4. Techniques de Réglage :

    Adopter une démarche correspondant à une logique de développement durable consiste à économiser le plus possible d'énergie. Pour cette raison, la centrale thermique de la Duchère se doit de produire une quantité d'énergie concordant avec la demande des citoyens. Sur certains systèmes de production de chaleur, comme les chaudières au gaz, on peut régler la quantité d'énergie produite très rapidement et par la simple manipulation d'un bouton ; pour une chaudière au bois, c'est une autre histoire...

    4.1 Le combustible :

    La particularité de la chaufferie que nous sommes allés visiter est qu'elle reçoit presque tous les types de bois. En effet elle reçoit aussi bien l'écorce des arbres, que les troncs, que des palettes désuèts utilisées par d'autres industries... Seul le bois peint est interdit : des gaz nocifs pourraient apparaître durant la combustion. L'ensemble de toutes ces matières organiques qui deviennent des sources d'énergie est appelé la biomasse. La chaufferie de la Duchère est équipée de deux chaudières biomasse.

    Il est à noter que le bois ne brûle pas au sens technique du terme. En fait, dès qu’il est chauffé, le bois sèche, puis se décompose. On appelle ce phénomène de combustion du bois la pyrolyse. La combustion se déroule en trois phases :

• Le séchage : Le bois, même lorsqu’il est convenablement sec, contient encore 15 à 20% d’humidité alors lorsqu’il se met à chauffer, il laisse d’abord se dégager cette humidité ;
• Le dégazage : Le bois rejette, lorsqu’il meurt, les gaz absorbés durant sa vie. A partir de 200 °C, environ, ces gaz commencent à s’échapper massivement du bois. Lorsqu’on constate la présence d'air, les gaz combustibles s’enflamment. Cette phase, contrairement à la précédente, produit de la chaleur, ce qui entretient le processus de combustion que l'on appelle alors auto-combustion. La température peut monter jusqu’à 800 °C.
• La combustion des braises : Le bois étant "libéré" de ses gaz, il se transforme en charbon de bois, ce qui représente environ 30% de la masse anhydre initiale. En présence d’assez d’air, le charbon de bois brûle à son tour, presque sans flamme, et devient incandescent : ce sont les braises.
  

    4.2 L'humidité :

    Lorsque la biomasse arrive à la centrale thermique, elle est dotée d'un certain taux d'humidité. L'humidité du bois est définie comme étant le rapport de la masse de l'eau, contenue dans la matière organique, par la masse totale du chargement. Le terme technique désignant ce taux d'humidité est : "humidité sur brut".

h : Humidité sur brut (%)

m_eau : Masse de l'eau contenue dans le corps (kg dans le S.I.)

m_totale : Masse totale du corps (kg dans le S.I.)

        4.2.1 Comment calculer l'humidité d'un chargement ?

    D'après M^r Dalla-Riva, il est assez simple de déterminer le taux d'humidité d'un chargement. En effet, il suffit d'avoir une balance de précision et un micro-ondes à disposition !

    Pour calculer le taux d'humidité d'un chargement, on commence par déterminer la masse du chargement en question. Pour cela, la centrale dispose d'un système permettant la pesée du camion et de son chargement. La différence entre la masse du camion chargé et du camion à vide correspond à la masse du chargement.

    Ensuite, un employé vient prélever environ 300 g du chargement. On considère que le prélèvement de cette matière, étant donné sa masse extrêmement faible, ne fait pas varier la masse totale du chargement. Après, on met l'échantillon prélevé dans un micro-onde pour faire évaporer l'eau qu'il contient. Une fois cette opération effectuée, on pèse l'échantillon dépourvu d'eau. Par conséquent, on connaît la masse de l'eau précédemment contenue dans l'échantillon : elle correspond à la différence entre la masse initiale de l'échantillon et la masse de l'échantillon anhydre (sans eau). En admettant que l'eau est répartie de manière homogène dans tout le chargement, l'humidité de l'échantillon correspond à l'humidité du chargement.

    Récapitulons, à ce stade, on connaît la masse de l'échantillon, la masse de l'eau évaporée, il suffit d'appliquer la formule citée ci-dessus. Par exemple, pour un échantillon d'une masse initiale de 300 g et 195 g d'eau évaporée, on a : 195*100/300 = 65% d'humidité.

