’affranchir de toute problématique de changement d’échelle. Le système de post-traitement ne sera pas développé pour une application en chaudière, mais bien en tenant compte des contraintes liées à une utilisation dans un poêle à bois (absence de perte de charge, esthétisme, etc…) ; la chaudière servant uniquement de générateur de fumées stables et représentatives d’un appareil de chauffage au bois. Les paramètres prioritaires d’optimisation considérés lors de cette étude porteront sur le positionnement de ce système dans la zone d’évacuation des fumées de l’appareil et sur sa géométrie. Des paramètres complémentaires pourront être pris en compte sur la base des premiers résultats obtenus. Ce lot se divise de la façon suivante : Tâche 2.1 : Définition détaillée du protocole expérimental appliqué et des premières configurations (géométries et positionnements) envisagées pour la Tâche 2.4 et la Tâche 2.5, en se basant sur le retour d’expérience du projet EvolutionBOIS, sur les connaissances propres antérieures du CSTB, les compétences en aéraulique et aérodynamique du CSTB, les compétences de l’IMT Atlantique et du CSTB en génie des procédés et filtration et sur une étude basée sur la mécanique des fluides menée par l’IMT Atlantique. Au cours de cette tâche, une comparaison sera également effectuée entre les caractéristiques usuelles de la chaudière à biomasse de l’IMT Atlantique et celles des poêles à bois LORFLAM, en ce qui concerne la plage d’émissions en particules (dont distribution granulométrique en nombre) et en COVtotaux et la plage de température des fumées. Cette comparaison sera basée sur les données de précédents projets menés par l’IMT Atlantique et/ou LORFLAM (dont le projet EvolutionBOIS), ainsi que sur d’éventuels essais préliminaires de validation sur la chaudière et/ou le poêle à bois envisagé pour ce projet. Si besoin, une adaptation du fonctionnement de la chaudière à biomasse (et/ou du pilote) sera prévue au cours de la Tâche 2.3 pour être en mesure de disposer d’un effluent représentatif de celui du poêle à bois (en termes de particules, COVtotaux et température des fumées). Une attention sera également portée au tirage et à la vitesse des fumées au niveau du système de post-traitement testé. La chaudière dont dispose l’IMT Atlantique est une chaudière REKA (modèle HKRST 10N FSK 500), d’une puissance nominale de 15 kW. Elle peut fonctionner avec des granulés ou des plaquettes. Son tirage (avec extracteur associé) peut être ajusté entre -5 à -25 Pa. Tâche 2.2 : Conception et fabrication des prototypes de système de post-traitement, ainsi que d’une chambre de combustion en acier pouvant accueillir le système de post-traitement sur le montage expérimental à échelle 1 « labo ». Cette tâche sera réalisée par LORFLAM, en concertation avec l’IMT Atlantique, afin de s’assurer de l’adaptabilité du prototype sur le pilote localisé à IMT Atlantique. Tâche 2.3 : Adaptation du pilote localisé sur la plateforme d’essais de l’IMT Atlantique, afin de pouvoir tester les prototypes de systèmes de post-traitement dans les conditions les plus proches de leur taille réelle & Caractérisation du pilote après modification, afin de vérifier les conditions expérimentales applicables. Les modifications du pilote porteront notamment sur le fait de pouvoir garder, et peut-être même réchauffer les fumées en sortie de la chaudière à biomasse, avant que celles-ci ne soient introduites dans la chambre de combustion où sera localisé le système de post-traitement. Tâche 2.4 : Définition du plan d’expériences en accord avec la Tâche 2.1 & Etude expérimentale (screening) de différentes géométries, afin d’identifier la plus efficace du point de vue de la réduction des particules. Trois prototypes seront testés dans cette tâche : une géométrie étudiée au cours du projet EvolutionBOIS, ainsi que deux nouvelles géométries définies en accord avec les partenaires du consortium et les résultats de la Tâche 2.1. Les essais de screening seront réalisés pour une condition de fonctionnement donnée de la chaudière à biomasse, avec a minima deux réplicas par géométrie testée. Lors de ces essais de screening, les émissions gazeuses et particulaires seront mesurées en continu afin de pouvoir déterminer l’efficacité du prototype. Les analyses porteront sur la caractérisation des principaux composés gazeux et leur évolution au cours du temps (CO, CO2, O2, NOx, SO2 via un analyseur HORIBA ; COVtotaux par FID ; Benzène, Toluène, Ethylbenzène, Xylènes (BTEX) par microGC ; composés condensables selon la méthodologie issue du projet CILCO), ainsi que sur la caractérisation des particules en nombre, leur évolution au cours du temps et les distributions granulométriques en nombre des particules (via un ELPI). La concentration en particules en masse (PM en masse) sera également mesurée par méthode gravimétrique sur filtre chauffé. Tâche 2.5 : Etude expérimentale de la géométrie retenue dans 2 conditions de fonctionnement différentes de la chaudière à biomasse : en fonctionnement stabilisé et en fonctionnement dégradé. Différents emplacements du système seront également étudiés. Le positionnement de ce dernier sera discuté en concertation avec le consortium, sur la base des résultats de la Tâche 2.1 et de la Tâche 2.4. A minima deux positions seront étudiées et deux réplicas seront effectués pour chaque condition (position, fonctionnement) testée. Lot 3 (Tâche 3.1 à Tâche 3.5) : Système de régulation Le Lot 3 (Tâche 3.1 à Tâche 3.5) consiste en une étude à échelle 1 « plateforme » de différents prototypes de système de régulation de la combustion, sur les plateformes d’essais de LORFLAM et de la SATT-LGRE, incluant la préparation, la réalisation, l’exploitation et l’analyse de la campagne expérimentale dédiée. Ce lot sera coordonné et mené par la SATT-LGRE, en concertation avec LORFLAM (qui se chargera de la conception et la fabrication des prototypes de systèmes de régulation et des tests initiaux de l’appareil / du prototype) et le CSTB (qui participera à la définition du protocole expérimental, des essais et à l’analyse des résultats et fournira des références pour l’état de l’art). Ce lot aboutira à la rédaction d’un rapport d’essais. L’ensemble des tâches de ce lot visent à : identifier les effets, sur les émissions, d’un ajustement dédié de l’apport en air comburant au cours de la combustion (quantité, point d’injection, température). Ces paramètres ont fait l’objet d’un précédent projet financé par l’ADEME, intitulé Conceptech [FON, 2022], dont les conclusions montrent l’importance de la gestion des différentes arrivées d’air (débits / températures) puisque celle-ci impacte les émissions polluantes tout au long de la combustion. Certaines limites, en lien avec l’étanchéité de l’appareil et la gestion de la température, ont été mises en évidence au cours de ce précédent projet. En se basant sur ces conclusions, il est prévu, dans le présent projet, de mettre en œuvre des prototypes étanches, avec des entrées d’air canalisées parfaitement pilotables. Ces prototypes permettront également de gérer de façon électrique la température de l’air aux différents points d’injection (via un préchauffeur), afin d’obtenir les paramètres nécessaires au bon dimensionnement de l’appareil final, qui utilisera quant à lui uniquement la chaleur fournie par la combustion du bois. étudier expérimentalement différents prototypes de système de régulation de la combustion. Ce système d’ajustement automatique (mécanique et/ou électronique) de l’apport d’air a pour principal objectif d’améliorer la combustion et les émissions associées du bois-bûche au sein d’un insert ou d’un poêle, en pilotant en continu les arrivées d’air par rapport à la température des fumées, sans action requise de l’utilisateur. En effet, l’allumage, la qualité et la quantité de combustible introduit dans l’appareil, ainsi que le réglage de l’entrée d’air de combustion sont des paramètres dépendant de l’utilisateur et ayant un impact crucial sur le bon fonctionnement de l’installation et donc de l’appareil. Malgré les préconisations et la sensibilisation mise en place dans la documentation fabricant destinée aux utilisateurs via des notices ou/et des vidéos tutoriels, de nombreuses erreurs d’utilisation sur la gestion de l’arrivée d’air subsistent. Le système de régulation de l’arrivée d’air de combustion intégré à l’appareil envisagé dans ce projet vise à ajuster le bon débit d’air au bon endroit et au bon moment en fonction des différentes phases de combustion, permettant ainsi de palier aux lacunes liés à l’utilisateur. Ce lot se divise de la façon suivante : Tâche 3.1 : Réalisation d’un état de l’art sur la régulation de la combustion dans les appareils de chauffage résidentiel au bois La SATT-LGRE effectuera une revue bibliographique sur les publications dans les différentes revues scientifiques du domaine portant sur les technologies développées et intégrées dans des appareils de chauffage domestique au bois à