Etude expérimentale et développement d’un dispositif d’abattement des particules générées par les chaudières biomasses par injection et condensation de vapeur d’eau
Acronyme : APaChE (AQACIA 2024)
Programme : AQACIA 2024 - Gérer les pollutions à l’ozone et sectorielles
Mots-clés : Energie / Qualité de l'air
Contexte : Le chauffage au bois est un mode de chauffage traditionnel. De par la disponibilité sur le territoire et le caractère naturel et renouvelable de ce combustible, il est souvent perçu comme écologique par les usagers car considéré comme neutre vis-à-vis des émissions de dioxyde de carbone. Le bois énergie est de ce fait la première source d’énergie renouvelable utilisée en France. Cependant le chauffage au bois est également connu pour être un contributeur significatif à la pollution de l'air. La combustion du bois, et de la biomasse de manière générale, libère en effet des particules fines (PM2.5), submicroniques (PM1) et ultrafines (PM0.1), du monoxyde de carbone (CO), des composés organiques volatils (COV) et d'autres polluants toxiques. Il est aujourd’hui reconnu que ces émissions gazeuses et particulaires ont un impact sanitaire certain. Elles peuvent engendrer ou aggraver des maladies cardiovasculaires, respiratoires ou neurologiques et conduire à une réduction de l'espérance de vie [1]. Les quantités émises de ces polluants par les appareils de chauffage au bois sont variables selon les caractéristiques de l’appareil, du combustible et le mode de fonctionnement de l’appareil [2,3]. Ainsi, comme l’indique le CITEPA dans son inventaire Secten 2023 [4], la substitution des combustibles fossiles (gaz naturel, fioul) par de la biomasse pourrait contribuer, dans les prochaines années, à une augmentation des émissions de particules, prises dans leur ensemble, quelle que soit leur taille. Ces particules sont communément nommées Total Suspended Particules (TSP) et sont mesurées en masse. Les installations bois énergie représentent aujourd’hui 59% des émissions nationales françaises de PM2.5. L’exposition aux PM2,5 est responsable de 40 000 décès par an selon Santé Publique France. Le secteur résidentiel/tertiaire, principalement au travers de la combustion de la biomasse, représente 68% des 170 kt de PM2.5 émises en 2023 [5]. Les mesures nationales prévues dans les axes 1 à 4 du plan national pour limiter les émissions du chauffage au bois doivent permettre d’atteindre une baisse des émissions annuelles de PM2,5 du chauffage au bois supérieure à 30% entre 2020 et 2030. Parmi les PM2.5 se trouvent les particules submicronique (PM1). La toxicité des particules est liée à leur composition et à leur taille. Plus les particules sont fines, plus elles sont capables de pénétrer profondément dans l’arborescence pulmonaire et de passer par la circulation sanguine vers d’autres organes [6]. La combustion du bois représente 82% des émissions totales de PM1, à savoir 136 kt, en 2023 [5]. Différents types d’appareils de chauffage au bois sont aujourd’hui disponibles. On distingue notamment les appareils domestiques indépendants (poêle, insert ou chaudières à bois bûches ou granulés), les chaudières domestiques collectives et les centrales thermiques. Les deux premiers groupes sont ceux qui participent quasi exclusivement aux émissions de PM1 dues à la combustion du bois, en particulier parce qu’ils ne sont pas dotés de systèmes de post traitements des fumées, telles que des techniques de dépoussiérages, contrairement aux centrales thermiques à bois. La création en 2000 du Label Flamme Verte, pour la promotion d’appareils de chauffage au bois performants énergétiquement et d’un point de vue environnemental, la connaissance des impacts sanitaires liés notamment aux émissions de particules fines et la mise en place d’une réglementation européenne environnementale depuis 2020, conduisent les acteurs de ce marché à rechercher des solutions techniques visant à diminuer les émissions de polluants avec un intérêt marqué pour les émissions de particules fines et ultrafines. Au cours des deux dernières décennies, au niveau national, de nombreuses études ont été menées pour améliorer les performances énergétiques et environnementales des appareils domestiques de chauffage au bois [7-12]. Ces études de recherche et développement ont permis aux fabricants de mettre au point des technologies de traitement primaire pour optimiser la combustion, en termes d'efficacité