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CHIM0622 – Vecteurs énergétiques

2. Usages desénergies fossileset de la biomasseProf. dr. ir. Jean-Marie HAUGLUSTAINE,Chargé de cours

Faculté des Sciences – Département desSciences et Gestion de l’Environnement

CHIM0622 – 2. Usages des énergies fossiles et de la biomasse – 26/09/12 2

Sommaire

Chauffage Eau chaude sanitaire Biomasse


0

+

+

gérer


Besoins de chauffage

Les besoins nets en énergie dépendent des : Pertes par transmission de l’enveloppe du bâtiment Pertes par ventilation Apports internes Apports solaires

Les besoins bruts en énergie dépendent du : Rendement global de l’installation

(= produit du rendement de production, de distribution, d’émission et de régulation)


Production (chaudière)

Distribution (réseau de conduites)

Emission (radiateurs,

convecteurs)

Régulation (horloge, sonde

extérieure…)

Rendement global de l'installation

Surdimensionnée Réseau dispersé et mal isolé

Emetteurs trop grands + placés

devant des parois non isolées

Commande manuelle

(marche/arrêt)

Niveau de qualité : médiocre

p = 55 à 60 % d = 80 à 85 % e = 90 à 95 % r = 85 à 90 % ins = 34 à 44 %

Bien dimensionnée Réseau restreint mais mal isolé

Emetteurs bien disposés mais trop

grandsHorloge jour/nuit Niveau de qualité :

standard

p = 65 à 70 % d = 90 à 95 % e = 95 % r = 90 % ins = 50 à 57 %Chaudière Haut Rendement ou

Optimaz

Réseau restreint et isolé

Emetteurs de taille et d'emplacement

corrects

Horloge jour/nuit et robinets

thermostatiques

Niveau de qualité : bon

p = 75 à 85 % d = 95 % e = 95 à 98 % r = 90 à 95 % ins = 61 à 71 %

Chaudière à condensation

Réseau restreint et isolé

Emetteurs de taille et d'emplacement

corrects

Horloge jour/nuit et robinets

thermostatiques, sonde ext., optimiseur

Niveau de qualité : excellent

p = 85 à 95 % d = 95 % e = 95 à 98 % r = 95 % ins = 73 à 84 %

Ordre de grandeur des rendements partielset du rendement global d’une installation de chauffage central


Besoins de chauffage

Schéma d’une installation de chauffage central


Chauffage : critères de choix de l’installation

Choix du vecteur énergétique :Privilégier les vecteurs à faibles émissions de polluants Tenir compte de :

Disponibilité + mode d’approvisionnement de l’énergie + intégration de systèmes fonctionnant avec des énergies

renouvelables Gaz naturel

= combustible non renouvelable dont la combustion a le moins d’impact local sur l’environnement

Mazout La combustion du mazout émet plus de polluants que celle du

gaz naturel et est disponible partout



Électricité Rendement à la production = idem que centrales électriques

Avec le parc actuel : 40% càd pour 1 unité consommée dans le bâtiment, il y a 2,5 unités qui sont prélevées à la planète

Son utilisation : Propre Rendement proche de 100 % Investissement en équipement : faible

Bois ou biocarburants = combustibles renouvelables En zone rurale : écologiquement avantageux mais utilisation

contraignante et nécessite la mise en place de filières de distribution Une étude de faisabilité doit en déterminer l’intérêt économique



Chauffage électrique à effet joule Rendement centrales électriques : 40 % à éviter sauf pour des appoints limités dans le temps

(consommation jugée marginale) Chaudières fonctionnant aux granulés de bois (pellets)

Émission de CO2 extrêmement réduite tout en maîtrisant les autres émissions polluantes

Combustible renouvelable Pour autant que la forêt dont le bois est issu soit gérée de manière

durable Facilité de gestion équivalente à une chaudière au fuel

Si équipée d’une alimentation automatique et accompagnée d’un espace de stockage des granulés accessible pour la livraison par un camion souffleur


Chauffage : pertesà la production


Rendement d’entretienselon température dufluide caloporteur


Type de chaudièreRendement de production

Rendement utile (1) Rendement saisonnier

Classique surdimensionnée 88 % 55 à 60 %

Classique, bien dimensionnée 88 % 65 à 70 %

Haut rendement (bien isolée, température d’eau variable) 89 % 75 à 85 %

Au gaz à condensation 100 à 102 % (2) 85 à 95 %

(1) Correspond à un rendement que l’on mesure in situ (intégrant les pertes par chaleur sensible et les pertes par la jaquette), inférieur au rendement nominal mesurable en laboratoire.