l’échelle européenne. Pour cette étude, la SATT-LGRE s’appuiera sur la connaissance du marché des appareils au bois de LORFLAM et du CSTB. Cet état de l’art portera sur le recensement et l’analyse des études disponibles dans la littérature ayant pour sujet l’impact du positionnement et du réglage des amenées d’air comburant sur la combustion, avec un focus sur les travaux portant sur l’ajustement continu de la quantité (et du point d’injection) d’air comburant au cours des différentes phases de combustion dans les appareils de chauffage au bois-bûches (comme ce fut le cas dans le projet Conceptech [FON, 2022]). Cela inclura également l’étude des solutions existantes (actuellement commercialisées). Tâche 3.2 : Test de l’appareil de chauffage sur la plateforme d’essais de LORFLAM, en amont de toute modification (mesure par LORFLAM de composés gazeux et des PM en masse) LORFLAM caractérisera l’appareil, en amont de toute modification, dans les conditions des essais de qualification selon la norme EN 16510-1 hors NOX (mesure du CO2, du CO, des COVtotaux et des PM en masse), afin de valider les paramètres de fonctionnement en allure nominale et à charge partielle. Les valeurs ainsi obtenues de débit d'air et de températures de fonctionnement serviront de point de départ pour l’étude paramétrique. Tâche 3.3 : Etude paramétrique du pilotage des arrivées d’air en température et débit Suite à la caractérisation effectuée par LORFLAM sur sa plateforme d’essais, l’appareil sera modifié pour permettre de séparer les différents circuits d’amené d’air (primaire / secondaire / vitrage), sans modifier la chambre de combustion. Cela permettra d’équiper chacune de ces voies avec un régulateur (débitmètre massique) et un préchauffeur d’air électrique de type « canon à air chaud ». Ainsi, il sera possible de connaitre et piloter précisément les quantités et la température de l’air injecté sur chacune des voies, indépendamment. L’étude paramétrique aura pour but de faire varier le débit, la température et la répartition de l’air injecté dans un domaine acceptable dans l’optique du développement d’un futur appareil. Ces variations pourront être effectuées au cours d’une charge ou sur l’ensemble d’une journée de chauffage. Ce choix sera effectué sur la base des données de la revue bibliographique, en sachant que les conclusions du projet Conceptech semblent orienter vers la première solution. Un soin particulier sera porté à ce que les essais permettent de confirmer ou d’infirmer les conclusions de ce précédent projet, tout en améliorant les points faibles identifiés par les auteurs, tel que l’étanchéité du poêle, ou encore la bonne maitrise de la température en tous points de l’appareil [FON, 2022]. Lors des différents essais de cette étude paramétrique, les émissions gazeuses (O2, CO, CO2, NO, NO2, SO2 par analyseur multi-gaz ; COVtotaux par FID) et particulaires (PM en masse par mesure gravimétrique sur filtre chauffé ; particules en nombre via un ELPI ; composés condensables selon la méthodologie issue du projet CILCO) seront mesurées au cours des essais, de même que la masse de combustible, le débit et la température de chaque voie d’injection d’air, la température de fumée et la dépression dans le conduit. Au cours de cette tâche, cinq configurations distinctes de débit, d’une part et de température d’autre part (soit 10 configurations au total) seront testées. Un allumage et une mise en régime seront systématiquement effectués en début de journée d’essais, suivi d’au moins 3 charges en allure nominale. Tâche 3.4 : Conception et fabrication d’un prototype avec système de régulation intégré & Détermination des points de fonctionnement en allure nominale et à charge partielle sur la plateforme d’essais de LORFLAM Sur la base de l’étude paramétrique menée par la SATT-LGRE, LORFLAM concevra et fabriquera un prototype d’appareil de chauffage muni d’un système de régulation. LORFLAM caractérisera ce prototype, dans les conditions des essais de qualification selon la norme EN 16510-1 hors NOX (mesure du CO2, du CO, des COVtotaux et des PM en masse), afin d’en valider les paramètres de fonctionnement en allure nominale et à charge partielle (avec une masse de bois plus faible et une réduction de l’apport en air comburant). Tâche 3.5 : Etude expérimentale des émissions particulaires du prototype sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE, à partir des points de fonctionnement déterminés en Tâche 3.4 Suite à la détermination des