CHAUFFAGE DOMESTIQUE AU BOIS : EXPLORATION DES ASPECTS ECONOMIQUES, TECHNIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX.

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1 CHAUFFAGE DOMESTIQUE AU BOIS : EXPLORATION DES ASPECTS ECONOMIQUES, TECHNIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX. Olivier ULRICI Juin 2013

2 Sommaire Liste des abréviations / Lexique... Liste des figures et tableaux... 1.Introduction L étude et ses éléments déclencheurs La mission et ses enjeux Méthodologie Limites de l étude La forêt wallonne Le secteur du bois et de ses produits connexes La filière bois-énergie Introduction Ressources d origine forestière disponibles Représentativité du bois-énergie parmi les énergies renouvelables Récapitulatif Le bois de chauffage domestique Représentativité du bois de chauffage domestique parmi les énergies renouvelables Représentativité du bois de chauffage domestique toutes énergies confondues Evolution de la consommation en Région wallonne et comparaison interrégionale Récapitulatif Combustibles : Le bois et ses dérivés Rappel des principaux paramètres de caractérisation Combustibles Tableau synthétique des avantages et des inconvénients Tableau synthétique des caractéristiques des principaux combustibles bois Récapitulatif Technologies résidentielles de valorisation du bois-énergie Analyse du parc existant Les systèmes de chauffage domestique Tableau synthétique des avantages et des inconvénients Tableau synthétique des caractéristiques des appareils de chauffage domestiques Récapitulatif La combustion du bois et ses impacts sur l environnement Composition chimique du bois Combustion du bois Les émissions de polluants atmosphériques Tableau synthétique des différentes émissions polluantes issues de la combustion Récapitulatif Comparaison avec les combustibles fossiles D un point de vue énergétique D un point de vue environnemental D un point de vue économique Récapitulatif Conclusions Annexes Bibliographie... 54

3 Liste des abréviations / Lexique ACV : analyse du cycle de vie Air primaire : l air primaire alimente la base des flammes pour assurer la combustion du bois Air secondaire : l air secondaire assure la combustion des gaz Anhydre : qui ne renferme pas d eau Biomasse : ensemble de la matière organique animale ou végétale Bocager : relatif au paysage de champs enclos de haies Bois B : bois pollué Bois d œuvre : bois qui est destiné à être travaillé et ne sert pas à la chauffe Bois de rebut : bois de très mauvaise qualité Bois rémanent : bois restant après une coupe cal : calorie cm : centimètre Comburant : corps qui provoque la combustion d'un autre corps avec lequel il est combiné Convecteur : appareil de chauffage électrique conçu pour tirer parti du déplacement de l'air froid vers les surfaces chauffées Convection : transfert de la chaleur dans un fluide par déplacement des molécules vers les zones de moindre densité COV(NM) : composés organiques volatils (non méthanique) Degrés-jours 15/15 : les degrés-jours donnent une image du profil moyen des besoins en chauffage d une habitation en Belgique DGSIE : Direction Générale des Statistiques et de l Information Economique G : 10 6 g : gramme Grume : tronc d arbre abattu qui a conservé son écorce h : heure HAP : hydrocarbures aromatiques polycycliques

4 Houppier : ensemble des branches situées au sommet du tronc de l arbre IR : infrarouge J : joule k : 10 3 l : litre m 3 : mètre cube Matériau réfractaire : matériau qui résiste à de hautes températures mm : millimètre MS : matière sèche PAC : pompe à chaleur Pouvoir calorifique: terme permettant d'appréhender la quantité d'énergie de chaleur dégagée par l'effet de combustion d'un élément en présence d'oxygène Rayonnement : processus de propagation de l'énergie dans le vide ou dans un milieu matériel Sous-produit : produit de moindre importance obtenu lors de la fabrication du produit principal Stère : quantité de bois correspondant à un volume extérieur de 1 m 3. Compte tenu des vides, cela représente environ 0,6 m 3 ou 500 kg de bois ou 1500 kwh. t : tonne Taillis à (très) courtes rotations : culture intensive de jeunes arbres TAS : temps d amortissement du surcoût th : thermique Tirage : mouvement ascensionnel des gaz chauds dans un conduit de fumée TRI : temps de retour sur investissement Turbo : ventilateur chargé de forcer la circulation de l air dans une chaudière W : watt

