RETScreen - Analyse de projets de chauffage à la biomasse - Notes du formateur
DIAPOSITIVE 1 : Analyse de projets de chauffage à la biomasse
Ceci est le module de formation Analyse de projets de chauffage à la biomasse du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons les installations de chauffage à la biomasse. Cette photo montre une usine de chauffage urbain en Suède qui brûle des copeaux de bois pour alimenter un réseau de chauffage d'un quartier complet.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de présenter les principes de base d'un système de chauffage à la biomasse; le deuxième est de décrire les enjeux importants à considérer lors de l'analyse de tels projets; et le dernier est de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de chauffage à la biomasse.
DIAPOSITIVE 3: Qu'est ce que les systèmes de chauffage à la biomasse fournissent?
Une installation de chauffage à la biomasse brûle des matières organiques comme des copeaux de bois, des résidus agricoles ou même des ordures ménagères pour en retirer de la chaleur. Cette chaleur peut être utilisée à toutes sortes de besoins de chauffage de locaux ou d'air de ventilation, de bâtiments ou de quartiers complets, mais aussi à des besoins thermiques industriels.
La biomasse est plus qu'un simple combustible. Il s'agit d'une ressource locale qui demande du travail pour l'extraire, et son exploitation contribue donc à la création d'emplois locaux. L'argent dépensé à utiliser cette ressource demeure dans l'économie régionale plutôt que de contribuer à l'exploitation de ressources fossiles parfois en provenance de pays éloignés.
De plus, les installations de chauffage à la biomasse utilisent souvent des résidus de l'industrie du bois ou de l'agriculture. Ces résidus deviennent alors une ressource plutôt que d'occasionner des frais pour leurs éliminations.
Une installation de chauffage à la biomasse s'intègre bien dans un réseau de chauffage urbain ou de récupération de chaleur. Un réseau de chauffage urbain permet de distribuer de la chaleur à un quartier à partir d'une seule centrale thermique et au moyen de tuyaux enfouis dans le sol. L'exploitation de la biomasse est alors facilitée car il est plus économique de surveiller une seule installation de chauffage que plusieurs petites installations.
Par ailleurs, une centrale thermique permet de justifier, à cause de son envergure, des investissements destinés à récupérer l'énergie résiduelle d'industries ou d'une centrale électrique située à proximité. On optimise alors l'utilisation de la biomasse et de combustibles classiques.
On voit sur cette photo une installation à Greussenheim en Allemagne. Cette installation produit de l'électricité en plus de la chaleur à partir de la combustion de résidus agricoles.
DIAPOSITIVE 4 : Description d'un système de chauffage à la biomasse
Les systèmes de chauffage à la biomasse dont il est question dans le modèle RETScreen sont uniquement des systèmes à haut rendement qui assurent une combustion complète et contrôlée du combustible. De telles chaufferies comprennent généralement une alimentation automatique en combustible. Les cheminées à foyer ouvert et les poêles à bois ne sont pas des installations qui entrent dans cette catégorie. Une installation de chauffage à la biomasse comprend une centrale thermique, un système de distribution de la chaleur et une installation pour la manipulation du combustible et l'alimentation des chaudières.
La centrale thermique peut intégrer jusqu'à 4 sources de chaleur. La première, lorsque cela est possible, sera de la récupération de chaleur d'un procédé industriel ou d'une centrale électrique qui permet de bénéficier d'une source d'énergie pratiquement gratuite ou à faible coût. La demande de chaleur de base qui excède la capacité de récupération de chaleur pourra alors être comblée par des chaudières à biomasse. Ensuite, pour répondre aux demandes de pointe en chauffage, on dispose de chaudières d'appoint qui ne combleront qu'une faible quantité d'énergie sur une base annuelle même si elles ont une puissance notable. C'est pourquoi on se contente souvent de combler cette demande avec des combustibles classiques.
La quatrième source de chaleur est celle de chaudières de secours, permettant d'assurer la fourniture de chaleur pendant les périodes d'entretien du système à la biomasse où en cas d'interruption des livraisons de biomasse. Souvent, ce sont les chaudières d'appoint qui servent en même temps de chaudière de secours. La récupération de chaleur résiduelleest aussi optionnelle.
Le réseau de distribution de chaleur relie la centrale thermique aux consommateurs. Il peut s'agir d'un réseau limité à un bâtiment mais aussi d'un réseau urbain permettant d'alimenter plusieurs bâtiments d'un quartier environnant la centrale thermique. Un tel réseau comprend des tuyaux isolés permettant d'alimenter les bâtiments à chauffer en eau chaude puis de retourner l'eau refroidie à la centrale thermique.
Dans une chaufferie utilisant la biomasse, l'approvisionnement en combustible et l'alimentation des chaudières sont des fonctions importantes pour assurer la fiabilité de l'installation et exigent des infrastructures plus compliquées qu'une simple alimentation en gaz naturel ou en mazout. En général, entre la réception du combustible et l'alimentation des chaudières, il y a besoin d'avoir sur place un opérateur qui pourra assurer plusieurs fonctions comme celle que l'on voit sur cette photo.
La centrale thermique doit être équipée de manière à pouvoir réceptionner les livraisons de biomasse par camion, avec assez d'espace de manoeuvre pour les engins de chargement et les camions. Il faut également pouvoir stocker du combustible à l'extérieur et à l'intérieur de la centrale. Une capacité de stockage réduite est moins encombrante et moins chère à construire mais exigera des livraisons plus fréquentes. Un système de transfert de combustible amènera la biomasse de la réserve jusqu'au système d'alimentation des chambres de combustion. Le chargement manuel des petites chaudières est toujours possible mais exige de la main d'oeuvre régulière. Les grandes chaufferies utilisent des engins de chargement et des systèmes d'alimentation automatique comme des vis sans fin. Ces systèmes doivent être conçus pour s'adapter à une qualité variable du combustible dont la densité et la consistance peuvent changer et dans lequel on peut retrouver des débris comme des bâtons, des bouts de câble ou des gants. Le système de transfert de combustible alimente soit une petite réserve quotidienne, soit directement le système d'alimentation de la chambre de combustion.
Ce dernier système contrôle la quantité et la vitesse d'introduction de la biomasse dans la chambre de combustion.
DIAPOSITIVE 5 : Description d'un système de chauffage à la biomasse (suite)
Cette figure illustre les différents composants d'un système de chauffage à la biomasse. À gauche se trouve l'aire de livraison et de stockage du combustible. Le système illustré utilise de la biomasse qui a été conditionnée en copeaux. C'est pourquoi on peut utiliser des convoyeurs et des vis sans fin pour transférer le combustible de la réserve principale vers la réserve quotidienne puis de celle-ci vers la chambre de combustion.
La chambre de combustion se trouve au centre du schéma. On maintient dans cet espace confiné des conditions contrôlées permettant d'augmenter le rendement énergétique et d'obtenir une combustion la plus complète possible. Le combustible est amené sur une grille de combustion sous laquelle arrive un débit contrôlé d'air de combustion qui régule le niveau de combustion en fonction de la demande. Dans les systèmes de plus grande puissance, les grilles de combustion sont animées d'un mouvement de va-et-vient qui permet d'avoir un lit de combustible d'épaisseur uniforme et de mieux repartir les zones de combustion en dirigeant le combustible enflammé vers les zones où le débit d'air est plus élevé. Ce mouvement permet également d'éliminer les cendres de la zone de combustion vers l'extrémité des grilles. La chambre de combustion est entourée de matériaux réfractaires qui réfléchissent la chaleur et en remettent vers l'intérieur de la chambre, ce qui permet d'y maintenir une température plus élevée, propice à une combustion plus complète.
La chaleur générée est récupérée dans un échangeur de chaleur placé directement dans la chambre de combustion ou dans le flux de gaz de combustion qui quitte la chambre pour se diriger vers la cheminée. Dans les petites installations, l'échangeur de chaleur peut être une simple chemise d'eau entourant la chambre de combustion. Les plus grandes installations utilisent des chaudières ou le fluide caloporteur peut être de l'eau pressurisée, de la vapeur ou une huile thermique qui circule ensuite dans un échangeur de chaleur qui réchauffe la boucle d'eau chaude du système de chauffage.
Les cendres récupérées en dessous de la chambre de combustion peuvent être enlevées à la main ou par un système automatique, tel que celui qui est illustré dans ce schéma. Les cendres volantes entraînées dans les gaz de combustion peuvent être récupérées dans la cheminée pour limiter les émissions de particules. Ces particules retombent dans les zones où on ralentit la vitesse des gaz de combustion. On peut alors les récupérer comme on le voit sur ce schéma ou les laisser s'accumuler pour les enlever à intervalles réguliers.