points de fonctionnement, le prototype équipé de son système de régulation d’air sera étudié sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE. Les émissions gazeuses (O2, CO, CO2, NO, NO2, SO2 par analyseur multi-gaz ; COVtotaux par FID) et particulaires (PM en masse par mesure gravimétrique sur filtre chauffé ; particules en nombre via un ELPI ; composés condensables selon la méthodologie issue du projet CILCO) seront mesurées au cours des essais, en allure nominale et à charge partielle, de même que la masse de combustible, la température de fumée et la dépression dans le conduit. Un allumage et une mise en régime seront systématiquement effectués en début de journée d’essais, suivi d’au moins 3 charges en allure nominale et/ou à charge partielle. Ces essais seront reproduits sur 3 journées distinctes. Sachant qu’une importante variabilité de la combustion et des émissions polluantes des appareils de chauffage au bois / biomasse a été mise en évidence par de précédentes études [ADE, 2012a] [ADE, 2012b] [LED, 2023], une attention particulière sera portée au nombre d’essais de reproductibilité effectués et à la qualité du combustible utilisé. En particulier, l’ensemble de cette campagne expérimentale sera mené avec un lot de bois unique, présentant un taux d’humidité faible (compris entre 12 % et 20 %) et dont les caractéristiques auront été préalablement analysées par un laboratoire externe. De plus, a minima 3 essais de reproductibilité seront effectués pour chaque paramètre et configuration testés, soit a minima 30 essais au total pour la Tâche 3.3, 18 essais pour la Tâche 3.5, auxquels s’ajoutent tous les tests préliminaires de calage des conditions d’essais. Lot 4 (Tâche 4.1 à Tâche 4.3) : Appareil de chauffage à faibles émissions Le Lot 4 (Tâche 4.1 à Tâche 4.3) consiste en une étude à échelle 1 « plateforme » d’un appareil de chauffage muni des systèmes développés au Lot 2 et au Lot 3. Ces essais seront menés conjointement, sur les plateformes d’essais de LORFLAM et de la SATT-LGRE. Chaque partenaire assurera la préparation, la réalisation, l’exploitation et l’analyse des résultats obtenus lors de essais sur sa plateforme et contribuera à la rédaction du rapport d’essais de la tâche correspondante. Ce lot sera coordonné et mené par LORFLAM (qui se chargera de la conception et la fabrication du prototype d’appareil de chauffage et de la détermination de son point de fonctionnement) en concertation avec la SATT-LGRE (qui se chargera de l’étude expérimentale du prototype final) et le CSTB (qui participera à la définition du protocole expérimental, des essais et à l’analyse des résultats). Ce lot aboutira à la rédaction d’un rapport d’essais. L’ensemble des tâches de ce lot vise à étudier les performances énergétiques et environnementales d’un appareil de chauffage au bois-bûches, de type poêle ou insert, muni conjointement d’un système de post-traitement des particules et d’un système automatique (mécanique et/ou électronique) de régulation de la combustion par ajustement dédié de l’apport en air comburant. Le but de ces travaux est d’être en mesure, via ces deux innovations combinées, d’abaisser les émissions de particules d’un appareil de chauffage au bois (PM en masse) à une valeur inférieure ou égale à 25 mg.Nm-3 à 13% de O2 en garantissant une certaine stabilité de ces émissions (avec une sensibilité plus faible de l’appareil aux usages que ce n’est le cas habituellement pour le chauffage domestique au bois-bûches). En complément, un objectif d’émissions de PM en masse inférieures ou égales à 15 mg/Nm3 à 13% de O2 sera visé, pour des conditions d’essais en allure nominale très contrôlées (bûches bien homogènes sans écorce ni nœud, humidité cible du combustible de 14%, positionnement précis des bûches dans la chambre de combustion, rechargement rapide dès obtention du critère de fin de charge défini, etc…). Parallèlement, pour que les développements réalisés soient pertinents, il sera également vérifié que les teneurs en COVtotaux et en CO restent faibles pour un rendement de l’appareil suffisamment élevé (au moins compatible avec les seuils du Label Flamme Verte) et des teneurs en composés condensables suffisamment faibles. Ce lot se divise de la façon suivante : Tâche 4.1 : Conception et fabrication du prototype final d’appareil de chauffage muni conjointement du système de post-traitement et du système de régulation Tâche 4.2 : Définition détaillée du protocole expérimental appliqué, après détermination