5 Liste des figures et tableaux Tableau 1: Principaux produits connexes de la filière bois (Valbiom, 2004)... 4 Tableau 2: Schéma des différents flux de la filière bois (Office économique wallon du bois, 2013)... 5 Tableau 3: Détail du calcul du potentiel technique en énergie primaire d'origine forestière directe et indirecte (Valbiom, 2010)... 7 Tableau 4: Evolution de la contribution de la biomasse et du hors biomasse dans le total de consommation intérieure brute d'énergies renouvelables en Wallonie (ICEDD, 2012)... 9 Tableau 5: Contribution des différentes sources d'énergie dans la consommation intérieure brute d'énergies renouvelables en Wallonie en 2010 (ICEDD, 2012)... 9 Tableau 6: Production nette de chaleur renouvelable en Wallonie ( ) (ICEDD, 2012)... 9 Tableau 7: Part des énergies dans le total d'énergies primaires de type biomasse en Wallonie en 2010 (ICEDD, 2012) Tableau 8: Consommation du secteur résidentiel (ICEDD, 2012) Tableau 9: Evolution de la consommation par vecteur du logement Tableau 10: Evolution de la consommation de bois de chauffage dans le secteur résidentiel (ICEDD, 2012) Tableau 11: Evolution de la production primaire de bois résidentiel en Belgique (ICEDD, 2012) Tableau 12: PCI indicatif de divers combustibles (Valbiom, 2004) Tableau 13: Relation entre l'humidité et le pouvoir calorifique inférieur du bois (Valbiom, 2004) Tableau 14: Tableau synthétique des avantages et des inconvénients liés à chaque combustible...17 Tableau 15: Tableau synthétique des caractéristiques des principaux combustibles bois (Renouvelle, 2012 ; Valbiom, 2013) Tableau 16: Nombre de logements au chauffage au bois et superficies boisées en Région wallonne (ICEDD, 2013) Tableau 17: Consommation du bois par type de logement et d'usage (2010) (ICEDD, 2012) Tableau 18: Tableau des niveaux de rendement et des émissions de monoxyde de carbone règlementaires en Belgique (Moniteur Belge, 2010) Tableau 19: Tableau des émissions de particules règlementaires en Belgique (Moniteur Belge, 2010) Tableau 20: Tableau synthétique des avantages et des inconvénients liés à chaque système de chauffage Tableau 21: Tableau synthétique des caractéristiques des appareils de chauffage domestiques (ADEME, 2012 ; Valbiom, 2004) Tableau 22: La photosynthèse, accumulation d'énergie dans les végétaux (Valbiom, 2004)...29 Tableau 23: La combustion, libération de l'énergie contenue dans le bois (Valbiom, 2004) Tableau 24: Principaux polluants résultant de la combustion (Renzoni, 2013) Tableau 25: Emissions de poussières totales de différents appareils, rapportées en unité d'énergie entrante (Sawerysyn, 2012) Tableau 26: Emissions de CO de différents appareils, rapportées en unité d'énergie entrante (Sawerysyn, 2012) Tableau 27: Tableau synthétique des différentes émissions polluantes issues de la combustion (Actu- Environnement, 2013 ; Renzoni, 2013 ; Smitz, 2012 ; Valbiom, 2009) Tableau 28: Comparaison des PCI caractérisant de différents combustibles (Sawerysyn, 2012) Tableau 29: Le cycle du carbone et des minéraux engendré par le chauffage au bois (Valbiom, 2004) Tableau 30: Facteurs d'émission des appareils classiques ou au bois en g/gj sortant (Belboom, Renzoni, & Leonard, 2011) Tableau 31: Emissions de kg éq CO2 et énergie utile rendue par énergie non renouvelable consommée en fonction du combustible et de l'appareil (Belboom, Renzoni, & Leonard, 2011) Tableau 32: Emissions de gaz à effet de serre du chauffage domestique (Belboom, Renzoni, & Leonard, 2011) 39 Tableau 33: Tableau synthétique des coûts relatif à chaque type de chaudière (Cheminées Liégeois, 2013 ; Girretz Pierre, 2013 ; Renouvelle, 2012 ; Valbiom ; 2006)...41 Tableau 34: Tableau reprenant les temps d'amortissement des surcoûts des différentes chaudières...42 Tableau 35: Tableau reprenant les temps de retour sur investissement par rapport à une chaudière au mazout 44 Tableau 36: Tableau synthétique des coûts relatif à chaque type de chauffage d'appoint (Cheminées Liégeois, 2013 ; Girretz Pierre, 2013 ; Renouvelle, 2012 ; Valbiom ; 2006) Tableau 37: Calcul du coût annuel pour chaque type de chauffage d'appoint en fonction de la consommation. 48 Tableau 38: Evolution des prix ces 5 dernières années (Renouvelle, 2012) Tableau 39: Evolution du TRI en fonction du prix du mazout Tableau 40: Evolution du TRI en fonction de la consommation d'énergie... 49

6 1. Introduction 1.1. L étude et ses éléments déclencheurs Depuis sa domestication, il y a plus de ans, l Homme fait usage du feu. A partir du 17 ème siècle, les recours au charbon d abord, au pétrole ensuite et au gaz naturel plus récemment l ont progressivement remplacé sur le devant de la scène. Ces dernières années, le développement de combustibles dérivés du bois et de meilleures technologies de combustion attire néanmoins à nouveau l attention. Si avec le temps de nombreuses améliorations ont vu le jour, les considérations pour l environnement se sont, elles, également amplifiées. Pour ce qu avant, des flammes témoignaient d une combustion réussie;; aujourd hui des mots comme ressource, rendement, pollution viennent tempérer ces ardeurs. Enfin, si le feu a toujours passionné l Homme, nous essayerons de voir dans ce travail dans quelles mesures celui-ci contribue réellement à notre bien-être en tant que système de chauffage domestique au bois La mission et ses enjeux A travers les différents chapitres, nous tenterons de répondre aux questions suivantes : Le chauffage au bois est-il économique à l heure actuelle vis-à-vis des combustibles fossiles? Quelles sont les perspectives futures? Qu en est-il des aspects environnementaux liés à la combustion du bois? 1.3. Méthodologie La structure de l étude a pour but de permettre au lecteur d acquérir au fur et à mesure des chapitres les connaissances nécessaires lui permettant d aborder le dernier chapitre, reprenant tous les concepts, sans difficulté. La structure en est la suivante : La filière bois-énergie et une estimation des ressources disponibles sont introduites afin d offrir une rapide vue d ensemble du secteur. Le bois et ses combustibles dérivés ainsi que les systèmes de chauffage existants sont présentés en détails, après les rappels d usage, dans des chapitres distincts, avec un tableau chiffré reprenant toutes les informations importantes à la fin. Après avoir expliqué les principes de base de la combustion, les émissions atmosphériques associées au feu de bois sont exposées avec leurs conséquences sur l environnement. A l entame de ce dernier chapitre, le lecteur dispose à présent de toutes les données lui permettant de comprendre le comparatif bois - combustibles fossiles en termes de pouvoir calorifique, de pollution et de coûts. 1

7 1.4. Limites de l étude Il n a malheureusement pas été possible d aborder toutes les sous-questions relatives à cette vaste thématique. Des choix ont donc dû être effectués : Les statistiques et ressources étudiées se limitent au cadre spatial de la Région wallonne. L étude se focalise sur l usage du bois dans le secteur de l énergie, et plus précisément pour le chauffage domestique. L usage matière n est donc pas ou peu considéré. L analyse des ressources disponibles et du nombre de ménages se chauffant au bois est basée sur des estimations et extrapolations. La biomasse en tant que telle est difficilement quantifiable tandis que les statistiques d auto-consommation du bois de chauffage par les ménages ne sont pas connues précisément. Le présent rapport ne se veut pas exhaustif pour chaque aspect étudié mais fournit au lecteur des conseils et une base d information utile sur le chauffage domestique au bois. Le système de chauffage collectif à travers un réseau de chaleur alimenté par une chaudière à bois n est pas abordé dans ce travail. Les appareils et combustibles étudiés sont ceux les plus couramment rencontrés. Notamment, les innovations technologiques, agro-combustibles et bois b (bois pollué) ne sont pas repris dans cette analyse. Au niveau environnemental et de la santé, l étude se limite à énoncer les impacts primaires. L étude des conséquences et des moyens de remédiations pouvant faire l objet d un mémoire à part entière. Au niveau économique, une analyse simplifiée a été réalisée. L utilisation de méthodes et outils complémentaires n étant pas nécessaire et compliquant probablement d avantage la compréhension du lecteur. Comme annoncé, nous commencerons donc notre étude par une présentation générale du secteur du bois, en passant de la forêt à l industrie, avant de nous focaliser d avantage sur la filière énergie du bois. 2