DIAPOSITIVE 6 : Système de chauffage de pointe vs système de base
Un aspect important de la conception d'une installation de chauffage à la biomasse est le choix de la puissance de la chaudière. Il y a 2 approches possibles : soit on dimensionne la chaudière en fonction de la charge de pointe, ce qui signifie que le système à la biomasse pourra répondre à la demande de pointe en chauffage; soit on la dimensionne en fonction d'une charge de base, c'est-à-dire que le système à la biomasse répond à des besoins typiques de la saison de chauffage.
La première approche favorise une utilisation maximale de biomasse et minimale de combustible classique. Elle peut être intéressante lorsque le prix de ce dernier est très élevé. Cependant, cette approche conduira à un système à la biomasse plus puissant donc plus cher que celui conçu pour répondre à une demande de base seulement. De plus, comme la demande de chauffage est variable, cette installation fonctionnera la plupart du temps à un niveau de puissance très nettement inférieur à sa puissance nominale, ce qui affectera son rendement saisonnier et augmentera ses émissions polluantes.
L'approche basée sur une charge de base conduit à des installations de beaucoup plus faible puissance donc moins coûteuses. Bien que la puissance du système à la biomasse soit très inférieure à la demande de pointe en chauffage, cela n'empêche pas que la biomasse puisse contribuer à une proportion très importante des besoins annuels d'énergie thermique. Une telle configuration peut être très rentable. De plus, le système à la biomasse fonctionne alors de plus longue période de temps à sa puissance nominale ce qui permet d'en obtenir un meilleur rendement et de réduire les émissions polluantes. Cependant, il faut prévoir un système d'appoint pour les périodes de pointe ce qui augmente le recours à un combustible fossile classique.
C'est la nature de l'application qui déterminera laquelle des deux approches est la meilleure. Les très grandes installations devant assumer des besoins importants et stables adopteront la première approche. Les petites installations destinées au chauffage des locaux et à la production d'eau chaude sanitaire seront plutôt conçues en fonction d'une charge de base typique.
DIAPOSITIVE 7 : Système de chauffage urbain
Un système de chauffage urbain permet de répondre aux besoins de chauffage de plusieurs bâtiments situés à proximité d'une centrale thermique. Il s'agit généralement de bâtiments publics, commerciaux ou résidentiels situés à quelques centaines de mètres les uns des autres dans un même quartier.
Des tuyaux isolés sont enfouis entre 60 et 80 cm dans le sol et transportent l'eau chaude dans un réseau. L'eau chaude peut être fournie à une température pouvant atteindre 130 °C et retourne à la centrale thermique à une température entre 40 et 80 °C. Ces tuyaux n'ont pas besoin d'être enfouis en dessous de la ligne de gel car ils sont isolés et contiennent de l'eau chaude en circulation.
Un réseau de chauffage urbain a de nombreux avantages en comparaison de chaufferies individuelles dans chacun des bâtiments. Une chaufferie centrale peut être exploitée selon des techniques optimales qui ne se justifieraient pas dans une chaufferie ordinaire. On peut également employer du personnel qui veillera au parfait fonctionnement des installations. On peut donc plus facilement envisager utiliser de la biomasse dans une centrale thermique alors que dans une chaufferie d'immeuble, on optera plutôt pour un combustible classique, plus facile à utiliser ou pour des appareils de chauffage utilisant la biomasse avec de mauvais rendements comme de simple poêle à bois. Une centrale thermique peut donc utiliser la biomasse de manière optimale et contribuer aussi à valoriser une ressource renouvelable d'énergie tout en réduisant les émissions polluantes. De plus, les utilisateurs bénéficient d'un système de chauffage très sécuritaire aisément modulable donc plus confortable.
Les coûts d'investissement d'un réseau de chauffage urbain sont élevés. Il est plus facile d'intégrer un tel réseau à un nouveau quartier en développement. L'ajout à un réseau de chauffage urbain d'un système utilisant de la biomasse comme combustible demande plus d'attention que lorsqu'on prévoit une simple centrale thermique utilisant un combustible fossile classique.
Cela signifie que le choix de la biomasse comme source d'énergie exige une bonne organisation et de la volonté.
DIAPOSITIVE 8 : Biocombustibles
Toutes sortes de matériaux disponibles à bas coût sont issues de la biomasse à commencer par le bois et les résidus de l'industrie du bois qui se présentent sous la forme de copeaux, de sciure ou de granules de sciure compressée. Il y a aussi les résidus de la production agricole et de l'élevage, c'est-à-dire la paille, les écales de grain, les litières et le fumier. Des cultures à croissance rapide peuvent être dédiées à la production de biomasse pour produire de l'énergie, par exemple le peuplier, le sorgho et l'osier. Les incinérateurs d'ordures ménagères peuvent entrer dans la catégorie des systèmes utilisant la biomasse.
Les combustibles issus de la biomasse ont de très importantes variations de qualité et de densité en comparaison des combustibles fossiles. Il est donc important d'évaluer le contenu en eau, le taux de cendres et la valeur calorifique de la biomasse que l'on envisage utiliser. La biomasse contient toujours de l'humidité mais s'il y a en a trop, elle devient lourde à transporter et à manipuler, problématique à stocker à cause de la fermentation possible et elle perd du pouvoir calorifique car on doit transformer l'humidité en vapeur d'eau lors de la combustion. L'utilisation de biomasse humide rend plus difficile une bonne combustion ce qui conduit à des émissions plus importantes de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés.
Les cendres sont constituées de matières incombustibles mélangées à la biomasse. Elles ne produisent pas d'énergie et sont source de problèmes dans la chambre de combustion, dans les dispositifs d'élimination des cendres et sur les surfaces des échangeurs de chaleur.
Le contenu énergétique de la biomasse est la quantité d'énergie qui est libérée par la combustion de celle-ci. Cette quantité d'énergie dépend des proportions de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans les constituants du combustible. Le contenu énergétique est plus faible lorsque les taux d'humidité et de cendre augmentent.
Le coût de la biomasse dépend de son origine. S'il s'agit d'un résidu récupéré et qui aurait dû être éliminé comme un déchet, il peut y avoir un coût négatif de la biomasse, c'est-à-dire que le fait qu'on l'utilise sera un avantage pour le producteur qui pourra par exemple accepter de la livrer gratuitement. D'autres résidus, comme les écorces, peuvent être obtenus sans coûts car ils n'ont pas d'autre utilisation possible que d'être un combustible. La biomasse récoltée, cultivée ou préparée spécialement pour servir de combustible sera vendue à un coût dépendant de sa qualité. Certains produits conditionnés comme les granules et les briquettes peuvent être plus chers qu'un combustible fossile.
Avant d'investir dans un projet de chauffage à la biomasse, il est essentiel de pouvoir compter sur un approvisionnement fiable et à long terme. Le coût du combustible peut être influencé par de nouvelles utilisations possibles. Par exemple, la valeur de l'écorce de certains résineux peut augmenter lorsqu'on lui trouve des applications pour l'aménagement de jardins par des paysagistes. C'est pourquoi il est intéressant de signer des contrats d'approvisionnement à long terme avec les fournisseurs locaux que l'on doit évaluer pour leur fiabilité et leur sérieux.
Les moyens de livraison de la biomasse dépendent de la forme sous laquelle celle-ci se trouve. Cela a également une influence sur la machinerie de manutention et les infrastructures de stockage.
DIAPOSITIVE 9 : Incidences environnementales des biocombustibles
La biomasse récoltée selon les principes du développement durable est considérée comme une source renouvelable d'énergie. Lors de sa croissance par photosynthèse qui prend entre une année et moins de quelques dizaines d'années, la biomasse absorbe le gaz carbonique de l'atmosphère. C'est cette même quantité de gaz à effet de serre qui est relâchée par la suite lors de la combustion. C'est pourquoi on considère que l'utilisation de la biomasse a un bilan nul au niveau des émissions de gaz pouvant être à l'origine des changements climatiques. La plupart des biocombustibles ont des teneurs négligeables en soufre et leur utilisation n'est pas la cause des pluies acides.
La combustion de la biomasse est une source locale de certaines émissions polluantes qui peuvent être soumises à la réglementation comme les émissions de monoxyde de carbone, de CO2 et de CO4, de N0x, de particules d'hydrocarbures et de certains composants aromatiques potentiellement cancérigènes. L'application de ces réglementations dépendra du type de biomasse utilisée et de l'envergure du projet envisagé.