des points de fonctionnement en allure nominale et à charge partielle sur la plateforme d’essais de LORFLAM (mesure du CO2, du CO, des COVtotaux et des PM en masse dans les conditions des essais de qualification selon la norme EN 16510-1 hors NOX) Tâche 4.3 : Etude expérimentale des émissions particulaires du prototype final complet sur la plateforme d’essais de la SATT-LGRE à partir des points de fonctionnement déterminés en Tâche 4.2 Dans un premier temps, sur chacune des plateformes, le prototype sera étudié à son allure nominale, puis dans un second temps à charge partielle, c’est-à-dire pour une puissance délivrée plus faible sur une durée équivalente à une charge nominale (avec une masse de bois plus faible et une réduction de l’apport en air comburant). En effet, à puissance intermédiaire (charge partielle), les appareils sont habituellement plus émissifs qu’à leur allure de fonctionnement nominale, ce qui permettra de caractériser les performances du système de post-traitement et du système de régulation pour d’autres conditions d’émissions. Le fonctionnement en allure réduite n’étant pas recommandé par le fabricant (dont les actions mises en place pour éviter ce type d’usage seront mentionnés en Lot 5), des essais dans ces conditions de fonctionnement ne sont pas prévus dans le cadre de ce projet. Les plateformes d’essais et moyens expérimentaux utilisés, ainsi que les émissions et paramètres mesurés dans ce Lot 4 seront identiques à ceux mis en œuvre dans la Tâche 3.4 et la Tâche 3.5. Pour les mêmes raisons que pour le Lot 3, l’ensemble de cette campagne expérimentale sera mené avec un lot de bois unique, présentant un taux d’humidité faible (compris entre 12 % et 20 %) et dont les caractéristiques auront été préalablement analysées par un laboratoire externe. De plus, a minima 3 essais de reproductibilité sur 3 journées distinctes seront effectués pour chaque configuration testée, soit a minima 18 essais sur chaque plateforme pour un total de 36 essais. Lot 5 (Tâche 5.1 & Tâche 5.2) : Synthèse & Valorisation Le Lot 5 (Tâche 5.1 & Tâche 5.2) regroupe toutes les actions liées à la synthèse des connaissances acquises et la valorisation des résultats de ce projet. Il se divise de la façon suivante : Tâche 5.1 : Synthèse des connaissances acquises & Emission de recommandations ; Tâche 5.2 : Valorisation des résultats sous forme de publication(s) scientifique(s) et de communication(s) à destination des professionnels. Ces tâches, coordonnées par le CSTB, seront menées conjointement par le CSTB, l’IMT Atlantique, la SATT-LGRE et LORFLAM. Elles aboutiront à la rédaction d’un rapport final, d’une note de synthèse et d’une ou plusieurs communication(s) / publication(s). L’objectif de la Tâche 5.1 est de synthétiser les connaissances acquises et d’apporter une vue d’ensemble sur les données obtenues (issues des rapports du Lot 2, du Lot 3 et du Lot 4) afin de dégager les principaux enseignements de ce projet. La Tâche 5.2 aura pour objet de rendre visible les conclusions de ce projet au travers d’une ou plusieurs communication(s) / publication(s). Une valorisation des acquis de ce projet sous forme de brevet(s) sera envisagée, tant concernant le système de post-traitement, que le système de régulation ou encore l’appareil de chauffage intégrant ces deux systèmes. Un arbitrage sera effectué avant la fin du projet (à T0 + 30 mois) pour évaluer la pertinence de ce(s) dépôt(s). Selon les conclusions de cet arbitrage, soit de premières actions administratives seront menées en vue de ce(s) dépôt(s), soit les résultats obtenus au cours de ce projet seront valorisés via une ou plusieurs communications en conférence nationale et/ou internationale, sur la base d’un contenu qui devra être au préalable validé par l’ensemble des partenaires. Le cas échéant, les conférences suivantes pourront être ciblées : Congrès Français sur les Aérosols (CFA), EUropean Biomass Conference & Exhibition (EUBCE), European Aerosol Conference (EAC). La rédaction d’un article dans une revue scientifique telle que Pollution Atmosphérique, Journal of Environmental Engineering, Environmental Science and Technology ou Biomass and Bioenergy pourra également être envisagée. Une diffusion des résultats obtenus à destination des professionnels de la filière bois‑énergie sera également effectuée, a minima lors des journées organisées par l’ADEME (Restitution et R&D), sur la base d’un contenu qui devra être au préalable validé par l’ensemble des partenaires.