8 2. La forêt wallonne D après le Département Nature et Forêts (2013) et l Office Economique Wallon du Bois (2013), en Wallonie, la forêt couvre ha, soit environ un tiers du territoire (dont environ ha sont productifs) ce qui la place sur le même pied que les moyennes européenne et mondiale. Depuis le milieu du 19 ème siècle, la surface forestière a cru de ha, ce qui représente un gain de plus de 75 %. Un équilibre y règne entre les essences de bois feuillus (53 %) et essences de bois résineux (47 %), de même qu entre les forêts privées (51,8 %) et les forêts publiques (48,2 %) (Etat, Région, Provinces, Communes, CPAS, Fabriques d églises,...). Les bois feuillus sont dominés par le chêne (35,2 % de la surface terrière) et par le hêtre (19,8 %) alors que du côté des résineux, l épicéa (73,2 %), supplante largement douglas, mélèze et autres pins. L ensemble du bois sur pied s élève à environ m 3 et avec un accroissement annuel de 6 à 7 m 3 /ha/an, la forêt wallonne est capable de produire environ m 3 de bois par an. De cette production, m 3 (95% de l accroissement) sont récoltés dans un esprit de gestion durable ( m de grumes pour les bois résineux et de m de grumes pour les bois feuillus). Actuellement, la tendance est donc à la capitalisation de bois sur pied : on exploite moins que la production. Les volumes prélevés alimentent, du moins partiellement, un panel d utilisateurs de plus en plus large, aux besoins en bois sans cesse croissants, et dont la satisfaction est devenue un enjeu crucial de leur développement. 3

9 3. Le secteur du bois et de ses produits connexes Le secteur du bois, dans son ensemble, est relativement complexe avec des coproduits circulant à différents niveaux. L association Valbiom (2004) le schématise de la manière suivante : 1. Production biologique (bois sur pied, y compris «bois agricole») ; 2. Exploitation forestière conduisant à la production de trois types de matières : 2.1. le bois d œuvre 2.2. le bois d industrie, 2.3. le bois-énergie (ou bois de chauffage) ; 3. Les industries de la première transformation du bois (scieries, entreprises de tranchage - déroulage,...) ; 4. Les industries de la seconde transformation (menuiseries, charpenteries, industrie du meuble, fabriques de panneaux, de pâte à papier,...) ; 5. Le bois de rebut ou bois en fin de vie destiné au recyclage. A chacune de ces étapes, outre la production de matériaux en bois, d autres produits apparaissent, généralement appelés «produits connexes» ou «coproduits». Etape Produits connexes Exploitation forestière Sciures, copeaux, plaquettes, chutes diverses Industries de la première transformation Ecorces, sciures, plaquettes, chutes diverses Industries de la seconde transformation Copeaux, sciures, chutes diverses Bois de rebut Plaquettes Tableau 1: Principaux produits connexes de la filière bois (Valbiom, 2004) A ces étapes «classiques» de la filière bois, il convient d ajouter d autres sources potentielles de combustibles ligneux : entretien des bords de route, des bordures de voies de chemin de fer, haies et arbres isolés, etc. Ces coupes sont souvent débitées et laissées sur place. 4

10 Le graphique suivant illustre les circuits et les recoupements des différents flux de bois à travers la structure complexe du secteur. Tableau 2: Schéma des différents flux de la filière bois (Office économique wallon du bois, 2013) On remarque que le chauffage domestique, situé au sein de la filière bois-énergie, objet du chapitre à venir, ne représente qu une petite partie de l entièreté du secteur du bois. 5

11 4. La filière bois-énergie Après une brève introduction sur la filière, nous évaluerons les ressources disponibles de bois en Région wallonne avant de situer la position du bois-énergie parmi les autres sources d énergies renouvelables Introduction La filière bois-énergie peut être résumée par le regroupement de toutes les étapes qui vont «de l arbre à la cendre». Elle s intègre dans la structure traditionnelle du secteur du bois et en reprend généralement les étapes suivantes : récolte du bois, première transformation (déchiquetage, par exemple), transport, stockage, livraison au client final. Elle concerne aussi bien le domaine public (réseaux de chaleur alimentant des bâtiments publics), que les entreprises (séchoirs alimentés par les produits connexes de scierie, par exemple) ou le chauffage domestique. (Valbiom, 2013) 4.2. Ressources d origine forestière disponibles Les questions qui se posent d emblée sont les suivantes : «Y a-t-il assez de bois en Wallonie pour assurer le développement de son usage comme combustible? N y a-t-il pas un risque de concurrence avec les autres utilisations (panneaux de particules, pâte à papier?)» En toute transparence, on peut affirmer qu il n y a pas assez de bois en Région wallonne pour couvrir l ensemble de ses besoins énergétiques, mais uniquement une partie. Néanmoins, si l on considère une utilisation «raisonnable» du bois pour produire de l énergie (utilisation par les particuliers, auto-consommation des industries de la filière bois, petits réseaux de chaleur dans des communes rurales), il n y a aucun risque de concurrence avec les autres utilisations traditionnelles. (Valbiom, 2013) 6