Les 2 photos que l'on voit illustrent la valorisation de résidus de deux importantes activités industrielles : les copeaux produits par des scieries et la bagasse, le résidu fibreux de la canne à sucre une fois que l'on en a extrait le jus sucré.
DIAPOSITIVE 10 : Exemples de coûts de systèmes de chauffage à la biomasse
Le tableau du haut montre les coûts d'investissement et les frais annuels comparés d'exploitation d'une chaufferie au mazout et d'un autre utilisant des copeaux de bois. Les deux systèmes sont destinés au chauffage d'un bâtiment de 800 m² et peuvent fournir jusqu'à 150 kW de puissance thermique. À l'investissement, le système utilisant la biomasse est 4 fois plus cher car il exige la construction d'une chaufferie à l'extérieur du bâtiment et l'installation de coûteux équipements de transfert du combustible, alors qu'un coin du bâtiment suffit à loger une chaudière à mazout et son réservoir. Les coûts d'exploitation et d'entretien du système utilisant la biomasse sont également plus élevés. Cependant, à cause du faible coût des copeaux de bois disponibles d'une scierie voisine, le système utilisant la biomasse devient à long terme l'option la plus économique.
C'est une illustration typique des installations à la biomasse qui demandent un investissement initial plus élevé mais permettent d'utiliser un combustible à bas coût. Le deuxième tableau permet de comparer le prix de revient de l'énergie thermique obtenue de différentes sources. Les prix mentionnés varient d'une région à l'autre et dans le temps mais illustrent très bien les tendances générales. C'est l'électricité qui est, comme normalement, la source d'énergie de loin la plus chère pour produire simplement de la chaleur. Le gaz naturel et le mazout se situent au milieu de l'échelle et reviennent au même coût que les copeaux de bois produits spécifiquement comme combustible. L'énergie de loin la moins chère est celle de résidus de scierie dont le coût est à peine plus élevé que celui de leur transport car ils ne peuvent par trouver d'autre utilisation.
DIAPOSITIVE 11 : Enjeux d'un projet de chauffage à la biomasse
À la différence des combustibles classiques qui sont des produits standards quasi identiques d'un fournisseur à l'autre, la biomasse est de constitution très variable et sa qualité varie d'un fournisseur à un autre. Pour qu'un projet de chauffage à la biomasse soit un succès, il faut pouvoir compter sur un approvisionnement à long terme en biomasse d'une qualité acceptable et à un coût compétitif par rapport aux combustibles classiques. C'est généralement le cas lorsque la biomasse est produite sur place ou disponible localement et que le coût des combustibles fossiles est élevé. Il faut aussi évaluer les possibilités que la biomasse puisse trouver un autre débouché qui en augmenterait la valeur, donc le coût prévu à moyen ou long terme. C'est pourquoi un contrat d'approvisionnement à long terme doit prévoir une clause de prix qui assurera une stabilité minimale.
Un système utilisant la biomasse sera plus rentable si on peut l'utiliser toute l'année à un certain régime. C'est le cas des procédés industriels. On obtient alors des systèmes qui fonctionnent à un niveau de puissance proche de leur puissance nominale donc avec une meilleure efficacité. De plus, les économies sur les coûts de la source d'énergie sont générées tout au cours de l'année, ce qui permet de récupérer plus rapidement les coûts d'investissement initiaux et les frais annuels d'exploitation.
Des installations utilisant la biomasse exigent plus d'espace qu'une chaufferie utilisant une énergie classique. Les applications en milieu rural ou industriel se prêtent donc généralement mieux à de telles installations car elles ont l'espace nécessaire à la manutention et au stockage du combustible.
Les installations de chauffage à la biomasse demandent généralement plus d'attention pour leur surveillance. Il faut pouvoir compter sur du personnel motivé pendant la saison de chauffage car il faut surveiller que les livraisons de biomasse se font bien, puis que les
systèmes de transfert de combustible fonctionnent sans problème, ainsi que s'occuper de l'élimination des cendres. Si les utilisateurs ne prévoient pas une telle surveillance, l'exploitation du système sera problématique et le recours plus fréquent aux chaudières d'appoint utilisant un combustible classique augmentera les coûts d'exploitation. Lors de la planification d'un tel projet, il faut également veiller aux coûts plus élevés des primes d'assurance contre le feu et des mesures de sécurité et de contrôle de la qualité de l'air ainsi que pour l'élimination des cendres.
DIAPOSITIVE 12 : Centrales thermiques utilisant la biomasse - Exemples : Autriche, Allemagne et Slovénie
On peut combiner un réseau de chauffage urbain à une centrale utilisant la biomasse comme combustible ce qui permet de combler les besoins d'un village entier ou d'un quartier complet en chauffage des locaux, en chauffage d'air de ventilation, en eau chaude sanitaire ou pour certains procédés. La chaleur peut alimenter des bâtiments publics comme des hôpitaux, des écoles ou des complexes sportifs, ou encore des bâtiments commerciaux, des immeubles à bureaux et des entrepôts, des immeubles résidentiels et des bâtiments industriels. On peut même raccorder des résidences individuelles si elles sont regroupées dans un même quartier raccordé au réseau. Le raccordement de maisons existantes à un réseau urbain est généralement moins rentable.
La photo de gauche montre une petite ville de Slovénie, équipée d'un réseau de chauffage urbain. La centrale thermique qui alimente ce réseau a été récemment convertie du mazout à la biomasse. La photo du centre montre une chaudière à bois de faible puissance. La photo de droite montre le système d'alimentation automatique en combustible d'une grosse installation.
DIAPOSITIVE 13 : Bâtiments de type institutionnel et commercial - Exemple : Canada
Des bâtiments peuvent combler individuellement leurs besoins de chauffage en utilisant la biomasse. Pour pouvoir récupérer les coûts importants d'investissement et les frais de main d'oeuvre liés à l'exploitation d'une chaufferie à la biomasse, ce mode de chauffage est généralement réservé aux bâtiments ayant une envergure minimum. C'est le cas de bâtiments publics comme les hôpitaux, les écoles, les bâtiments municipaux et commerciaux, incluant les entrepôts, les garages et les hôtels.
La photo de gauche montre un immeuble public au Canada, qui utilise la biomasse comme moyen de chauffage. La photo de droite montre une petite installation de chauffage d'un bâtiment commercial utilisant également la biomasse.
DIAPOSITIVE 14 : Chauffage de procédé - Exemples : Brésil et États-Unis
Certains secteurs industriels sont à la fois des producteurs de biomasse et des utilisateurs de chaleur. Ce sont donc des applications idéales pour le chauffage à la biomasse. Si les résidus de biomasse n'ont pas de valeur marchande ou doivent être éliminés, ils peuvent constituer une source d'énergie à un coût très avantageux. Les scieries qui produisent des copeaux et de la sciure, ainsi que des écorces, mais qui ont aussi besoin de chaleur pour les fours de séchage du bois sont d'excellents exemples d'application. Les raffineries de canne à sucre en sont un autre. Elles ont besoin de beaucoup de chaleur mais disposent du résidu de la canne à sucre : la bagasse. D'autres applications intéressantes se retrouvent sur les sites d'usines de fabrication de meubles, d'alcool, de séchage industriel et de préparation des céréales mais aussi dans l'élevage de poulets, la production laitière et porcine.
DIAPOSITIVE 15: Modèle RETScreen pour les projets de chauffage à la biomasse
Bien que simple, ce modèle est un outil très pratique dans le cadre d'une analyse préliminaire de la faisabilité technique et financière d'implanter une installation de chauffage à la biomasse où qu'elle soit installée dans le monde, une installation de chauffage à la biomasse peut être analysée au niveau de l'énergie produite, des coûts globaux sur la durée de vie, et de réductions d'émissions de gaz à effet de serre. Le modèle s'applique aussi bien aux bâtiments individuels qu'à de larges groupes de bâtiments ou à des quartiers raccordés à un système de chauffage urbain. La centrale thermique peut comprendre une ou plusieurs chaudières utilisant la biomasse, une chaudière d'appoint pour les périodes de pointe, une chaudière de secours et des systèmes de récupération de rejets thermiques, par exemple d'origine industrielle. Le modèle est aussi une aide à la conception préliminaire et à l'évaluation des coûts d'un réseau de tuyauterie pour distribuer la chaleur.