Objectifs et résultats attendus : S’inscrivant dans une dynamique de maîtrise des émissions du chauffage au bois, le projet RéParBOIS a pour objectif d’étudier expérimentalement deux voies complémentaires de réduction des particules du chauffage au bois : via un système de post-traitement innovant (méthode secondaire) ; et par régulation mécanique de la combustion, via un ajustement dédié de l’apport en air comburant, sans action de l’usager (méthode primaire). Cet objectif répond à un besoin des industriels et des parties prenantes de ce secteur d’activité, en lien avec la révision actuelle du règlement EcoDesign et les nouvelles contraintes qui vont en découler (valeurs seuils d’émissions réduites, probable incitation forte à la mise en place de systèmes de post-traitement et/ou de régulation de la combustion sur les appareils). Une étude conduite à l’échelle 1 « laboratoire » sera menée par l’IMT Atlantique sur différents prototypes d’un système de post-traitement en grandeur réelle sur lequel des optimisations successives seront réalisées. Ce système sera soumis à un effluent de fumées issu d’une chaudière à biomasse permettant d’assurer conjointement la représentativité des fumées et la stabilité des émissions moyennes. Parallèlement, une étude expérimentale sera menée à l’échelle 1 par la SATT-LGRE afin d’identifier les effets d’un ajustement dédié de l’apport en air comburant au cours de la combustion (quantité, point d’injection, température) sur les émissions. In fine , un appareil de chauffage au bois équipé conjointement de ces deux systèmes (post-traitement et régulation de la combustion) sera testé à échelle 1 sur les plateformes d’essais de LORFLAM et de la SATT-LGRE. Le but de ces travaux est d’être en mesure, via les innovations étudiées au cours de ce projet, d’abaisser les émissions de particules d’un appareil de chauffage au bois (PM en masse) à une valeur inférieure ou égale à 25 mg.Nm-3. Ainsi, ce projet se propose de lever un verrou inhérent aux méthodes actuellement appliquées pour développer et valider des systèmes de post-traitement, à savoir la difficulté à travailler conjointement avec des émissions contrôlées d’une part, représentatives de celles produites par les appareils de chauffage au bois d’autre part, tout cela en mettant en œuvre le système testé en grandeur réelle. Un autre verrou pris en considération dans ce projet concerne le manque de données scientifiques sur l’effet d’un ajustement dédié de l’apport en air comburant au cours de la combustion (quantité, point d’injection, température) sur les émissions. Une fois ces verrous levés, il sera alors possible de développer et mettre en œuvre de nouvelles solutions innovantes pour réduire les émissions particulaires du chauffage au bois, comme cela est proposé dans ce projet. En conséquence, outre les résultats détaillés des campagnes expérimentales qui seront menées, le projet RéParBOIS aboutira à l’émission de recommandations pour le développement de solutions de réduction des émissions de particules du chauffage au bois. Un dépôt de brevet(s) sur les solutions étudiées au cours de ce projet est également envisagé.
Bénéficiaire : CTRE SCIENTIFIQUE TECHNIQUE DU BATIMENT
Localisation : Nantes, Pays de la Loire, FRANCE
Début : 01/06/2026 — Durée : 36 mois
Budget total : 571141.33 € — Aide ADEME : 213868.51 €
Statut : Suivi du projet