(2) Les chaudières à condensation récupèrent une partie de la chaleur latente incluse dans les produits de combustion, en condensant une partie de la vapeur d’eau. Les rendements peuvent ainsi dépasser 100 % car ils sont, par définition, calculés sur la valeur du pouvoir de combustion inférieur du gaz.

Chauffage : pertes à la production

Rendements de production utile et saisonnier


Pertes à laproduction


Chauffage : production (mazout ou gaz)

Chaudières fonctionnant aux combustibles fossiles chaudière à basse t° et chaudière gaz à condensation

Chaudières gaz à condensation consommation moyenne de 6 à 9% par rapport aux meilleurs chaudières gaz et fuel traditionnelles Si le circuit hydraulique a été étudié afin de maximiser la condensation

dans la chaudière La technologie de la condensation des fumées permet de récupérer une

grande partie de la chaleur qui s’échappe habituellement par la cheminée rendement théorique supérieur à 100% sur le PCI

En utilisation finale : La combustion du gaz émet moins de CO2 que la combustion du fuel La technique de la condensation permet les meilleurs rendements

Pour qu’une chaudière à condensation présente le haut rendement attendu, il faut que la t° de l’eau de retour soit la plus faible possible préférable de travailler avec des systèmes à basse température (chauffage par le sol, radiateurs surdimensionnés…).


Chaudière à condensation


Rendement des chaudières conformément à la Directive européenne 92/42/CEE(A.R. du 18/03/97)


Critère

min.ou

max. Unité

Puissance nominale P [kW]

P 20 20 < P 60 60 < P 1.000

Rendement de combustion min. % 91

Gaz de combustion :- teneur en suie (Bacharach)- concentration en CO2

max.min.

échelle%

112,5 %

Rendement utile (1) :- à pleine charge (eau à 70 °C)- à charge réduite (eau à 50 °C)

min.min.

%%

8786

87 + 1,5 log P85,5 + 1,5 log P

Pertes à l’arrêt :- Chaudière sans ECS max. % 1 0,8 0,6

- Chaudière avec boiler intégré max. W 450 1,5 P

- Chaudière avec boiler séparé max. °C max. 14 °C par 24 h (2)

(1) La pleine charge s’entend comme 100 % de la charge ; la charge réduite correspond à 30 % de la charge.(2) Diminution de température d’eau dans le boiler de maximum 14 °C par 24 h pour un écart de température entre

l’eau et l’ambiance de 35 °C.

Critères du label Optimaz (mazout)

Production : mazout


CritèrePuissance nominale P (kW)

P 30 30 < P 1.000

Rendement utile minimal (1) :- à pleine charge (eau à 70 °C)- à charge réduite (eau à 70 °C)- à charge réduite (eau à 50 °C)

0,86 0,92 . 0,97 .

(0,83 + 0,02 log P) (0,88 + 0,027 log P) .

-

(1) La pleine charge s’entend comme 100 % de la charge ; la charge réduite correspond à 30 % de la charge.

Critères du label HR-Haut Rendement (gaz)

Production : gaz


Production : bois, PAC

Chaudières fonctionnant au bois-bûche chargées manuellement pénalisées par la concurrence de

systèmes moins contraignants Ambitions de la filière = autoconsommation de rebuts de bois et

de coupe d’entretien Pompe à chaleur

Mieux qu’une chaudière à condensation si système performant… Entre autres : performance de sa source froide dans laquelle elle

puise sa chaleur


Production : cogénération

Cogénération = technologie performante

Simultanément produit localement de l’électricité récupère de la chaleur (pour produire de l’eau chaude sanitaire

ou tout type de chauffage) dans les gaz d’échappement du générateur dans l’eau de refroidissement dans l’huile de lubrification

Rendement global : meilleur qu’en productions séparées A envisager :

Si les besoins de chaleur sont importants et assez constants


Production : chaudière(s) en cascade ?