12 Le tableau suivant, réalisé par l association Valbiom (2010), synthétise le potentiel technique d origine forestière actuel et futur. Pour 2020, il y est supposé que les usages matière resteront constants et que l accroissement de consommation énergétique correspond aux projets prévus au moment de la réalisation de l étude (en 2010 : 493 kt MS). Tableau 3: Détail du calcul du potentiel technique en énergie primaire d'origine forestière directe et indirecte (Valbiom, 2010) Le potentiel bois rémanents 1 et sous-produits total s élève à kt MS en Les deux sources les plus importantes sont les rémanents d exploitation et les sous-produits de l industrie de la transformation dont une certaine quantité est actuellement exportée (5.862 t MS, soit 30 GWh). Le bois de chauffage est repris dans les rémanents d exploitation puisque les bûches sont produites à partir des houppiers feuillus. Les pellets et les briquettes étant composés de sciure, ils sont considérés comme inclus dans les sous-produits de la transformation du bois. Le bois issu des parcs à conteneurs et les sous-produits de l industrie papetière étant considérés comme valorisables uniquement sous forme de combustible, une certaine partie des ressources disponibles se retrouve en concurrence entre une valorisation matière et une valorisation énergie (1.576 kt MS). Connaissant les utilisations matières (1.960 kt MS), les utilisations énergies (1.082 kt MS) et en tenant compte de la centrale de production d électricité aux pellets des Awirs (400 1 Il est important de préciser que le potentiel de rémanents identifié n inclut pas les branches et brindilles de diamètre inférieur à 7 cm qui subsistent sur le site et participent ainsi au retour des éléments minéraux au sol. 7

13 kt MS), il nous est possible d estimer les importations nettes réalisées (1.678 kt MS) et, avec une moindre fiabilité, à réaliser pour 2020 si les projets en cours voient le jour (493 kt MS). La Wallonie est donc importatrice nette de biomasse d origine forestière mais exclusivement pour l approvisionnement des Awirs et les utilisations comme matière première. Le potentiel technique est dès lors ici défini comme l utilisation actuelle de biomasse forestière à des fins énergétiques augmentées des nouvelles ressources indigènes qui pourraient être mobilisées. Si on considère un niveau identique d activités d ici 2020, un potentiel supplémentaire d utilisation de bois à des fins énergétiques serait donc inexistant, sauf en imaginant une augmentation de l importation, une réduction des exportations et/ou une mobilisation de nouvelles ressources. Sans entrer en compétition avec l utilisation matière et sans importation, le potentiel techniquement disponible pour 2020 est donc estimé à kt MS, soit GWh d énergie primaire Représentativité du bois-énergie parmi les énergies renouvelables Voyons à présent quelle est la consommation d énergie en Région wallonne issue du renouvelable et quelle place occupe la filière parmi ces différentes sources. Tableau 4: Evolution de la contribution de la biomasse et du hors biomasse dans le total de consommation intérieure brute d'énergies renouvelables en Wallonie (ICEDD, 2012) Consommation d énergie renouvelable: Ce graphique présente l importante progression de la consommation intérieure brute des énergies renouvelables en Wallonie, passant de 3.0 TWh inventoriés en 1990, à 13.6 TWh en La contribution de la biomasse est de loin la plus importante (90,6%). 8

14 Répartition des sources d énergies renouvelables : 65% de l énergie primaire proviennent du bois (sousproduits forestiers et bois de chauffage), 12% de l incinération de déchets (ménagers ou combustibles de substitution), 4% de la biométhanisation, 10% des biocarburants et le solde (9.4%) du hors biomasse. Tableau 5: Contribution des différentes sources d'énergie dans la consommation intérieure brute d'énergies renouvelables en Wallonie en 2010 (ICEDD, 2012) En repartant des pourcentages présentés ci-dessus, la production nette de chaleur associée à la filière bois-énergie en Wallonie est estimée à 4,6 TWh pour l année Le tableau suivant permet de comparer les évolutions des productions de chaleur nettes issues des différentes sources renouvelables. Tableau 6: Production nette de chaleur renouvelable en Wallonie ( ) (ICEDD, 2012) Il en ressort que le pourcentage de la production de chaleur issue de biomasse solide (chauffage bois et sous-produits végétaux et animaux) a globalement diminué lors des 20 dernières années au profit de technologies plus récentes (solaire, PAC, bio-carburants, etc.). 9

15 4.4. Récapitulatif On peut retenir de ce chapitre que kt MS de bois wallons sont actuellement dédiées à une utilisation énergie. Sauf augmentation de l importation, réduction des exportations ou mobilisation de nouvelles ressources, un potentiel supplémentaire d utilisation de bois à des fins énergétiques est inexistant. La filière bois-énergie (sous-produits forestiers et bois de chauffage) contribue pour 65% à la production d énergie primaire renouvelable, ce qui représente environ 4,6 TWh pour l année

16 5. Le bois de chauffage domestique Dans le chapitre qui suit, nous nous pencherons d avantage encore sur le sujet qui nous intéresse : le chauffage domestique au bois. Après un rapide calcul de la production qu il représente, nous évaluerons sa place tant au sein des énergies renouvelables que des énergies conventionnelles de productions de chaleur des ménages Représentativité du bois de chauffage domestique parmi les énergies renouvelables Par rapport au dernier paragraphe du chapitre précédent où toutes les sources d énergies renouvelables étaient représentées, le graphique ci-dessous met encore d avantage en évidence le secteur de la biomasse, solide et liquide. Tableau 7: Part des énergies dans le total d'énergies primaires de type biomasse en Wallonie en 2010 (ICEDD, 2012) Le bois de chauffage résidentiel représente 12,6% de ce secteur. La production d énergie primaire y correspondant peut être calculée à partir des informations recueillies de la section précédente et équivaut à : Total renouvelable: 100% 13,60 TWh Biomasse: 90,60% 12,32 TWh Bois de chauffage résidentiel: 12,60% 1,55 TWh (11% du total) 11

17 5.2. Représentativité du bois de chauffage domestique toutes énergies confondues Si le podium de la consommation domestique de combustibles est occupé sans surprise dans l ordre par les produits pétroliers, le gaz naturel et l électricité avec respectivement 42%, 31,5% et 20,3%, il reste néanmoins intéressant de visualiser leur évolution. Au vu du tableau à venir, on notera ainsi que les produits pétroliers sont en diminution par rapport à il y a 5 ans et cèdent leurs parts du marché aux deux concurrents directs. Tableau 8: Consommation du secteur résidentiel (ICEDD, 2012) Tableau 9: Evolution de la consommation par vecteur du logement La consommation énergétique totale du secteur résidentiel en 2010 est supérieure de 6 % à son niveau de Par contre, la consommation énergétique par logement a, elle, diminué. Ceci s explique par l amélioration du bâti, la modification de la structure du parc (part croissante d appartements), une diminution de la taille des ménages, et la croissance des prix parallèlement à la baisse des revenus. (ICEDD, 2012) Le bois ne représente que 4,5% de la consommation énergétique domestique mais est néanmoins en augmentation. 12