Pour mener à bien une telle analyse, l'utilisateur doit fournir les données de température de calcul en chauffage et le nombre de degrés-jours de chauffage pour chacun des mois de l'année. Une base de données météorologiques, intégrée au modèle RETScreen, fournit ces valeurs pour un grand nombre d'endroits dans le monde. On demande aussi à l'utilisateur d'indiquer quelle est la consommation d'eau chaude sanitaire car cette donnée permet d'évaluer la portion d'énergie thermique dont la demande reste constante dans l'année.
Bien que le modèle RETScreen s'applique dans un grand nombre de cas pour différents types de systèmes, son utilisation n'a pas été validée pour des projets de chauffage urbain de très grande envergure, c'est-à-dire des projets de plus de 2,5 MW.
DIAPOSITIVE 16 : Calculs RETScreen : chauffage à la biomasse
Ce modèle permet de calculer l'énergie produite par une installation pour une année typique. Nous donnons ici un simple aperçu de ce modèle. Pour plus d'information, se reporter au Manuel d'ingénierie et d'étude de cas disponible sans frais sur le site Internet de RETScreen.
La première étape de calcul de RETScreen consiste à convertir la demande d'eau chaude sanitaire en un nombre équivalent de degrés-jours de chauffage du bâtiment ou du groupe de bâtiments étudiés, et ce pour chaque mois de l'année. RETScreen considère que la charge d'eau chaude est constante toute l'année et convertit cette charge en une charge équivalente de chauffage additionnel des locaux pour chaque mois de l'année. Pour obtenir une charge de chauffage plus élevée, on augmente le nombre de degré-jours de chacun des mois.
RETScreen utilise ensuite une méthode empirique d'obtention de la courbe des puissances classées puis de la courbe des charges classées. La courbe des puissances classées utilise le nombre d'heures dans une année comme axe des x, de 0 à 8 760 h, et la puissance de chauffage est exprimée sur l'axe des y comme une fraction de la puissance de pointe annuelle. Chaque point de la courbe indique combien d'heures dans l'année la demande de chauffage est supérieure ou égale à la puissance indiquée par la courbe.
Ainsi, le point d'intersection de la courbe des puissances classées avec l'axe des y correspond toujours avec la valeur 100 %. Si la courbe passe par 2 000 h et 50 %, cela indique que pendant 2 000 h par année, la demande de chauffage dépasse 50 % de la puissance de pointe annuelle.
La courbe des charges classées indique quant à elle quelle quantité d'énergie thermique doit être fournie à un niveau de puissance inférieur à celui de la courbe. Il s'agit donc d'une courbe dérivée de la courbe des puissances classées. L'axe des y est toujours la puissance de chauffage exprimée en pourcentage de la puissance de pointe annuelle. Mais cette fois-ci, l'axe des x est la quantité d'énergie exprimée en % de la demande totale annuelle d'énergie thermique. Un point de la courbe indique quelle portion de la quantité d'énergie thermique annuelle est fournie en-dessous ou au niveau de puissance correspondant au point de la courbe.
RETScreen calcule le nombre équivalent d'heures de fonctionnement de la chaufferie à plein régime qui est la demande annuelle d'énergie de chauffage divisée par la demande de pointe en chauffage. La demande annuelle d'énergie de chauffage est obtenue par RETScreen, en intégrant la courbe des puissances classées, c'est-à-dire en calculant la surface qui est sous cette courbe, multipliée par la puissance de pointe en chauffage.
RETScreen calcule ensuite la puissance de pointe en chauffage qui est la somme des puissances de pointe de chacun des bâtiments raccordés au réseau de chauffage. Ces valeurs sont données par l'utilisateur qui indique cette valeur par unité de surface de plancher chauffé. Des valeurs sont suggérées par RETScreen sur la base de la température de calcul en chauffage qui est disponible dans les bases de données météorologiques, ainsi qu'en fonction de la qualité de l'isolation thermique du bâtiment.
On a alors toutes les valeurs qui permettent de calculer la demande annuelle d'énergie de chauffage que devra fournir la centrale thermique qui sera obtenue en multipliant la puissance de pointe en chauffage par le nombre d'heures de fonctionnement à plein régime.
RETScreen détermine ensuite quelle portion de cette quantité d'énergie annuelle sera comblée respectivement par la récupération de chaleur, par la biomasse, et par les chaudières d'appoint destinées aux périodes de pointe. Ces systèmes sont considérés fonctionner dans cet ordre de priorité. C'est-à-dire que c'est la récupération de chaleur qui est utilisée en priorité puis la biomasse lorsqu'il y a besoin de puissance supplémentaire, puis les chaudières d'appoint uniquement lors des appels de pointe.
On peut facilement illustrer les contributions de chacun de ces systèmes sur la courbe des charges classées. Pour obtenir la quantité de biomasse nécessaire chaque année, on divise la quantité annuelle d'énergie fournie par les chaudières à biomasse par leur rendement saisonnier et par le contenu énergétique de la biomasse par unité de poids.
La dernière étape de calcul de RETScreen est destinée à aider l'utilisateur dans la conception du réseau de chauffage en donnant le débit nécessaire à y faire circuler. Cette valeur est obtenue en fonction des niveaux de puissance à fournir et des températures d'alimentation et de retour du réseau. Un diamètre de tuyauterie est suggéré en utilisant l'hypothèse qu'une perte de charge maximale doit être respecter au débit maximal que cette tuyauterie pourra véhiculer.
DIAPOSITIVE 17 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de chauffage à la biomasseLes résultats du modèle RETScreen ont été validés en les comparant à ceux d'autres logiciels d'analyse de systèmes de chauffage à la biomasse et en vérifiant le contenu énergétique de différentes biomasses en laboratoire.
On a également comparé les valeurs calorifiques de différentes sources de biomasse, calculées par RETScreen en fonction du taux d'humidité et de cendre, aux valeurs d'échantillons réels. La validation s'est concentrée sur 3 aspects du modèle : la détermination de la courbe des puissances classées, le calcul du pouvoir calorifique de la biomasse et le calcul du diamètre de tuyauterie du réseau de distribution.
La courbe des puissances classées obtenues par RETScreen a été comparée à celle obtenue avec le modèle suédois DD-IL. Ce modèle a été développé après analyse détaillée des données d'exploitation de 2 projets de chauffage urbain l'un en Suède, l'autre au Minnesota. On a tracé les courbes de puissances classées de 4 villes : Edmonton et Toronto au Canada, St.Paul au Minnesota et Uppsala près de Stockholm en Suède. On voit sur la courbe illustrée que les programmes sont d'accord à 1 % près.
Les résultats des algorithmes de calcul de la tuyauterie du réseau de chaleur de RETScreen ont été comparés à ceux du programme R22 de ABB. Ce programme a été très souvent utilisé en Scandinavie pour la conception de réseaux de chauffage urbain. Les diamètres suggérés par RETScreen sont généralement surestimés mais très proches des valeurs suggérées par R22.
Quatre-vingt-sept échantillons de biomasse issue de l'écorce de différentes espèces d'arbres de l'Est du Canada ont été analysées et leur valeur calorifique comparée à celle estimée par RETScreen. Les résultats concordent à 5 % près.
DIAPOSITIVE 18 : Conclusions
La biomasse peut combler les besoins d'énergie thermique de procédés industriels, de réseaux de chauffage urbain et de bâtiments industriels ou commerciaux. La biomasse peut être obtenue à un coût extrêmement avantageux lorsqu'il s'agit de résidus n'ayant pas de débouchés.
En comparaison d'une chaufferie utilisant un combustible fossile classique, une chaufferie utilisant la biomasse a besoin de plus d'espace physique, coûte plus cher à l'investissement et demande plus de surveillance. Cependant, lorsque les besoins d'énergie thermique sont importants sur une grande période de l'année, la biomasse est une option très intéressante si on considère les émissions réduites de gaz à effet de serre et causant les pluies acides, ainsi que les coûts plus faibles de la source d'énergie.
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse établit les courbes de puissances et de charges classées à partir d'un nombre minimal de données. Il détermine la puissance de pointe en chauffage d'une application et quelle quantité d'énergie sera produite par une installation de chauffage à la biomasse en fonction de sa puissance par rapport à la demande de pointe. RETScreen aide également à déterminer le diamètre requis de tuyauterie du réseau de chaleur.
En donnant une analyse annuelle des rendements techniques et financiers d'une installation de chauffage à la biomasse à partir de données mensuelles, RETScreen réduit considérablement les coûts et les difficultés de réaliser des analyses de préfaisabilité de telles installations.