Quel que soit le mode de production choisi : Le système de chauffage doit avoir un rendement élevé

(en régime nominal mais aussi à charge partielle) Si surdimensionnement des équipements :

rendement moyen annuel impact non négligeable sur la consommation finale du bâtiment

Chaufferie collective = plusieurs chaudières en cascade en mi-saison, ne fonctionnent que le nombre nécessaire

d’appareils, avec un rendement plus proche de celui obtenu en régime nominal.

Sur une chaudière, brûleur de type modulant amélioration du rendement à charge partielle


Chauffage : distribution

Conception de la distribution du système de chauffage( pertes de chaleur entre chaudière et corps de chauffe) Isoler les conduites

Impératif d’isoler toutes les conduites de chauffage, y compris les coudes et les vannes : Se trouvant dans le sol, à l’extérieur ou dans des espaces ne faisant

pas partie du volume protégé du bâtiment Passant dans des locaux du volume protégé mais desservant

d’autres locaux et non le local où elles passent Exigence valable

* si diamètre de la conduite est > DN 40* si longueur totale des conduites de ce type est > 6 m * surtout, si déperditions des conduites sont telles qu’elles entraînent une surchauffe du local traversé

Traversant des locaux où un système de climatisation est prévu



Limiter la consommation des circulateurs En limitant la longueur des réseaux de

distribution En dimensionnant « largement » les

tuyauteries ( les pertes de charge) En réduisant le débit des circulateurs

Circulateurs électroniques à vitesses variables adaptation du débit réel dans le circuit au débit

nécessaire élimine le problème de surdimensionnement du

circulateur et la surconsommation électrique associée

choix important pour les installations avec chaudières à condensation car si bonne adéquation des débits aux besoins

optimisation de la condensation et donc du rendement



Le surcoût engendré par l’installation de tels circulateurs est rapidement remboursé par la consommation électrique si correctement réglés à la mise en service

En intégrant le fonctionnement des circulateurs à la régulation Leur temps de fonctionnement peut être réduit de moitié

En arrêtant les circulateurs si chaudières à l’arrêt (en été)



Équilibrer la distribution Manque de débit dans certains locaux = déséquilibre de

l'installation Équilibrer une installation = freiner l'eau dans les circuits

favorisés difficulté de passage est la même dans chacune des boucles de distribution

Il s’agit de placer des vannes d’équilibrages : Au retour des circuits Sur les émetteurs Au minimum sur les colonnes et les branches du circuit : vannes

munies de prises de pression différentielle permettant de mesurer le débit

Pour obtenir un réglage optimal, l’installation doit être équilibrée par un professionnel



Isolation des vannes et des tuyauteries de chauffage dans un hôpital


Chauffage : émission

Choix du mode d’émission A privilégier les systèmes fonctionnant à basse t° : t° moyenne de l’eau du système

rendement de combustion pertes vers l’ambiance

Proportionnelles à t° entre chaudière et chaufferie pertes de chaleur du réseau de distribution sensation de confort grâce à une plus grande homogénéité

des t° dans l’espace Peu de stratification des t° et pas de fort rayonnement sur une des

faces du corps


Chauffage : émission

Radiateurs Larges (surdimensionnés)

confort nécessaire avec de l’eau de distribution à basse t° rendement des chaudières à condensation

Pas devant des allèges vitrées Devant des parois présentant une bonne isolation thermique ou le long

des murs intérieurs supprime entièrement les pertes

Chauffage par le sol Pour locaux de grande hauteur, sauf

Si locaux occupés de façon intermittente ou profitant d’apports de chaleur variables importants (inconfort, surconsommation)

Isolation, sous le réseau d’eau chaude, renforcée proportionnellement au type d’ambiance trouvée sous le plancher chauffant Paroi extérieure, vers local non à l’abri du gel, vers local non chauffé à l’abri

du gel, vers local chauffé Pertes vers le bas importante si l’isolation sous le plancher est insuffisante


Chauffage : émission (radiateurs)

+70°C


Chauffage : émission (chauffage par le sol)

Distribution uniforme (équidistance des spires du serpentin)



Répartition des spires selon les zones déperditives du local


Exemple : sol de rez-de-chaussée sur cave Partie supérieure de la dalle de sol chauffante