18 5.3. Evolution de la consommation en Région wallonne et comparaison interrégionale Dans ce paragraphe, nous verrons brièvement où se situe la Région wallonne par rapport aux autres régions et par rapport au niveau fédéral. Tableau 10: Evolution de la consommation de bois de chauffage dans le secteur résidentiel (ICEDD, 2012) Tableau 11: Evolution de la production primaire de bois résidentiel en Belgique (ICEDD, 2012) En Wallonie, la consommation de bois résidentielle a progressé de 7% entre 2009 et 2010 et par rapport à 1990 la consommation a quasi doublé, avec une progression de 94%. Avec ses 57% au niveau belge, la Région wallonne produit plus de chaleur que la Région flamande. Ceci peut notamment s expliquer par la répartition des ressources forestières sur le territoire. L écart entre les deux diminue néanmoins. Il ne faut cependant pas oublier que les comparaisons interrégionales doivent être effectuées avec prudence et ce pour deux raisons : Les nombreuses hypothèses sous-jacentes à l estimation et les méthodologies de rapportage sont différentes entre celles-ci Une partie importante du bois consommé pour le chauffage échappe aux statistiques de ventes, notamment celui issu de la taille et de l élagage du jardin de particuliers qui est utilisé directement sur place Récapitulatif Inclus dans la filière bois-énergie, le bois de chauffage résidentiel compte pour 1,55 TWh de production d énergie primaire, ce qui correspond à 11% du renouvelable et à 4,5% du total toute source d énergie confondue. Malgré son augmentation de 93% depuis 1990, le bois apparaît loin derrière le trio de tête composé par le mazout, le gaz naturel et l électricité au niveau domestique. Sans surprise, au niveau national, la Région wallonne, avec ses 57% de production primaire, supplante les deux autres Régions. 13

19 6. Combustibles : Le bois et ses dérivés Ce chapitre aura comme objectif de présenter les combustibles à base de bois plus ou moins communément utilisés par les ménages : les bûches et les pellets, les plus connus, mais également les plaquettes et les briquettes, moins répandues. Après un bref rappel théorique des facteurs auxquels porter attention, les différents combustibles seront décrits avant de laisser place à deux tableaux, l un résumant les avantages et inconvénients, l autre les chiffres clés pour la suite de l analyse Rappel des principaux paramètres de caractérisation Dans le cas du bois, trois paramètres feront la différence entre un bon et un mauvais combustible : son contenu énergétique, son taux d humidité et sa masse volumique. Ils sont exposés par la suite Contenu énergétique Le contenu énergétique du bois est exprimé par son pouvoir calorifique. Il représente la chaleur dégagée par sa combustion complète. Lorsque le bois brûle, l'eau qu'il contient se dégage sous forme de vapeur avec les fumées. Une partie de l'énergie produite au sein du foyer va être utilisée pour transformer cette eau en vapeur. Le pouvoir calorifique inférieur d un combustible évalue son contenu énergétique en tenant compte de cette perte énergétique difficilement exploitable (sauf dans le cas des chaudières à condensation). (Magis, 2013) Le pouvoir calorifique est exprimé en MJ/kg ou en kcal/kg (1 kcal = 4,186 kj) Humidité Combustible : PCI : 1 kwh d électricité 3,6 MJ 1 kg de bois anhydre (0% eau) 18,4 MJ 1 kg de charbon MJ 1 m 3 de gaz naturel 36,1 MJ 1 l de mazout 36 MJ Tableau 12: PCI indicatif de divers combustibles (Valbiom, 2004) L'humidité relative (HR), exprimée en %, représente la quantité d'eau contenue dans le bois par rapport à sa masse totale. Le bois vert contient environ 50 % d'eau. Après séchage, la teneur en eau du bois se stabilise : elle est en équilibre avec celle de l'air et atteint environ 20 % pour un séchage à l'air 14

20 libre. Sous abri, le bois sèche plus vite et atteint une humidité d'équilibre plus faible, jusque 15 %. (Valbiom, 2004) Humidité relative (%) PCI moyen (MJ/kg) Bois frais 50 % 7,7 Bois sec 1 an 30 % 11,8 Bois sec 2 ans 20 % 13,9 Bois anhydre 0 % 18,4 Tableau 13: Relation entre l'humidité et le pouvoir calorifique inférieur du bois (Valbiom, 2004) Comme mentionné dans le tableau, l'évaporation de l'eau demande de l'énergie ; la valeur énergétique du bois sera donc d'autant plus faible que celui-ci contient de l'eau. Le PCI du bois diminue lorsque son humidité augmente Masse volumique La masse volumique du bois, exprimée en kg/m 3 représente la masse du bois par unité de volume : En fonction de leur différence de masse volumique, certaines essences vont brûler plus longtemps que d autres. Dans les bois les plus poreux, les gaz de décomposition se dégagent plus facilement, ils brulent plus vite. Au contraire, dans les bois les plus denses, les gaz de décomposition arrivent plus difficilement à la surface de la pièce de bois, ils brûlent donc plus lentement. En Wallonie, les meilleurs bois de chauffage, c.-à-d. ceux brûlant le moins vite, sont le charme, le hêtre, le chêne, le châtaignier et le frêne. (Valbiom, 2004) 6.2. Combustibles A l aide des publications de l Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie (2012) et de Valbiom (2013), passons à présent en revue les différents combustibles à base de bois couramment rencontrés sur le marché Bûches Les bûches proviennent de l'exploitation de taillis ou de récupération des branches (houppiers) lors de coupes commerciales de bois. Il s'agit de bois dont la qualité et les dimensions ne sont pas suffisantes pour des usages dits nobles : sciage (fabrication de meubles, etc.), tranchage ou déroulage (utilisation en menuiserie, etc.). Les bûches constituent le moyen de chauffage au bois le plus traditionnellement utilisé par les particuliers. Les bûches sont vendues sur pied ou "bord de route", débitées, conditionnées en stères (empilement d 1 m 3 ) et parfois même séchées. 15