DIAPOSITIVE 19 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de chauffage à la biomasse du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
Ceci est le module de formation Analyse de projets de chauffage à la biomasse du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons les installations de chauffage à la biomasse. Cette photo montre une usine de chauffage urbain en Suède qui brûle des copeaux de bois pour alimenter un réseau de chauffage d'un quartier complet.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de présenter les principes de base d'un système de chauffage à la biomasse; le deuxième est de décrire les enjeux importants à considérer lors de l'analyse de tels projets; et le dernier est de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de chauffage à la biomasse.
DIAPOSITIVE 3: Qu'est ce que les systèmes de chauffage à la biomasse fournissent?
Une installation de chauffage à la biomasse brûle des matières organiques comme des copeaux de bois, des résidus agricoles ou même des ordures ménagères pour en retirer de la chaleur. Cette chaleur peut être utilisée à toutes sortes de besoins de chauffage de locaux ou d'air de ventilation, de bâtiments ou de quartiers complets, mais aussi à des besoins thermiques industriels.
La biomasse est plus qu'un simple combustible. Il s'agit d'une ressource locale qui demande du travail pour l'extraire, et son exploitation contribue donc à la création d'emplois locaux. L'argent dépensé à utiliser cette ressource demeure dans l'économie régionale plutôt que de contribuer à l'exploitation de ressources fossiles parfois en provenance de pays éloignés.
De plus, les installations de chauffage à la biomasse utilisent souvent des résidus de l'industrie du bois ou de l'agriculture. Ces résidus deviennent alors une ressource plutôt que d'occasionner des frais pour leurs éliminations.
Une installation de chauffage à la biomasse s'intègre bien dans un réseau de chauffage urbain ou de récupération de chaleur. Un réseau de chauffage urbain permet de distribuer de la chaleur à un quartier à partir d'une seule centrale thermique et au moyen de tuyaux enfouis dans le sol. L'exploitation de la biomasse est alors facilitée car il est plus économique de surveiller une seule installation de chauffage que plusieurs petites installations.
Par ailleurs, une centrale thermique permet de justifier, à cause de son envergure, des investissements destinés à récupérer l'énergie résiduelle d'industries ou d'une centrale électrique située à proximité. On optimise alors l'utilisation de la biomasse et de combustibles classiques.
On voit sur cette photo une installation à Greussenheim en Allemagne. Cette installation produit de l'électricité en plus de la chaleur à partir de la combustion de résidus agricoles.
DIAPOSITIVE 4 : Description d'un système de chauffage à la biomasse
Les systèmes de chauffage à la biomasse dont il est question dans le modèle RETScreen sont uniquement des systèmes à haut rendement qui assurent une combustion complète et contrôlée du combustible. De telles chaufferies comprennent généralement une alimentation automatique en combustible. Les cheminées à foyer ouvert et les poêles à bois ne sont pas des installations qui entrent dans cette catégorie. Une installation de chauffage à la biomasse comprend une centrale thermique, un système de distribution de la chaleur et une installation pour la manipulation du combustible et l'alimentation des chaudières.
La centrale thermique peut intégrer jusqu'à 4 sources de chaleur. La première, lorsque cela est possible, sera de la récupération de chaleur d'un procédé industriel ou d'une centrale électrique qui permet de bénéficier d'une source d'énergie pratiquement gratuite ou à faible coût. La demande de chaleur de base qui excède la capacité de récupération de chaleur pourra alors être comblée par des chaudières à biomasse. Ensuite, pour répondre aux demandes de pointe en chauffage, on dispose de chaudières d'appoint qui ne combleront qu'une faible quantité d'énergie sur une base annuelle même si elles ont une puissance notable. C'est pourquoi on se contente souvent de combler cette demande avec des combustibles classiques.
La quatrième source de chaleur est celle de chaudières de secours, permettant d'assurer la fourniture de chaleur pendant les périodes d'entretien du système à la biomasse où en cas d'interruption des livraisons de biomasse. Souvent, ce sont les chaudières d'appoint qui servent en même temps de chaudière de secours. La récupération de chaleur résiduelleest aussi optionnelle.
Le réseau de distribution de chaleur relie la centrale thermique aux consommateurs. Il peut s'agir d'un réseau limité à un bâtiment mais aussi d'un réseau urbain permettant d'alimenter plusieurs bâtiments d'un quartier environnant la centrale thermique. Un tel réseau comprend des tuyaux isolés permettant d'alimenter les bâtiments à chauffer en eau chaude puis de retourner l'eau refroidie à la centrale thermique.
Dans une chaufferie utilisant la biomasse, l'approvisionnement en combustible et l'alimentation des chaudières sont des fonctions importantes pour assurer la fiabilité de l'installation et exigent des infrastructures plus compliquées qu'une simple alimentation en gaz naturel ou en mazout. En général, entre la réception du combustible et l'alimentation des chaudières, il y a besoin d'avoir sur place un opérateur qui pourra assurer plusieurs fonctions comme celle que l'on voit sur cette photo.
La centrale thermique doit être équipée de manière à pouvoir réceptionner les livraisons de biomasse par camion, avec assez d'espace de manoeuvre pour les engins de chargement et les camions. Il faut également pouvoir stocker du combustible à l'extérieur et à l'intérieur de la centrale. Une capacité de stockage réduite est moins encombrante et moins chère à construire mais exigera des livraisons plus fréquentes. Un système de transfert de combustible amènera la biomasse de la réserve jusqu'au système d'alimentation des chambres de combustion. Le chargement manuel des petites chaudières est toujours possible mais exige de la main d'oeuvre régulière. Les grandes chaufferies utilisent des engins de chargement et des systèmes d'alimentation automatique comme des vis sans fin. Ces systèmes doivent être conçus pour s'adapter à une qualité variable du combustible dont la densité et la consistance peuvent changer et dans lequel on peut retrouver des débris comme des bâtons, des bouts de câble ou des gants. Le système de transfert de combustible alimente soit une petite réserve quotidienne, soit directement le système d'alimentation de la chambre de combustion.
Ce dernier système contrôle la quantité et la vitesse d'introduction de la biomasse dans la chambre de combustion.
DIAPOSITIVE 5 : Description d'un système de chauffage à la biomasse (suite)
Cette figure illustre les différents composants d'un système de chauffage à la biomasse. À gauche se trouve l'aire de livraison et de stockage du combustible. Le système illustré utilise de la biomasse qui a été conditionnée en copeaux. C'est pourquoi on peut utiliser des convoyeurs et des vis sans fin pour transférer le combustible de la réserve principale vers la réserve quotidienne puis de celle-ci vers la chambre de combustion.
La chambre de combustion se trouve au centre du schéma. On maintient dans cet espace confiné des conditions contrôlées permettant d'augmenter le rendement énergétique et d'obtenir une combustion la plus complète possible. Le combustible est amené sur une grille de combustion sous laquelle arrive un débit contrôlé d'air de combustion qui régule le niveau de combustion en fonction de la demande. Dans les systèmes de plus grande puissance, les grilles de combustion sont animées d'un mouvement de va-et-vient qui permet d'avoir un lit de combustible d'épaisseur uniforme et de mieux repartir les zones de combustion en dirigeant le combustible enflammé vers les zones où le débit d'air est plus élevé. Ce mouvement permet également d'éliminer les cendres de la zone de combustion vers l'extrémité des grilles. La chambre de combustion est entourée de matériaux réfractaires qui réfléchissent la chaleur et en remettent vers l'intérieur de la chambre, ce qui permet d'y maintenir une température plus élevée, propice à une combustion plus complète.
La chaleur générée est récupérée dans un échangeur de chaleur placé directement dans la chambre de combustion ou dans le flux de gaz de combustion qui quitte la chambre pour se diriger vers la cheminée. Dans les petites installations, l'échangeur de chaleur peut être une simple chemise d'eau entourant la chambre de combustion. Les plus grandes installations utilisent des chaudières ou le fluide caloporteur peut être de l'eau pressurisée, de la vapeur ou une huile thermique qui circule ensuite dans un échangeur de chaleur qui réchauffe la boucle d'eau chaude du système de chauffage.
Les cendres récupérées en dessous de la chambre de combustion peuvent être enlevées à la main ou par un système automatique, tel que celui qui est illustré dans ce schéma. Les cendres volantes entraînées dans les gaz de combustion peuvent être récupérées dans la cheminée pour limiter les émissions de particules. Ces particules retombent dans les zones où on ralentit la vitesse des gaz de combustion. On peut alors les récupérer comme on le voit sur ce schéma ou les laisser s'accumuler pour les enlever à intervalles réguliers.