Résistance d’échange Ri 0,167 m2K/W Carrelage terre cuite

d=1 cm =0,81 W/mK 0,012 m2K/W Chape d=5 cm =0,84 W/mK 0,060 m2K/W Dalle chauffante (béton non armé)

d=10 cm au-dessus du serpentin=1,7 W/mK 0,059 m2K/W

TOTAL PARTIE SUPÉRIEURE 0,298 m2K/W



Exemple : sol de rez-de-chaussée sur cave Partie inférieure de la dalle de sol chauffante

Dalle chauffante (béton non armé)d=2 cm en-dessous du serpentin=1,7 W/mK 0,012 m2K/W

Isolation thermique : polystyrène extrudéd=8 cm =0,035 W/mK 2,286 m2K/W

Hourdis de béton armé d=12 cm 0,140 m2K/W Résistance d’échange Re 0,167 m2K/W TOTAL PARTIE INFÉRIEURE 2,604 m2K/W



Exemple : sol de rez-de-chaussée sur cave Partie supérieure = 0,298 m2K/W Partie inférieure = 2,604 m2K/W Rtotale = 2,902 m2K/W

U = 1/Rtotale = 0,345 W/m2K

Qvers le haut = (40 - 20) / 0,298 = 67,2 W 81,4 % Qvers le bas = (40 - 0) / 2,605 = 15,4 W 18,6 %



Besoins de chaleur pour le dimensionnement du chauffage par le sol Besoins de chaleur corrigés du local Qc [W] =

QN [W] Besoins de chaleur du local selon NBN B62-003 - Qtrs [W] Pertes par transmission par le plancher sur sol

Besoins de chaleur spécifiques du local Q“c [W] = Qc / Alocal [W/m2] où Alocal = superficie du local [m2]



Calcul du rendement global d’un système de chauffage : global = production . distribution . émission . régulation

Système de chauffage par radiateurs : global = 0,9 . 0,85 . 0,95 . 0.9 = 0,654 (avec intermittence)

Système de chauffage par le sol : global = 0,9 . 0,9 . 0,9 . 0.85 = 0,620 (avec intermittence) global = 0,9 . 0,95 . 0,9 . 0.9 = 0,693 (avec occupation continue)



Convecteurs Suppose une t° de fonctionnement > que radiateurs

pertes de distribution et de production légèrement plus importantes Ex. : une chaudière à condensation est moins efficace avec des

convecteurs Impossibilité de raccorder des radiateurs et des convecteurs

sur un même circuit de distribution Transmission de chaleur via de l'air entraîne inévitablement

une certaine stratification des températures obligation la t° moyenne de la pièce pour un même confort au

niveau des occupants En conclusion :

Un convecteur est moins cher et moins inerte qu’un radiateur Il répond rapidement à une variation de charge fréquente (local

ensoleillé, local de réunion)

Chauffage : émission (convecteurs)


Choix du mode de régulation Une régulation de qualité de l’installation de chauffage doit

permettre : De tenir compte du confort ressenti dans les différents espaces

du bâtiment Le respect des températures de consigne intérieure,

indépendamment des apports de chaleur gratuits L’intermittence de la fourniture de chaleur en période

d’inoccupation La limitation des pertes de distribution et de production De tenir compte des modifications rapides des conditions

météorologiques

Chauffage : régulation



Régulation de la chaudière Auparavant

Chaudière maintenue sur son aquastat, thermostat d’ambiance agissant sur le circulateur



Aujourd’hui

Température de la chaudière commandéepar un régulateur climatique et sonde extérieure



Régulation de la distribution Un grand principe : « à chaque zone thermiquement homogène

son circuit propre » Idéalement, le découpage hydraulique coïncidera avec la

répartition des locaux ayant des besoins similaires : Au niveau des plages horaires d’occupation essentiellement Dans les sollicitations extérieures (soleil, vent…) découpage par façades Dans une moindre mesure, au niveau du type d’équipement de

chauffage et au niveau de l’inertie du bâtiment Chaque découpage : régulé comme une entité à part entière



Choix d’un régulateur ajusté en fonction des sondes de compensation : Sonde d’ensoleillement (pour un circuit alimentant une façade

sud) Sonde de vent (pour les immeubles de grande hauteur) Sonde d’ambiance (nécessaire aussi pour gérer l’intermittence

avec un optimiseur Pallie les difficultés de réglage manuel de la courbe de chauffe