21 Pellets (ou granulés) Ils sont obtenus par la compression de sciures de bois de résineux et de feuillus (ou de divers produits agricoles). Aucun additif chimique n est utilisé, leur cohésion est assurée par des substances naturelles. Les granulés se présentent sous la forme de petits cylindres de 6 mm de diamètre et 10 à 40 mm de longueur, selon les usages. Par rapport à d autres combustibles ligneux, les pellets ont la particularité d avoir des caractéristiques standardisées en termes de dimensions, de composition, de pouvoir calorifique, de taux de cendre, etc. La standardisation de ces caractéristiques (qui est contrôlée par des certifications) permet l automatisation et le réglage des conditions de combustion des appareils. Les pellets de bois peuvent être utilisés dans les poêles, les chaudières, les poêles-chaudières et les poêles de masse Plaquettes forestières (ou chips) Ce bois déchiqueté est obtenu par broyage de branches ou d arbres forestiers ou bocagers. D autres sources sont également possibles comme l entretien des bords de routes, les produits connexes des entreprises de première et seconde transformation, le bois de rebut (parc à conteneurs, palettes, etc.) et enfin les taillis à (très) courtes rotations. Les plaquettes mesurent de 2 à 5 cm de longueur et sont commercialisées en vrac;; sèches (25 à 30% d humidité) ou fraîches (environ 50% d humidité). Elles doivent être stockées dans un local ou un silo étanche à l eau et ventilé Briquettes (ou bûchettes) Les briquettes, comme les pellets, sont constituées de sciure de bois compressée. De plus grandes dimensions (5-10 cm de diamètre ou de largeur pour cm de longueur), elles ne peuvent être utilisées dans des installations automatiques mais gardent les avantages des combustibles à haute densité énergétique. Elles s'utilisent comme produit de substitution des bûches dans les appareils de chauffage domestique. 16

22 6.3. Tableau synthétique des avantages et des inconvénients Pour chaque combustible, il nous est possible d avancer des avantages et des inconvénients à leur utilisation. Ceux-ci sont dressés dans le tableau suivant : Bûches Avantages : Inconvénients : Facilement disponibles Tailles et qualités hétérogènes Prix attractif Demandent une manutention importante Chaleureux Demandent une place suffisante pour le séchage et le stockage L écorce se détache et salit Pellets Automatisation des installations de chauffage domestique Autonomie importante Combustion très performante Facile à transporter, stocker et utiliser Meilleure densité énergétique Perte de l aspect «feu de bûches» Plus onéreux que les autres combustiblesbois Ressources à priori limitées au recyclage des sciures Stockage absolument au sec Plaquettes Manutention aisée Automatisation des installations de chauffage Prix attractif (déchets d entretien) Demandent un volume de stockage important Plus adapté aux grosses puissances Plus facilement utilisable en milieu rural Tailles et qualités hétérogènes Briquettes Usage pratique en dehors des zones rurales Maintien de l aspect «feu de bûches» Meilleure densité énergétique Convient uniquement aux installations nonautomatisées Stockage absolument au sec Peu présent sur le marché Tableau 14: Tableau synthétique des avantages et des inconvénients liés à chaque combustible 17

23 6.4. Tableau synthétique des caractéristiques des principaux combustibles bois Les données chiffrées associées à ces combustibles-bois sont présentées dans le tableau synthétique ci-dessous. Outre les paramètres présentés au début de ce chapitre, les prix au kwh à la date du 1 er décembre 2012 ont été indiqués afin de garder une base commune pour les comparaisons futures. Les briquettes, n ayant pas encore vraiment de marché établi, n y ont pas été reprises. Combustible PCI (moyenne) Humidité sur masse brute Masse volumique Prix d'achat au kwh* kwh/t % c /kwh Détails Bûches à à à 760 kg/stère 4,0 séchées sous abri 1 an Plaquettes à à à 400 kg/m 3 3,0 30 % HR Pellets à à 750 kg/m 3 5,0 vrac, min. 4 t 5,4 sac, min. 1 palette * TVAC et livraison incluse (max 30 km) à la date du 01/12/12 Tableau 15: Tableau synthétique des caractéristiques des principaux combustibles bois (Renouvelle, 2012 ; Valbiom, 2013) Le prix d achat dépend de nombreux facteurs : bois vendu sur pieds ou non, essence de l arbre, transport, humidité, région boisée ou non, invasions de ravageurs, tempêtes, rendement des machines, espace de stockage disponible, etc. Comme mentionné, les bûches et les plaquettes sont sujettes à des variations importantes au niveau de leur pouvoir calorifique à cause de la variabilité de leur taux d humidité. Ces dernières sont néanmoins moins chères au kwh que les bûches car elles sont souvent encore considérées comme des déchets dont il faut se débarrasser. Les pellets, avec leur pouvoir calorifique plus élevé, sont également plus chers à production d énergie identique. Ils le sont évidemment encore plus livrés en sac qu en vrac Récapitulatif Le bois est caractérisable sur base de trois critères : son contenu énergétique, son taux d humidité et sa masse volumique. Ceux-ci sont tous trois interdépendants et sont les garants d un combustible de qualité. Différents combustibles sont dérivés du bois : outre la bûche, il existe des plaquettes (bois déchiquetés), des pellets et des briquettes (sciure densifiée). Leurs propriétés différentes leurs confèrent des avantages et des inconvénients. Nous retiendrons notamment que : les pellets et les bûches permettent un approvisionnement automatique les pellets (avec la briquette) ont le pouvoir calorifique le plus élevé mais coûtent aussi le plus cher les bûches sont facilement disponibles et à des prix compétitifs les plaquettes et les bûches demandent un espace de stockage important 18