énergétique et de réduction des émissions de composés gazeux et des émissions totales de particules en suspension (TSP) mesurées en masse [13]. Cependant les évolutions technologiques apportées tendent à induire des émissions de particules de plus en plus fines. On entend par particules fines les particules dont le diamètre est inférieur à 2,5 mm (PM2.5) et ultra fines celles dont le diamètre est inférieur à 0,1 mm (PM0.1). Or les particules ultra fines, par définition, participent peu à la masse totale des particules émises (TSP). De ce fait il est important, pour évaluer l’impact des appareils de chauffage en termes d’émissions de PM2.5, PM1 et PM0.1, que celles-ci soient mesurées en nombre et non en masse. De l’ensemble des études menées sur ce sujet, il ressort que la réduction des émissions de PM2.5, PM1 et PM0.1 doit nécessairement passer par la mise en œuvre d’un système de post traitement spécifique des fumées de sorte que ce mode de chauffage puisse atteindre des niveaux réglementaires plus stricts à l'avenir et être pleinement considéré comme un moyen durable d’assurer une production d’énergie renouvelable. A ce titre, les systèmes de filtration suscitent un intérêt croissant. Ces dispositifs sont aujourd’hui largement utilisés dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) pour améliorer la qualité de l'air intérieur. De tels systèmes sont également commercialisés pour des applications au niveau des appareils indépendants ou chaudières collectives. En effet, plusieurs acteurs du marché proposent ce type de solutions, que ce soient des fabricants d’appareils, avec un système de filtration directement intégré au produit, des fabricants de conduits, avec des filtres électrostatiques, ou encore des entreprises spécialisées dans la production et la distribution de ces filtres (plusieurs technologies sont disponibles). Cependant peu de retour d'informations sur l'efficacité du produit, sa durée de vie et l’entretien à apporter sont disponibles. Il semble notamment que les efficacités soient mesurées à partir d’analyses de la masse de particules éliminées, ce qui n’inclut que faiblement les émissions de particules fines. D’autre part il semble que les filtres catalytiques sont fragiles et doivent être entretenu régulièrement avec un changement au minimum tous les 5 ans. L’installation d’électrofiltres nécessite quant à elle de l’espace et la proximité avec une source d’énergie électrique. Le prix de ces procédés de post-traitements s’avère également être un frein à leur mise en place, notamment en rénovation une installation de chauffage déjà présente dans le logement. D’autres solutions que celles d’intégration d’un matériau filtrant et/ou catalytique au sein du conduit ou au niveau de la chambre de combustion peuvent être envisagées. Le lavage des fumées, au moyen de la mise en œuvre d'une colonne de lavage placée en sortie de chaudière, telle que réalisé à l’échelle industrielle, n’est pas envisageable du fait des problèmes d'encombrement, de corrosion que l’adhérence de l’eau de lavage sur les parois de conduit peut entrainer et des volumes importants d’eau à retraiter. Cependant un procédé de condensation, coalescence et récupération des particules fines pourrait constituer une solution plus adéquate. Un tel procédé consisterait à refroidir modérément les fumées pour permettre la condensation de la vapeur d'eau, tout en évitant la condensation des goudrons et composés acides pouvant conduire à la formation de bistre et l'encrassement du conduit et la dégradation de la combustion. L'état de connaissance actuel des procédés de lavage semi-sec laisse présager que la condensation de la vapeur d'eau favorisera, outre la libération de la chaleur latente, l'élimination, par lavage naturel des particules hydrosolubles. La création d'un organe favorisant la turbulence, en complément, favorisera la coalescence des particules fines, formant ainsi des particules plus grosses, limitant ainsi tout ou partie de leurs émissions. Ce projet APaChE de recherche industrielle a pour objectif d’étudier la faisabilité de développement d'un tel dispositif de post traitement innovant, reposant sur la condensation des PM1 et PUF, dans les conduits d’évacuation des fumées de chaudières biomasse pour petit collectifs (Puissance <50 kW). Ce dispositif sera conçu pour équiper les installations neuves mais également les installations existantes en « retrofit ».