DIAPOSITIVE 6 : Système de chauffage de pointe vs système de base
Un aspect important de la conception d'une installation de chauffage à la biomasse est le choix de la puissance de la chaudière. Il y a 2 approches possibles : soit on dimensionne la chaudière en fonction de la charge de pointe, ce qui signifie que le système à la biomasse pourra répondre à la demande de pointe en chauffage; soit on la dimensionne en fonction d'une charge de base, c'est-à-dire que le système à la biomasse répond à des besoins typiques de la saison de chauffage.
La première approche favorise une utilisation maximale de biomasse et minimale de combustible classique. Elle peut être intéressante lorsque le prix de ce dernier est très élevé. Cependant, cette approche conduira à un système à la biomasse plus puissant donc plus cher que celui conçu pour répondre à une demande de base seulement. De plus, comme la demande de chauffage est variable, cette installation fonctionnera la plupart du temps à un niveau de puissance très nettement inférieur à sa puissance nominale, ce qui affectera son rendement saisonnier et augmentera ses émissions polluantes.
L'approche basée sur une charge de base conduit à des installations de beaucoup plus faible puissance donc moins coûteuses. Bien que la puissance du système à la biomasse soit très inférieure à la demande de pointe en chauffage, cela n'empêche pas que la biomasse puisse contribuer à une proportion très importante des besoins annuels d'énergie thermique. Une telle configuration peut être très rentable. De plus, le système à la biomasse fonctionne alors de plus longue période de temps à sa puissance nominale ce qui permet d'en obtenir un meilleur rendement et de réduire les émissions polluantes. Cependant, il faut prévoir un système d'appoint pour les périodes de pointe ce qui augmente le recours à un combustible fossile classique.
C'est la nature de l'application qui déterminera laquelle des deux approches est la meilleure. Les très grandes installations devant assumer des besoins importants et stables adopteront la première approche. Les petites installations destinées au chauffage des locaux et à la production d'eau chaude sanitaire seront plutôt conçues en fonction d'une charge de base typique.
DIAPOSITIVE 7 : Système de chauffage urbain
Un système de chauffage urbain permet de répondre aux besoins de chauffage de plusieurs bâtiments situés à proximité d'une centrale thermique. Il s'agit généralement de bâtiments publics, commerciaux ou résidentiels situés à quelques centaines de mètres les uns des autres dans un même quartier.
Des tuyaux isolés sont enfouis entre 60 et 80 cm dans le sol et transportent l'eau chaude dans un réseau. L'eau chaude peut être fournie à une température pouvant atteindre 130 °C et retourne à la centrale thermique à une température entre 40 et 80 °C. Ces tuyaux n'ont pas besoin d'être enfouis en dessous de la ligne de gel car ils sont isolés et contiennent de l'eau chaude en circulation.
Un réseau de chauffage urbain a de nombreux avantages en comparaison de chaufferies individuelles dans chacun des bâtiments. Une chaufferie centrale peut être exploitée selon des techniques optimales qui ne se justifieraient pas dans une chaufferie ordinaire. On peut également employer du personnel qui veillera au parfait fonctionnement des installations. On peut donc plus facilement envisager utiliser de la biomasse dans une centrale thermique alors que dans une chaufferie d'immeuble, on optera plutôt pour un combustible classique, plus facile à utiliser ou pour des appareils de chauffage utilisant la biomasse avec de mauvais rendements comme de simple poêle à bois. Une centrale thermique peut donc utiliser la biomasse de manière optimale et contribuer aussi à valoriser une ressource renouvelable d'énergie tout en réduisant les émissions polluantes. De plus, les utilisateurs bénéficient d'un système de chauffage très sécuritaire aisément modulable donc plus confortable.
Les coûts d'investissement d'un réseau de chauffage urbain sont élevés. Il est plus facile d'intégrer un tel réseau à un nouveau quartier en développement. L'ajout à un réseau de chauffage urbain d'un système utilisant de la biomasse comme combustible demande plus d'attention que lorsqu'on prévoit une simple centrale thermique utilisant un combustible fossile classique.
Cela signifie que le choix de la biomasse comme source d'énergie exige une bonne organisation et de la volonté.
DIAPOSITIVE 8 : Biocombustibles
Toutes sortes de matériaux disponibles à bas coût sont issues de la biomasse à commencer par le bois et les résidus de l'industrie du bois qui se présentent sous la forme de copeaux, de sciure ou de granules de sciure compressée. Il y a aussi les résidus de la production agricole et de l'élevage, c'est-à-dire la paille, les écales de grain, les litières et le fumier. Des cultures à croissance rapide peuvent être dédiées à la production de biomasse pour produire de l'énergie, par exemple le peuplier, le sorgho et l'osier. Les incinérateurs d'ordures ménagères peuvent entrer dans la catégorie des systèmes utilisant la biomasse.
Les combustibles issus de la biomasse ont de très importantes variations de qualité et de densité en comparaison des combustibles fossiles. Il est donc important d'évaluer le contenu en eau, le taux de cendres et la valeur calorifique de la biomasse que l'on envisage utiliser. La biomasse contient toujours de l'humidité mais s'il y a en a trop, elle devient lourde à transporter et à manipuler, problématique à stocker à cause de la fermentation possible et elle perd du pouvoir calorifique car on doit transformer l'humidité en vapeur d'eau lors de la combustion. L'utilisation de biomasse humide rend plus difficile une bonne combustion ce qui conduit à des émissions plus importantes de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés.
Les cendres sont constituées de matières incombustibles mélangées à la biomasse. Elles ne produisent pas d'énergie et sont source de problèmes dans la chambre de combustion, dans les dispositifs d'élimination des cendres et sur les surfaces des échangeurs de chaleur.
Le contenu énergétique de la biomasse est la quantité d'énergie qui est libérée par la combustion de celle-ci. Cette quantité d'énergie dépend des proportions de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans les constituants du combustible. Le contenu énergétique est plus faible lorsque les taux d'humidité et de cendre augmentent.
Le coût de la biomasse dépend de son origine. S'il s'agit d'un résidu récupéré et qui aurait dû être éliminé comme un déchet, il peut y avoir un coût négatif de la biomasse, c'est-à-dire que le fait qu'on l'utilise sera un avantage pour le producteur qui pourra par exemple accepter de la livrer gratuitement. D'autres résidus, comme les écorces, peuvent être obtenus sans coûts car ils n'ont pas d'autre utilisation possible que d'être un combustible. La biomasse récoltée, cultivée ou préparée spécialement pour servir de combustible sera vendue à un coût dépendant de sa qualité. Certains produits conditionnés comme les granules et les briquettes peuvent être plus chers qu'un combustible fossile.
Avant d'investir dans un projet de chauffage à la biomasse, il est essentiel de pouvoir compter sur un approvisionnement fiable et à long terme. Le coût du combustible peut être influencé par de nouvelles utilisations possibles. Par exemple, la valeur de l'écorce de certains résineux peut augmenter lorsqu'on lui trouve des applications pour l'aménagement de jardins par des paysagistes. C'est pourquoi il est intéressant de signer des contrats d'approvisionnement à long terme avec les fournisseurs locaux que l'on doit évaluer pour leur fiabilité et leur sérieux.
Les moyens de livraison de la biomasse dépendent de la forme sous laquelle celle-ci se trouve. Cela a également une influence sur la machinerie de manutention et les infrastructures de stockage.
DIAPOSITIVE 9 : Incidences environnementales des biocombustibles
La biomasse récoltée selon les principes du développement durable est considérée comme une source renouvelable d'énergie. Lors de sa croissance par photosynthèse qui prend entre une année et moins de quelques dizaines d'années, la biomasse absorbe le gaz carbonique de l'atmosphère. C'est cette même quantité de gaz à effet de serre qui est relâchée par la suite lors de la combustion. C'est pourquoi on considère que l'utilisation de la biomasse a un bilan nul au niveau des émissions de gaz pouvant être à l'origine des changements climatiques. La plupart des biocombustibles ont des teneurs négligeables en soufre et leur utilisation n'est pas la cause des pluies acides.
La combustion de la biomasse est une source locale de certaines émissions polluantes qui peuvent être soumises à la réglementation comme les émissions de monoxyde de carbone, de CO2 et de CO4, de N0x, de particules d'hydrocarbures et de certains composants aromatiques potentiellement cancérigènes. L'application de ces réglementations dépendra du type de biomasse utilisée et de l'envergure du projet envisagé.