        4.2.2 L'humidité : un paramètre essentiel :

    Pourquoi l'humidité du chargement est-elle si importante ? Tout simplement car c'est elle qui va permettre de réguler l'énergie produite par la centrale. En effet, il se trouve que l'énergie dégagée lors de la combustion du bois varie en fonction de l'humidité de ce dernier. On dit que l'humidité est une grandeur d'influence car elle fait varier la valeur de l'énergie produite.

    4.3 Le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) :

    Le Pouvoir Calorifique Inférieur, ou PCI, correspond à l'énergie thermique libérée par la combustion d'une certaine quantité d'un matériau (ici la biomasse), sous forme de chaleur sensible (c'est à dire, sans transformation d'état physique). Chaque essence dispose d'un PCI qui lui est propre ; néanmoins, à la Duchère, pour se simplifier la tâche, on utilise un PCI de référence pour la biomasse utilisée.

        4.3.1 Etude de la fonction liant la valeur du PCI de référence à celle de l'humidité de la biomasse :

    Le PCI de référence varie en fonction du taux d'humidité du combustible, suivant la fonction, nomée  P, suivante :

P : Nom de la fonction liant la valeur du PCI de référence à celle de l'humidité de la biomasse

h : Variable désignant l'humidité de la biomasse (%)

    La fonction P comprend un ensemble de définition appelé D_P en accord avec l'environnement. En effet, si les bornes de D_P sont franchies, des gaz nocifs pour l'environnement peuvent être rejetés. Les bornes de D_P désignent l'intervalle dans lequel l'humidité de la biomasse utilisée doit se trouver.

    La fonction P est une fonction affine, de la forme :

f : Nom de la fonction affine

x : Variable

a : Constante appelée "coefficient directeur"

b : Constante appelée "ordonnée à l'origine"

    Dans le cas présent, le coefficient directeur est strictement négatif : -56 < 0. Par conséquent, la fonction P est décroissante sur D_P. Ses limites sont calculables directement puisque l'intervalle correspondant à l'ensemble de définition de P est fermé.

    Les limites permettent d'établir le tableau de variation de la fonction P :

    Voici la courbe représentative de la fonction P :

    Cette courbe met en évidence le fait que moins la biomasse est humide et plus elle fournit d'énergie.

        4.3.2 Comment régler le PCI ?

    Savoir régler le PCI de la biomasse, c'est savoir produire juste l'énergie nécessaire pour répondre à la demande des consommateurs. Or, le fait de ne pas gaspiller d'énergie est en accord avec la logique de développement durable. Pour régler le PCI de la biomasse, il faut intervenir sur la variable de la fonction P, c'est à dire l'humidité de la biomasse. Le but est donc de savoir quelle quantité d'eau doit être ajoutée ou retirée du chargement de biomasse pour obtenir un PCI donné. Pour ce faire, il existe de nombreuses formules... mais afin de simplifier les choses, on peut présenter la situation sous la forme d'un tableau de proportionnalité :

m_{totale initiale} : Masse totale du chargement, au départ (en t) (m_{totale initiale} > 0)

m_bois : Masse de la biomasse anhydre dans le chargement (en t)

m_{eau initiale} : Masse de l'eau initialement présente dans le chargement (en t)

h_initiale : Humidité initiale du chargement (valeur comprise dans l'intervalle [0 ; 100[)

    Au départ, on ne connaît que les quatre données mises en gras dans le tableau. Le but est d'arriver à déterminer la masse d'eau à ajouter ou à retirer dans le chargement pour faire varier l'humidité de ce dernier. On veut donc arriver à une situation où la valeur de la donnée soulignée est connue :

m_{totale finale} : Masse totale du chargement, après ajout, ou enlèvement d'eau (en t)

m_{eau finale} : Masse de l'eau présente dans le chargement, après ajout, ou enlèvement d'eau (en t)

h_finale : Humidité finale du chargement

    On veut donc arriver à déterminer la valeur de la masse d'eau finale. Pour cela, il faut lier le premier tableau de proportionnalité, où l'on connaît quatre valeurs, au second tableau de proportionnalité, où l'on veut déterminer la valeur de la donnée m_{eau finale}. Pour cela, il suffit de s'apercevoir qu'une donnée est commune aux deux tableaux, il s'agit de la donnée m_bois : cette donnée ne change pas de valeur après modification de l'humidité puisque la quantité de bois reste toujours la même dans le chargement quelque soit l'humidité.