Description : L’objectif principal du projet APaChE est de mettre au point un dispositif d’abattement des particules, incluant les PM1, les PUF et les composés condensables, dans les fumées issues de la combustion de biomasse dans des installations destinées à des petits collectifs de logements pour particuliers, typiquement des chaudières automatiques à granulés ou à bûches de puissance inférieure à 50kW. Ce dispositif sera conçu pour équiper les installations neuves mais également les installations existantes en « retrofit ».
Objectifs et résultats attendus : L’objectif principal du projet APaChE est de mettre au point un dispositif d’abattement des particules, incluant les PM1, les PUF et les composés condensables, dans les fumées issues de la combustion de biomasse dans des installations destinées à des petits collectifs de logements pour particuliers, typiquement des chaudières automatiques à granulés ou à bûches de puissance inférieure à 50kW. Pour avoir l’impact le plus bénéfique possible sur les émissions ce dispositif devra répondre à plusieurs contraintes : pouvoir s’adapter à toutes nouvelles installations mais aussi permettre le « retrofit » d’installations existantes. ne pas utiliser de source d’énergie externe ne pas augmenter notablement les opérations de maintenance courantes sur l’installation Un dispositif basé sur la condensation de vapeur d’eau, contenue dans les fumées et une injection complémentaire, opération qui peut s’assimiler à un dispositif de lavage semi-sec des fumées sur une application industrielle, répond parfaitement à l’ensemble de ces critères. A l’échelle industrielle, ce type de dispositif atteint des performances d’abattement de plus de 90% (en nombre et masse). Ce taux sera également, l’objectif visé dans le cadre de ce projet pour ce nouveau dispositif. Les polluants ainsi piégés dans les fumées seront récupérés sous forme condensée en pied du conduit de fumées. Contrairement à un dispositif de filtration classique ou électrostatique, la mise en œuvre du principe de condensation permettra d’envisager la récupération des composés organiques condensables contenus dans les fumées. Cela constitue un objectif secondaire très intéressant d’un point de vue impact sanitaire des émissions de chauffage au bois. En effet, les dispositifs classiques, n’ont habituellement, de par leurs principes de fonctionnement, qu’une faible action d’abattement sur les quantités émises de composés organiques condensables. Au stade actuel, les risques identifiés reposent sur le fait qu’il n’existe pas de contacteur spécifiquement dédié à ce type d’application. Un contacteur est défini comme un dispositif technique développé et mis en oeuvre au sein du conduit d'évacuation des fumées équipant l'appareil de chauffage permettant ainsi le piégeage des particules contenues dans les fumées issues de la combustion. Le projet s’attachera donc à développer ce contacteur et à caractériser son efficacité sur un effluent réel généré par une chaudière biomasse. Les capacités du consortium portant ce projet constituent la meilleure réponse à ce risque. Le laboratoire de recherche en génie des procédés (SATT-LGRE), porteur de ce projet, possède les plateformes d’essais instrumentées de combustion de biomasse et l’expérience de ce type de projet de recherche, à l’échelle pilote, à la fois en connaissances nouvelles et appliquée. L’expérience provenant du portage ou de la participation à plusieurs projets (CORTEA/AQACIA) dans le domaine : EMIPAR, TURMIQUE, DENSICOMB, Espace Bois, PREPABOIS, TACFEP, GRACE, EVOLUTIONBOIS, CATACOMB… La société JONCOUX, second partenaire de ce projet est une entreprise spécialisée dans la fumisterie au travers de la création, la fabrication et la commercialisation de conduit de fumées.
Bénéficiaire : SATT CONECTUS ALSACE
Localisation : Mulhouse, Grand Est, FRANCE
Début : 01/12/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 526118.4 € — Aide ADEME : 211510 €
Statut : Suivi du projet