Sondes de compensation Pas utilisées si le circuit de chauffage dessert des locaux

d’orientation différente ou avec des apports internes de chaleur différents



Régulation zonale La seule régulation par zone en fonction de la température

extérieure… ne tient pas compte d’une série d’éléments perturbateurs : Renouvellement d’air variable du bâtiment en fonction du vent Apports internes variables en fonction des locaux (occupants,

bureautique…) Apports externes variables (soleil, ombre d’un bâtiment voisin…) L’impact d’une augmentation des pertes par ventilation sur la

température intérieure est immédiat L’impact d’une diminution de la t° extérieure sur la t° intérieure est

lent, du fait de l’inertie du bâtiment Déséquilibre thermique entre les corps de chauffe



Régulation de l’ambiance local par local en complément d’une régulation centrale en fonction des conditions extérieures. Cela peut se faire par le placement : de vannes thermostatiques locales d’un thermostat d’ambianceAttention :

On ne peut pas mélanger dans un même local un thermostat d’ambiance et des vannes thermostatiques

Vannes thermostatiques



Les vannes thermostatiques : Rôle : mesurer la t° la plus représentative possible de la t° ambiante La tête de la vanne, comprenant l’élément thermostatique, ne doit

pas être échauffée par le corps de chauffe. Influences parasites : Les coins des murs L’air chaud s’élevant des tuyauteries ou du radiateur (vannes

placée verticalement) Les tablettes ou caches décoratifs (située à moins de 10 cm du

radiateur) Les tentures…



L’emplacement des capteurs Le rôle d’un capteur = témoin fidèle... de ce qu’il est censé

mesurer ! Ce n’est pas toujours le cas : Une sonde de température intérieure ne peut être :

Soumise à l’ensoleillement Influencée par une source de chaleur interne (éclairage, radiateur…) Placée sur un mur extérieur, ni contre une cheminée Placée dans un endroit clos, peu influencé par l’air ambiant (dans une

niche, derrière une tenture…)



Une sonde de température extérieure : Placée sur une façade N-O ou N-E s’il n’y a qu’une sonde pour le

bâtiment Placée à une hauteur de 2 m à 2 m 50 au-dessus du niveau du sol

ou accessible à partir d’une fenêtre Ne peut être soumise à l’ensoleillement direct Ne peut être placée contre une cheminée, ni au-dessus d’une

fenêtre, ni au-dessus d’une sortie de ventilation



L’intermittence et la dérogation Pratiquer l'intermittence de chauffage en fonction de

l'occupation ne peut conduire qu'à une économie d'énergie Le fonctionnement correct de l’optimiseur est lié :

A la bonne conception des circuits hydrauliques A l’emplacement correct des sondes d’ambiance A la prise en compte de la puissance réellement disponible pour la

relance A la gestion de la vitesse des circulateurs électroniques Si conditions non remplies :

L’optimiseur ne pourra calculer le moment de la relance Risque d’anticiper tellement la relance que le ralenti disparaîtra



La gestion des dérogations Possible au niveau des régulateurs mais confiée à un minimum de

personnes responsables Rôle : étendre la durée de fonctionnement de l’installation en

dehors des heures d’occupation normales Il est important que le système se remette de lui-même en

fonctionnement automatique après un temps déterminé (par exemple 2 heures)

Une dérogation dont la fin serait gérée manuellement par les occupants risque rapidement de conduire à des oublis



Gestion technique et centralisée (GTC) La GTC contribue à améliorer :

Gestion des équipes de maintenance Gestion énergétique des installations (consulter les historiques) Cependant, la GTC

Loin d'être bon marché Ne fait pas encore partie des systèmes dit "ouverts" où la

communication entre divers équipements issus de fabricants différents n’est pas aisée voire impossible


Sommaire



Eau chaude sanitaire : réduction des besoins

Concilier des objectifs « inconciliables », à savoir : Réduire les déperditions thermiques au niveau de la

production et du stockage Limiter la t° de production Choisir des systèmes avec de bons rendements et des ballons

garantissant des constantes de refroidissement faibles (bonne isolation)

Exploiter les énergies renouvelables : notamment par l’utilisation du solaire thermique à compléter par une autre source d’énergie