Les 2 photos que l'on voit illustrent la valorisation de résidus de deux importantes activités industrielles : les copeaux produits par des scieries et la bagasse, le résidu fibreux de la canne à sucre une fois que l'on en a extrait le jus sucré.
DIAPOSITIVE 10 : Exemples de coûts de systèmes de chauffage à la biomasse
Le tableau du haut montre les coûts d'investissement et les frais annuels comparés d'exploitation d'une chaufferie au mazout et d'un autre utilisant des copeaux de bois. Les deux systèmes sont destinés au chauffage d'un bâtiment de 800 m² et peuvent fournir jusqu'à 150 kW de puissance thermique. À l'investissement, le système utilisant la biomasse est 4 fois plus cher car il exige la construction d'une chaufferie à l'extérieur du bâtiment et l'installation de coûteux équipements de transfert du combustible, alors qu'un coin du bâtiment suffit à loger une chaudière à mazout et son réservoir. Les coûts d'exploitation et d'entretien du système utilisant la biomasse sont également plus élevés. Cependant, à cause du faible coût des copeaux de bois disponibles d'une scierie voisine, le système utilisant la biomasse devient à long terme l'option la plus économique.
C'est une illustration typique des installations à la biomasse qui demandent un investissement initial plus élevé mais permettent d'utiliser un combustible à bas coût. Le deuxième tableau permet de comparer le prix de revient de l'énergie thermique obtenue de différentes sources. Les prix mentionnés varient d'une région à l'autre et dans le temps mais illustrent très bien les tendances générales. C'est l'électricité qui est, comme normalement, la source d'énergie de loin la plus chère pour produire simplement de la chaleur. Le gaz naturel et le mazout se situent au milieu de l'échelle et reviennent au même coût que les copeaux de bois produits spécifiquement comme combustible. L'énergie de loin la moins chère est celle de résidus de scierie dont le coût est à peine plus élevé que celui de leur transport car ils ne peuvent par trouver d'autre utilisation.
DIAPOSITIVE 11 : Enjeux d'un projet de chauffage à la biomasse
À la différence des combustibles classiques qui sont des produits standards quasi identiques d'un fournisseur à l'autre, la biomasse est de constitution très variable et sa qualité varie d'un fournisseur à un autre. Pour qu'un projet de chauffage à la biomasse soit un succès, il faut pouvoir compter sur un approvisionnement à long terme en biomasse d'une qualité acceptable et à un coût compétitif par rapport aux combustibles classiques. C'est généralement le cas lorsque la biomasse est produite sur place ou disponible localement et que le coût des combustibles fossiles est élevé. Il faut aussi évaluer les possibilités que la biomasse puisse trouver un autre débouché qui en augmenterait la valeur, donc le coût prévu à moyen ou long terme. C'est pourquoi un contrat d'approvisionnement à long terme doit prévoir une clause de prix qui assurera une stabilité minimale.
Un système utilisant la biomasse sera plus rentable si on peut l'utiliser toute l'année à un certain régime. C'est le cas des procédés industriels. On obtient alors des systèmes qui fonctionnent à un niveau de puissance proche de leur puissance nominale donc avec une meilleure efficacité. De plus, les économies sur les coûts de la source d'énergie sont générées tout au cours de l'année, ce qui permet de récupérer plus rapidement les coûts d'investissement initiaux et les frais annuels d'exploitation.
Des installations utilisant la biomasse exigent plus d'espace qu'une chaufferie utilisant une énergie classique. Les applications en milieu rural ou industriel se prêtent donc généralement mieux à de telles installations car elles ont l'espace nécessaire à la manutention et au stockage du combustible.
Les installations de chauffage à la biomasse demandent généralement plus d'attention pour leur surveillance. Il faut pouvoir compter sur du personnel motivé pendant la saison de chauffage car il faut surveiller que les livraisons de biomasse se font bien, puis que les
systèmes de transfert de combustible fonctionnent sans problème, ainsi que s'occuper de l'élimination des cendres. Si les utilisateurs ne prévoient pas une telle surveillance, l'exploitation du système sera problématique et le recours plus fréquent aux chaudières d'appoint utilisant un combustible classique augmentera les coûts d'exploitation. Lors de la planification d'un tel projet, il faut également veiller aux coûts plus élevés des primes d'assurance contre le feu et des mesures de sécurité et de contrôle de la qualité de l'air ainsi que pour l'élimination des cendres.
DIAPOSITIVE 12 : Centrales thermiques utilisant la biomasse - Exemples : Autriche, Allemagne et Slovénie
On peut combiner un réseau de chauffage urbain à une centrale utilisant la biomasse comme combustible ce qui permet de combler les besoins d'un village entier ou d'un quartier complet en chauffage des locaux, en chauffage d'air de ventilation, en eau chaude sanitaire ou pour certains procédés. La chaleur peut alimenter des bâtiments publics comme des hôpitaux, des écoles ou des complexes sportifs, ou encore des bâtiments commerciaux, des immeubles à bureaux et des entrepôts, des immeubles résidentiels et des bâtiments industriels. On peut même raccorder des résidences individuelles si elles sont regroupées dans un même quartier raccordé au réseau. Le raccordement de maisons existantes à un réseau urbain est généralement moins rentable.
La photo de gauche montre une petite ville de Slovénie, équipée d'un réseau de chauffage urbain. La centrale thermique qui alimente ce réseau a été récemment convertie du mazout à la biomasse. La photo du centre montre une chaudière à bois de faible puissance. La photo de droite montre le système d'alimentation automatique en combustible d'une grosse installation.
DIAPOSITIVE 13 : Bâtiments de type institutionnel et commercial - Exemple : Canada
Des bâtiments peuvent combler individuellement leurs besoins de chauffage en utilisant la biomasse. Pour pouvoir récupérer les coûts importants d'investissement et les frais de main d'oeuvre liés à l'exploitation d'une chaufferie à la biomasse, ce mode de chauffage est généralement réservé aux bâtiments ayant une envergure minimum. C'est le cas de bâtiments publics comme les hôpitaux, les écoles, les bâtiments municipaux et commerciaux, incluant les entrepôts, les garages et les hôtels.
La photo de gauche montre un immeuble public au Canada, qui utilise la biomasse comme moyen de chauffage. La photo de droite montre une petite installation de chauffage d'un bâtiment commercial utilisant également la biomasse.
DIAPOSITIVE 14 : Chauffage de procédé - Exemples : Brésil et États-Unis
Certains secteurs industriels sont à la fois des producteurs de biomasse et des utilisateurs de chaleur. Ce sont donc des applications idéales pour le chauffage à la biomasse. Si les résidus de biomasse n'ont pas de valeur marchande ou doivent être éliminés, ils peuvent constituer une source d'énergie à un coût très avantageux. Les scieries qui produisent des copeaux et de la sciure, ainsi que des écorces, mais qui ont aussi besoin de chaleur pour les fours de séchage du bois sont d'excellents exemples d'application. Les raffineries de canne à sucre en sont un autre. Elles ont besoin de beaucoup de chaleur mais disposent du résidu de la canne à sucre : la bagasse. D'autres applications intéressantes se retrouvent sur les sites d'usines de fabrication de meubles, d'alcool, de séchage industriel et de préparation des céréales mais aussi dans l'élevage de poulets, la production laitière et porcine.
DIAPOSITIVE 15: Modèle RETScreen pour les projets de chauffage à la biomasse
Bien que simple, ce modèle est un outil très pratique dans le cadre d'une analyse préliminaire de la faisabilité technique et financière d'implanter une installation de chauffage à la biomasse où qu'elle soit installée dans le monde, une installation de chauffage à la biomasse peut être analysée au niveau de l'énergie produite, des coûts globaux sur la durée de vie, et de réductions d'émissions de gaz à effet de serre. Le modèle s'applique aussi bien aux bâtiments individuels qu'à de larges groupes de bâtiments ou à des quartiers raccordés à un système de chauffage urbain. La centrale thermique peut comprendre une ou plusieurs chaudières utilisant la biomasse, une chaudière d'appoint pour les périodes de pointe, une chaudière de secours et des systèmes de récupération de rejets thermiques, par exemple d'origine industrielle. Le modèle est aussi une aide à la conception préliminaire et à l'évaluation des coûts d'un réseau de tuyauterie pour distribuer la chaleur.