24 7. Technologies résidentielles de valorisation du bois-énergie Après avoir passé en revue les différents combustibles-bois du marché, nous allons à présent analyser les systèmes de chauffage, d appoints et centralisés. Le chapitre sera composé d un aperçu de la répartition géographique et par fonction des systèmes de chauffage dont sont équipés les ménages, à nouveau d un rappel sur les notions de rendement et de puissance et d une description de chaque système. Enfin, comme ce fut le cas dans le chapitre précédent, un tableau récapitulatif des avantages et des inconvénients ainsi qu un autre synthétisant les caractéristiques chiffrées de ces systèmes seront exposés pour clôturer ce chapitre technologique Analyse du parc existant Deux visions du parc de systèmes de chauffage au bois sont présentées : l une sur base d une carte de la Région wallonne et l autre sur base de leur fonction. Ces statistiques sont issues de l enquête socio-économique menée par la Direction Générale des Statistiques et de l Information Economique en Par répartition géographique Sur la carte sont répertoriés les logements se chauffant au bois et les superficies boisées par commune. Tableau 16: Nombre de logements au chauffage au bois et superficies boisées en Région wallonne (ICEDD, 2013) On observe une certaine corrélation entre le nombre de logements se chauffant au bois et les superficies les plus boisées. 19

25 Par fonction et par type de logement En tenant compte de l enquête socio-économique de 2001 qui recensait logements wallons se chauffant principalement au bois (chauffage central, chaudière, ou décentralisé, poêle) auxquels on ajoute les données de primes régionales annuelles et d autres informations de ventes d appareils de chauffage au bois pour tenir compte de l évolution du marché, le nombre de logements chauffés principalement au bois en Wallonie en 2010 est estimé à , ainsi que chauffages d appoint au bois (dont le chauffage principal est assuré par une autre énergie). Tableau 17: Consommation du bois par type de logement et d'usage (2010) (ICEDD, 2012) A partir de la consommation estimée de bois de chauffage résidentiel en 2010, GWh, l Institut de Conseil et d Etudes en Développement Durable (2012) estime la puissance installée des appareils à bois (chaudières et poêles d appoint) dans le résidentiel à environ MWth Les systèmes de chauffage domestique Les systèmes de chauffage domestique se divisent en deux grands groupes : les systèmes centralisés qui chauffent l ensemble d une habitation y compris l eau chaude sanitaire et les appareils décentralisés ou d appoint qui, comme leur nom l indique, ne chauffent qu une pièce de l habitation. La première catégorie reprend donc les chaudières tandis que la deuxième reprend majoritairement les poêles et inserts. Un système hybride existe comme nous le verrons lors du développement Rappels théoriques Afin de bien comprendre les caractéristiques des différentes technologies décrites par la suite, les notions de rendement et de puissance sont rapidement revues ci-dessous Notion de rendement Le rendement de combustion mesure l efficacité avec laquelle le combustible va libérer de la chaleur, c.-à-d. la proportion de son contenu en énergie (PCI) qui va réellement être transformée en chaleur par l appareil. (Magis, 2013) Les pertes de rendement de combustion sont dues à une combustion incomplète, caractérisée par la présence d imbrûlé dans les cendres ou les fumées et aux pertes de chaleur dues à l évacuation des fumées chaudes par la cheminée. 20

26 Le rendement de l installation mesure l efficacité avec laquelle la chaleur produite par l appareil va réellement servir au chauffage de la pièce. Un mauvais rendement de l installation est dû, par exemple, à des pertes de chaleur au niveau des canalisations d eau chaude. Le rendement total ou pratique est le produit des rendements de combustion et de l installation. Il mesure l efficacité avec laquelle l énergie présente dans le combustible (PCI) va servir au chauffage de l habitation. Les rendements annoncés des appareils de chauffage au bois correspondent au rendement de combustion. (Valbiom, 2004) Notion de puissance La puissance est l aptitude qu à une installation de chauffage à produire une certaine quantité d énergie (chaleur) en un temps donné. Elle se mesure en watt (W). Le watt représente une capacité à produire une énergie d un joule (J) en une seconde. (Magis, 2013) Ainsi, une installation de grande puissance (production d une grande quantité de chaleur par unité de temps) peut fonctionner avec un très mauvais rendement (une faible partie de l énergie contenue dans le combustible sera réellement disponible pour chauffer l habitation) Les appareils d appoint - Les inserts et les poêles A partir des informations fournies par Valbiom (2004) et l ADEME (2012), nous sommes en mesure de décrire les différents systèmes d appoint Les foyers ouverts Le feu ouvert, comme son nom l indique, consiste en un simple feu en-dessous d une cheminée sans structure particulière. Ce moyen de chauffage est celui qui présente le moins bon rendement (10%, 20% avec des récupérateurs de chaleur) Les inserts et foyers fermés Ces appareils, parfois appelés «encastrables», améliorent le principe des feux ouverts. La chaleur est propagée par rayonnement par la vitre et par convection (naturelle ou forcée) entre le foyer et la carrosserie de l appareil. Les inserts sont à encastrer dans une cheminée 21

27 existante, tandis que les foyers fermés sont revêtus d une maçonnerie. Selon le type d appareil, le rendement peut aller de 30 à 80% Les poêles à bûches Les modèles traditionnels, transmettant la chaleur par rayonnement, ont un rendement assez élevé à régime normal mais plus faible au ralenti (40 à 60%). Les plus récents, équipés d un circuit de convection, peuvent atteindre des rendements de 60 à 80%. Leur autonomie est de quelques heures et leur inertie thermique est relativement limitée Les poêles à pellets Ces appareils, de haute technologie, grâce à leur alimentation automatique, présentent un confort d utilisation équivalent aux appareils fonctionnant au gaz ou au mazout. En effet, ils ont la particularité d être pourvu d un réservoir qui alimente la combustion en pellets via un mécanisme de vis sans fin. Leurs rendements peuvent atteindre 90% voire plus pour certains modèles Les poêles à accumulation (ou de masse) Ces poêles fonctionnent sur le principe de l accumulation de chaleur à travers les matériaux réfractaires qui les composent. Les fumées chaudes circulent dans une série de conduits et la chaleur est restituée par la suite par rayonnement dans le milieu ambiant lorsque le foyer est éteint. Ils peuvent par ailleurs être raccordés à un circuit d eau chaude pour un système de radiateur ou d eau chaude sanitaire. Avec des rendements de 80 à 93%, des émissions faibles et une autonomie non-négligeable, ces systèmes sont parmi les plus performants Les poêles-chaudières Beaucoup moins fréquent, les poêles-chaudières permettent non seulement de chauffer la pièce dans laquelle ils se trouvent, mais aussi d alimenter en eau chaude un petit réseau de radiateurs. Ils constituent en quelque sorte un système intermédiaire entre les appareils destinés à ne chauffer qu une seule pièce et les systèmes de chauffage central. Leur rendement peut varier de 70 à 90% et leur autonomie est fonction du combustible utilisé (pellets ou bûches) Les systèmes centralisés - Les chaudières Les systèmes de chauffage central sont décrits dans la section suivante. (ADEME, 2012 ; Valbiom, 2004) Les chaudières à bûches Malgré les nombreuses manipulations à réaliser, l utilisation de bûches dans une chaudière reste un des moyens les moins chers pour se chauffer au bois. Au niveau de l autonomie, il faut habituellement charger la chaudière au moins une fois par jour. Le couplage à un ballon tampon (ou ballon hydro-accumulateur) qui stocke la chaleur excédentaire et la restitue sur 12 à 24 heures permet de faire fonctionner la chaudière à 22