Réduire les consommations électriques des pompes de distribution



Réduire les déperditions thermiques au niveau de la distribution Le rapprochement entre la production et les points de puisage

permet de : Limiter les déperditions quantité d’eau stagnante dans les tuyauteries et inutilement

chauffée consommations d’eau et d’énergie Donner une réponse plus rapide aux besoins

Par ailleurs : nécessaire de renforcer l’isolation des canalisations

Réduire les volumes d'eau inutilement soutirés Robinets à fermeture automatique temporisée ou à détection dans

les bâtiments tertiaires Mitigeurs thermostatiques…



Limiter les risques d’entartrage et de corrosion Prévenir le risque de prolifération de bactéries

indésirables (Pseudomonas, Legionella) Eau chaude produite à 60°C Maintenue 55 °C en tout point du réseau principal Dans un système de distribution avec recirculation

t° de retour : jamais < 55 °C Réduire au maximum les « bras morts » (zones de stagnation

de l'eau)…



Réducteurs de débits Consommation d'énergie = d’abord quantité d'eau utilisée,

avant la t° Régler débit d'eau nécessaire puis adapter la t° souhaitée Privilégier une robinetterie capable :

D’optimiser rapidement la t° désirée (mitigeur thermostatique par exemple)

et de contrôler le puisage en fonction de la présence de l’utilisateur

Il existe également des robinets à blocage limitant le débit par paliers pour n’utiliser que le débit nécessaire à l’usage du moment


ECS :distribution


Eau chaude sanitaire : rendement systèmes

Rendement des systèmes disponibles sur le marché : Valeurs du rendement global annuel proposées par le VITO,

dans le cadre d’un programme de recherche (SAVE BELAS) évaluant les systèmes résidentiels

Hypothèses : Demande journalière d’ECS = 43 litres/personne à 40°C

pour une famille de 4 personnes Volume de stockage (quand il existe) = 150 litres Rendement moyen de la production d’électricité en Belgique

= 0.38 Facteur de conversion de l’énergie finale à l’énergie primaire,

tel que repris dans les réglementations belges PEB : = 1 pour le gaz ou le mazout = 2.5 pour l’électricité (ici 1/0.38 = 2.63) = 0.8 pour la biomasse


Eau chaude sanitaire :rendement systèmes Global efficiency of DHW systems including

production, distribution and storage, in final energy

Efficiency (in final energy)

Thickness of insulation (if tank) 2.5 cm 5 cm 10 cm

Tank in boiler (one shared envelope)

Old boiler at constant t° 0.46 0.52 0.56

New boiler at constant t° 0.61 0.69 0.74

New boiler at floating t° 0.69 0.78 0.83

Tank combined to a boiler (two separate

envelopes)




Instantaneous gas heater(combined or not with heating) 0.9

Gas heater with storage tank 0.69 0.78 0.83

Electrical heater with storage tank 0.76 0.87 0.93


Eau chaude sanitaire :rendement systèmes

Efficiency (in primary energy)

Thickness of insulation (if tank) 2.5 cm 5 cm 10 cm

Tank in boiler (one shared envelope)




Tank combined to a boiler (two separate

envelopes)




Instantaneous gas heater(combined or not with heating) 0.9

Gas heater with storage tank 0.69 0.78 0.83

Electrical heater with storage tank 0.29 0.33 0.35

Global efficiency of DHW systems includingproduction, distribution and storage, in primary energy


Eau chaude sanitaire : préchauffage solaire


Eau chaude sanitaire : solaire thermique

Principes L’énergie solaire est convertie directement en chaleur

récupérée grâce à un fluide caloporteur qui s’échauffe en circulant dans un absorbeur Pour chauffage, pour eau chaude sanitaire ou les deux Pour réchauffage des eaux de piscines Pour la production de froid, notamment par couplage du

système solaire avec un groupe frigorifique à absorption Sous nos latitudes, l’énergie solaire est collectée

75 % entre avril et septembre 25 % entre octobre et mars


SlopeAnnual

radiation (%)

Example

[Source : Schüco]



Orientation des capteurs Entre le S-E et le S-O

et inclinés de 25° à 60° par rapport à l’horizontale Plein E ou plein O entraîne une perte de rendement des

capteurs d’environ 20 % Au-delà (N, N-E, N-O), les rendements chutent rapidement

Par an : 1 m² de surface horizontale reçoit 1.000 kWh, soit l’équivalent de 100 litres de fuel