Pour mener à bien une telle analyse, l'utilisateur doit fournir les données de température de calcul en chauffage et le nombre de degrés-jours de chauffage pour chacun des mois de l'année. Une base de données météorologiques, intégrée au modèle RETScreen, fournit ces valeurs pour un grand nombre d'endroits dans le monde. On demande aussi à l'utilisateur d'indiquer quelle est la consommation d'eau chaude sanitaire car cette donnée permet d'évaluer la portion d'énergie thermique dont la demande reste constante dans l'année.
Bien que le modèle RETScreen s'applique dans un grand nombre de cas pour différents types de systèmes, son utilisation n'a pas été validée pour des projets de chauffage urbain de très grande envergure, c'est-à-dire des projets de plus de 2,5 MW.
DIAPOSITIVE 16 : Calculs RETScreen : chauffage à la biomasse
Ce modèle permet de calculer l'énergie produite par une installation pour une année typique. Nous donnons ici un simple aperçu de ce modèle. Pour plus d'information, se reporter au Manuel d'ingénierie et d'étude de cas disponible sans frais sur le site Internet de RETScreen.
La première étape de calcul de RETScreen consiste à convertir la demande d'eau chaude sanitaire en un nombre équivalent de degrés-jours de chauffage du bâtiment ou du groupe de bâtiments étudiés, et ce pour chaque mois de l'année. RETScreen considère que la charge d'eau chaude est constante toute l'année et convertit cette charge en une charge équivalente de chauffage additionnel des locaux pour chaque mois de l'année. Pour obtenir une charge de chauffage plus élevée, on augmente le nombre de degré-jours de chacun des mois.
RETScreen utilise ensuite une méthode empirique d'obtention de la courbe des puissances classées puis de la courbe des charges classées. La courbe des puissances classées utilise le nombre d'heures dans une année comme axe des x, de 0 à 8 760 h, et la puissance de chauffage est exprimée sur l'axe des y comme une fraction de la puissance de pointe annuelle. Chaque point de la courbe indique combien d'heures dans l'année la demande de chauffage est supérieure ou égale à la puissance indiquée par la courbe.
Ainsi, le point d'intersection de la courbe des puissances classées avec l'axe des y correspond toujours avec la valeur 100 %. Si la courbe passe par 2 000 h et 50 %, cela indique que pendant 2 000 h par année, la demande de chauffage dépasse 50 % de la puissance de pointe annuelle.
La courbe des charges classées indique quant à elle quelle quantité d'énergie thermique doit être fournie à un niveau de puissance inférieur à celui de la courbe. Il s'agit donc d'une courbe dérivée de la courbe des puissances classées. L'axe des y est toujours la puissance de chauffage exprimée en pourcentage de la puissance de pointe annuelle. Mais cette fois-ci, l'axe des x est la quantité d'énergie exprimée en % de la demande totale annuelle d'énergie thermique. Un point de la courbe indique quelle portion de la quantité d'énergie thermique annuelle est fournie en-dessous ou au niveau de puissance correspondant au point de la courbe.
RETScreen calcule le nombre équivalent d'heures de fonctionnement de la chaufferie à plein régime qui est la demande annuelle d'énergie de chauffage divisée par la demande de pointe en chauffage. La demande annuelle d'énergie de chauffage est obtenue par RETScreen, en intégrant la courbe des puissances classées, c'est-à-dire en calculant la surface qui est sous cette courbe, multipliée par la puissance de pointe en chauffage.
RETScreen calcule ensuite la puissance de pointe en chauffage qui est la somme des puissances de pointe de chacun des bâtiments raccordés au réseau de chauffage. Ces valeurs sont données par l'utilisateur qui indique cette valeur par unité de surface de plancher chauffé. Des valeurs sont suggérées par RETScreen sur la base de la température de calcul en chauffage qui est disponible dans les bases de données météorologiques, ainsi qu'en fonction de la qualité de l'isolation thermique du bâtiment.
On a alors toutes les valeurs qui permettent de calculer la demande annuelle d'énergie de chauffage que devra fournir la centrale thermique qui sera obtenue en multipliant la puissance de pointe en chauffage par le nombre d'heures de fonctionnement à plein régime.
RETScreen détermine ensuite quelle portion de cette quantité d'énergie annuelle sera comblée respectivement par la récupération de chaleur, par la biomasse, et par les chaudières d'appoint destinées aux périodes de pointe. Ces systèmes sont considérés fonctionner dans cet ordre de priorité. C'est-à-dire que c'est la récupération de chaleur qui est utilisée en priorité puis la biomasse lorsqu'il y a besoin de puissance supplémentaire, puis les chaudières d'appoint uniquement lors des appels de pointe.
On peut facilement illustrer les contributions de chacun de ces systèmes sur la courbe des charges classées. Pour obtenir la quantité de biomasse nécessaire chaque année, on divise la quantité annuelle d'énergie fournie par les chaudières à biomasse par leur rendement saisonnier et par le contenu énergétique de la biomasse par unité de poids.
La dernière étape de calcul de RETScreen est destinée à aider l'utilisateur dans la conception du réseau de chauffage en donnant le débit nécessaire à y faire circuler. Cette valeur est obtenue en fonction des niveaux de puissance à fournir et des températures d'alimentation et de retour du réseau. Un diamètre de tuyauterie est suggéré en utilisant l'hypothèse qu'une perte de charge maximale doit être respecter au débit maximal que cette tuyauterie pourra véhiculer.
DIAPOSITIVE 17 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de chauffage à la biomasseLes résultats du modèle RETScreen ont été validés en les comparant à ceux d'autres logiciels d'analyse de systèmes de chauffage à la biomasse et en vérifiant le contenu énergétique de différentes biomasses en laboratoire.
On a également comparé les valeurs calorifiques de différentes sources de biomasse, calculées par RETScreen en fonction du taux d'humidité et de cendre, aux valeurs d'échantillons réels. La validation s'est concentrée sur 3 aspects du modèle : la détermination de la courbe des puissances classées, le calcul du pouvoir calorifique de la biomasse et le calcul du diamètre de tuyauterie du réseau de distribution.
La courbe des puissances classées obtenues par RETScreen a été comparée à celle obtenue avec le modèle suédois DD-IL. Ce modèle a été développé après analyse détaillée des données d'exploitation de 2 projets de chauffage urbain l'un en Suède, l'autre au Minnesota. On a tracé les courbes de puissances classées de 4 villes : Edmonton et Toronto au Canada, St.Paul au Minnesota et Uppsala près de Stockholm en Suède. On voit sur la courbe illustrée que les programmes sont d'accord à 1 % près.
Les résultats des algorithmes de calcul de la tuyauterie du réseau de chaleur de RETScreen ont été comparés à ceux du programme R22 de ABB. Ce programme a été très souvent utilisé en Scandinavie pour la conception de réseaux de chauffage urbain. Les diamètres suggérés par RETScreen sont généralement surestimés mais très proches des valeurs suggérées par R22.
Quatre-vingt-sept échantillons de biomasse issue de l'écorce de différentes espèces d'arbres de l'Est du Canada ont été analysées et leur valeur calorifique comparée à celle estimée par RETScreen. Les résultats concordent à 5 % près.
DIAPOSITIVE 18 : Conclusions
La biomasse peut combler les besoins d'énergie thermique de procédés industriels, de réseaux de chauffage urbain et de bâtiments industriels ou commerciaux. La biomasse peut être obtenue à un coût extrêmement avantageux lorsqu'il s'agit de résidus n'ayant pas de débouchés.
En comparaison d'une chaufferie utilisant un combustible fossile classique, une chaufferie utilisant la biomasse a besoin de plus d'espace physique, coûte plus cher à l'investissement et demande plus de surveillance. Cependant, lorsque les besoins d'énergie thermique sont importants sur une grande période de l'année, la biomasse est une option très intéressante si on considère les émissions réduites de gaz à effet de serre et causant les pluies acides, ainsi que les coûts plus faibles de la source d'énergie.
Le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse établit les courbes de puissances et de charges classées à partir d'un nombre minimal de données. Il détermine la puissance de pointe en chauffage d'une application et quelle quantité d'énergie sera produite par une installation de chauffage à la biomasse en fonction de sa puissance par rapport à la demande de pointe. RETScreen aide également à déterminer le diamètre requis de tuyauterie du réseau de chaleur.
En donnant une analyse annuelle des rendements techniques et financiers d'une installation de chauffage à la biomasse à partir de données mensuelles, RETScreen réduit considérablement les coûts et les difficultés de réaliser des analyses de préfaisabilité de telles installations.
DIAPOSITIVE 19 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de chauffage à la biomasse du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