    On détermine donc la valeur de m_bois dans le premier tableau à l'aide de la formule suivante, qui ne correspond qu'à un produit en croix :

    Lorsque la valeur de m_bois est connue, on la reporte dans le second tableau. Il ne manque plus qu'une seule valeur : h_finale. Si l'on connaît cette valeur, on connaît obligatoirement celle-ci : 100 - h_finale. Il faut donc la déterminer. Pour ce faire, on utilise la fonction P. Cette fonction associe le PCI de référence, que l'on connaît puisqu'il nous est "imposé" par la consommation des citoyens, à l'humidité de la biomasse. Par conséquent, on peut déterminer h_finale par une simple transformation d'équation :

    Finalement, un dernier produit en croix permet de trouver la valeur recherchée :

    Maintenant que l'on connaît la masse de l'eau finale qu'il doit y avoir dans le chargement, on établit la soustraction suivante :

    Si la valeur de m_{eau ajoutée/retirée} est strictement négative, alors cela signifie qu'il faut retirer l'eau du chargement ; à l'inverse, si elle est strictement positive, il faut en rajouter.

        4.3.3 Pourquoi ne pas toujours faire fonctionner la chaudière biomasse avec un bois très sec ?

    Nous l'avons vu, plus le combustible est sec et plus son pouvoir calorifique inférieur est important. Alors, pourquoi ne pas utiliser en permanence du bois très sec ? M^r Dalla-Riva nous a confié qu'en situation réelle, il utilisait souvent un chargement dont le taux d'humidité se situe entre 30% et 40%, et ce pour une raison simple : on ne peut pas sécher le bois jusqu'à atteindre ce niveau d'humidité sans utiliser des techniques solicitant, à leur tour, l'énergie thermique... Autrement dit, on utiliserait de l'énergie pour sécher du bois, afin que ce dernier produise plus d'énergie... Ceci est absurde, qui plus est si l'on souhaite faire des économies d'énergie ! Le bois est donc séché à l'air libre.

    Imaginons maintenant que le bois ne soit pas assez humide, il faudrait rajouter de l'eau ; mais il faut faire attention à ne pas trop en utiliser. En effet, respecter l'environnement, c'est limiter sa consommation en eau !

    Finalement, M^r Dalla-Riva doit faire au mieux, en prenant en compte le stock de bois restant, l'humidité moyenne du bois et la demande en énergie. Tout est affaire de compromis...

    4.4 L'automatisation des systèmes :

    Nous vivons aujourd'hui l'ère de la révolution informatique. A l'heure actuelle, dans la chaufferie de la Duchère, tout est géré par ordinateur. Ainsi, les calculs permettant de déterminer la masse d'eau à ajouter ou à retirer du chargement sont réalisés automatiquement. Pour illustrer l'avantage que constitue l'emploi de l'outil informatique dans ce contexte, nous vous proposons de télécharger le logiciel PCI Regule.zip (185,1 kB). Nous avons conçu ce logiciel nous-même, à partir des langages HTML et VBScript. En conséquence, ce logiciel ne peut être utilisé que sur des ordinateurs équipés du système d'exploitation : Windows.

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Introduction 

 

L'histoire du chauffage 

    1. La Préhistoire

    2. L'Antiquité

    3. Le Moyen-Âge

    4. L'Epoque Moderne

    5. L'Epoque Contemporaine

    6. Impact Environnemental

 

Le chauffage individuel 

    1. Différents Types de Bois

    2. Evolutions Techniques

    3. Entretien et Autonomie

    4. Les Risques liés au Bois

    5. Une Energie Florissante

 

Le chauffage collectif 

    1. Historique

    2. Environnement Respecté

    3. Le Rôle de l'Etat

    4. Techniques de Réglage

    5. Production Energétique

    6. Respect de la Société

 

Conclusion