Eau chaude sanitaire :solaire thermique

Les capteurs solaires plans ou tubulaires ? 2 grandes catégories de capteurs :

Les capteurs plans surface plane absorbant la chaleur, au dessus de laquelle est éventuellement placée une vitre

Les capteurs tubulaires tubes en verre dans lesquels on a fait un vide d'air

La différence principale entre ces types de capteurs = qualité d'isolation thermique obtenue :

Une forte isolation thermique limite les pertes du capteur vers l'air environnant

L'introduction d'une vitre améliore l'isolation, mais renvoie une partie des rayons solaires en les réfléchissant



Les capteurs les plus "haut de gamme" catégorie tubulaire La forme tubulaire permet de réaliser un vide d'air,

au contraire de la forme plane Dont la vitre ne résisterait pas à la pression atmosphérique

(on peut néanmoins penser à mettre un autre gaz, comme dans un double vitrage à haut rendement)

Le vide d'air sert à l'isolation thermique entre l'absorbeur (le matériau qui capte la chaleur) et l'air ambiant

Les capteurs tubulaires = meilleur rendement dans les moins bonnes conditions, càd :

Énergie solaire relativement faible et/ou t° extérieure basse En été, moins performants que certains capteurs plans

mais rendement annuel global plus élevé que les capteurs plans


Les capteurs plans Généralement moins chers Rendement > capteurs tubulaires dans les conditions faciles :

Fort ensoleillement et de t° absorbeur - air ambiant modeste rapport coût/performance le plus utilisé actuellement




Chauffe-eau solaire Principe de

fonctionnement Un capteur solaire

thermique (1)transforme le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur (un corps noir caractérisé par des propriétés d’absorption très élevées et d’émissivité très basses). L’absorbeur transfère la chaleur à un fluide caloporteur circulant au travers de chacun des capteurs.



Cette chaleur est acheminée par le fluide caloporteur vers le(s) ballon(s) de stockage (2). Un circulateur (3)fait circuler le fluide caloporteur entre les capteurs et le ballon de stockage. Ce circulateur s’enclenche automatiquement par la régulation (4) lorsque la température du fluide à la sortie des capteurs est supérieure à la température de l’eau sanitaire dans le bas du réservoir de stockage.



En cas d’ensoleillement insuffisant, une source d’énergie d’appoint (5) porte l’eau préchauffée à la température souhaitée. Cet appoint peut être réalisé par une chaudière, un chauffe-eau instantané ou une résistance électrique.



Exemple d’installation domestique Consommation d’eau chaude considérée :

45 litres à 45 °C par personne et par jour Fraction solaire utile : 55 %

Soit la fraction de l’énergie utile qui n’est pas fournie par l’appoint Rendement annuel d’exploitation du chauffage d’appoint de l’eau

sanitaire : 75 % (à ne pas confondre avec le rendement de combustion de la chaudière qui peut être supérieur à 90 %!)

Ballon de stockage “bi-énergie” (solaire + appoint)

NB : chauffage solaire pour les piscines de particuliers succès grandissant



Potentiel à exploiter dans le secteur tertiaire Plus la consommation d’eau chaude est élevée,

plus l’installation solaire est grande, et meilleure est sa rentabilité Le coût au m² d’une installation est inversement proportionnel à la

surface installée En Belgique hôpitaux, piscines et établissements d’accueil

social (maison de repos, centre d’accueil pour personnes handicapées...) Les établissements offrant un potentiel certain pour les

applications solaires thermiques se concentrent dans ces trois groupes

Potentiel intéressant grands hôtels, centres de vacances, immeubles de plus de 15 logements, restaurants d’entreprise…



Systèmes solaires combinés Production d’eau chaude sanitaire et de chauffage des locaux

essentiellement dans le secteur résidentiel Cette technique convient surtout aux nouvelles constructions

lorsqu’elles sont particulièrement économes en énergie En Belgique, l’ensoleillement ne suffit pas à couvrir totalement le

besoin énergétique nécessaire au chauffage en toute saison complément par un système de chauffage classique (appoint fourni

par la chaudière) Le chauffage à basse t° par rayonnement des parois (ou des

radiateurs surdimensionnés) : Bien adapté à l’utilisation de l’énergie solaire

L’installation d’un système solaire combiné : pas une démarche standardisée Chaque projet doit faire l’objet d’une étude adaptée