28 puissance nominale. Le fonctionnement à pleine puissance augmente la longévité, améliore le rendement (50 à 90%) et permet une autonomie de plusieurs jours en intersaison grâce au ballon. Les chaudières à bûches présentent de nombreuses variantes technologiques que nous allons tenter d expliquer. Le tirage caractérise les chaudières à bois par leur mode de combustion et la manière dont l air est admis dans le foyer. Il peut être naturel ou forcé à l aide d un ventilateur de type turbine (d un «turbo»). Le tirage naturel est mis en œuvre dans les chaudières à bûches selon trois techniques (la 4 ème étant une amélioration de la 3 ème ): Les chaudières à combustion montante Elles sont simples mais de qualité médiocre. Le combustible est empilé sur la grille du foyer. Toute la charge s enflamme simultanément. La combustion est difficile à maîtriser et, en général, de médiocre qualité et incomplète. Les fumées peuvent être très chaudes. (ADEME, 2012) Les chaudières à combustion horizontale Elles réduisent le taux d imbrûlés. Les phases de combustion et de séchage sont dissociées et la combustion a lieu en couches minces. Les arrivées d air primaire et secondaire sont mieux contrôlées, donc la combustion est améliorée et le taux d imbrûlés diminue. (ADEME, 2012) Les chaudières à combustion inversée Elles offrent une bonne qualité de combustion. Les flammes se développent au travers de la grille, support du combustible. Les entrées d air primaire et secondaire sont distinctes, ce qui améliore encore la qualité de la combustion. (ADEME, 2012) 23

29 Les chaudières «turbo» Elles perfectionnent les chaudières à combustion inversée. Elles sont équipées d une turbine qui introduit l air de combustion ou d un extracteur qui aspire les fumées. Elles offrent un meilleur rendement. Cependant la durée de vie du corps de chauffe peut être limitée par une corrosion accélérée. La puissance minimale de ces chaudières (20kW) les rend inadaptées dans certaines situations où elles seraient surdimensionnées. (ADEME, 2012) Les chaudières à plaquettes et les chaudières à pellets De manière entièrement automatisée, le combustible (plaquettes ou pellets), stocké dans un réservoir (cave, grange, silo, etc.), est acheminé via une vis sans fin vers la chambre de combustion de la chaudière. Les alimentations en air et en combustible sont gérées avec finesse grâce à l électronique ce qui assure une combustion de très bonne qualité. Le rendement varie de 75 à 90% Stockage des plaquettes et des pellets Les granulés peuvent être stockés jusqu à 15 m de la chaudière, dans un silo de 4 à 6 m 2 au sol, enterré ou installé dans un local tandis que les plaquettes nécessiteront un espace plus grand à proximité de la chaudière. La pièce de réserve pour plaquettes et granulés peut être maçonnée, à ossature bois ou contenir un silo textile de façon à assurer la bonne alimentation de la chaudière. 24

30 Législation Concernant la législation sur les systèmes de chauffage, l Arrêté Royal du 12 octobre 2010 réglemente les exigences minimales de rendement et les niveaux des émissions de polluants (CO et particules) des appareils de chauffage alimentés en combustible solide (M.B ). Tableau 18: Tableau des niveaux de rendement et des émissions de monoxyde de carbone règlementaires en Belgique (Moniteur Belge, 2010) Tableau 19: Tableau des émissions de particules règlementaires en Belgique (Moniteur Belge, 2010) Les phases I, II et III rentrent en vigueur respectivement 1, 3 et 6 ans après la publication de l'arrêté Royal. La phase I est donc toujours d application actuellement. 25

31 7.3. Tableau synthétique des avantages et des inconvénients Les foyers ouverts Avantages : Inconvénients : Convivial / chaleureux Rendement très faible voir négatif Peu coûteux (à cause des flux d air froid venant de la cheminée) Une partie des polluants émis est refoulée dans la pièce Les inserts et foyers fermés Les poêles à bûches Garde la convivialité d un feu ouvert mais sans les inconvénients liés Bon rendement Très peu polluant Résistant dans le temps Installation plus longue pour les foyers fermés Les poêles modernes sont comparativement plus chers que les anciens modèles Les poêles à pellets Excellent rendement Entièrement automatique, géré électroniquement Grande autonomie Faibles émissions d imbrûlés et peu de cendres (avec des pellets de qualités) Prix plus élevé Consommation électrique Les poêles à accumulation Très bon rendement Très peu polluant Grand confort de chauffe Grande autonomie Prix élevé Quasi pas déplaçable Encombrement important Ne chauffe pas rapidement Les poêleschaudières Les chaudières à bûches Très bon rendement Hybride entre le système central et d appoint Avantageux en milieu extraurbain quand le bois est disponible aisément Prix fort variable et parfois proche d une chaudière normale Demande une manutention importante des bûches Espace de stockage conséquent Peu d autonomie de base Les chaudières à plaquettes et les chaudières à pellets Excellent rendement Très grande autonomie Contrôle et régulation électronique Peu de cendres et de fumées produites (en fonction de la qualité des pellets/plaquettes) Prix élevé Nécessite un grand espace de stockage (surtout pour les plaquettes) Consommation électrique Tableau 20: Tableau synthétique des avantages et des inconvénients liés à chaque système de chauffage 26

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