Avantages du solaire thermique Technologies aisément maîtrisables et adaptables aux

situations de toutes les régions Techniques et matériaux utilisés : similaires à ceux

employés dans le secteur traditionnel du chauffage, du sanitaire et des verrières

Main d'œuvre : formation complémentaire aisément maîtrisable

Forme modulable de production d'énergie que l'on peut adapter en fonction de ses besoins

Frais de maintenance réduits



Inconvénients du solaire thermique Variable dans le temps

Sous les climats tempérés, variation importante en fonction des saisons stocker cette énergie disposer d’une source d’énergie d’appoint

Énergie diffuse La puissance disponible par unité de surface est relativement

limitée


Coûtannuel

Source : O . LESAGE, P . NIES, Production d’eau chaude, un

choix qui compte, in Tes t A chats n°541, A vril 2010, pp.

44 à 48


Sommaire



La biomasse

= ensemble de toutes les matières premières renouvelables d’origine végétale ou animale destinées à des utilisations non alimentaires En Europe : une centaine d’espèces végétales peuvent être

utilisées pour la fabrication de produits non alimentaires et pour la création d’énergie

Valorisation énergétique de la biomasse 3 formes d'énergie utile, en fonction du type de biomasse

et des techniques mises en œuvre : La chaleur L'électricité (ou les deux combinées en cas de cogénération) La force motrice de déplacement (les biocarburants)


La biomasse

La biomasse peut provenir : Des forêts De l’agriculture De la filière déchets

Les forêts et les industries de première transformation du bois = principales sources d’approvisionnement en combustibles

biomasses solides Grande variété de biocombustibles aux caractéristiques

propres Bûches, écorces, bois déchiqueté et plus récemment granulés

Les granulés grand potentiel de développement au niveau mondial grâce à la densité et à la normalisation de ce combustible, qui peut être produit par diverses biomasses


La biomasse

L’agriculture = source de produits connexes, telles les déjections animales

et la paille Cultures énergétiques menées :

soit en cultivant les mêmes variétés (colza, blé, maïs, etc.) mais détournées de leur usage habituel

soit en cultivant de nouvelles espèces (peuplier, saule, miscanthus, etc.)

Les déchets biodégradables Plusieurs aspects :

Fraction organique de déchets ménagers Déchets de bois Combustibles tirés des déchets Boues d’épuration ...


La biomasse

Chaque ressource biomasse se caractérise par : Sa granulométrie Son taux d’humidité Son pouvoir calorifique Son taux de cendres Technologies de conversion en énergie

appropriées à chacune d’entre elles (réactions chimiques, thermiques et/ou biologiques)


La biomasse

On peut donc classer les bioénergies selon leurs finalités : Production de chaleur :

La combustion de la biomasse pour la production de chaleur = mode de transformation le plus répandu à l’échelle de la planète avec une recherche constante :

de la meilleure efficacité de la réduction des rejets atmosphériques

Plusieurs systèmes existent et se différencient de par leur taille Il est également possible de produire de la chaleur à grande

échelle grâce à la cogénération fournit de la chaleur sous forme de vapeur pour certains

procédés industriels et peut servir à alimenter des réseaux de chaleur


La biomasse

Production d’électricité : = combustion suivie d’un cycle de transformation en vapeur

d’eau La « co-combustion » de biomasse et de charbon est un mode

de production d’électricité également répandu en Belgique Apparition de nouvelles techniques, telles que :

Les centrales ORC (Organic Rankine Cogeneration) mettant à profit le cycle organique de Rankine Le biogaz issu de la fermentation anaérobique est principalement

utilisé sur site pour des applications de cogénération Les résidus liquides et solides issus de ce procédé sont le plus

souvent utilisés comme engrais pour fertiliser les terres agricoles


La biomasse

Biocarburants : Les methyl-esters obtenus à partir des huiles végétales (biodiesel)

sont utilisés : soit en mélange avec le diesel d’origine (concentration < 5 %)

pas de modification des moteurs soit purs adaptations : de + en + de fabricants de voitures prennent en

compte le biodiesel Les huiles végétales

Utilisées en mélange ou pures à condition de modifier un peu les moteurs L’éthanol = fermentation de plantes sucrières, suivie d’une distillation

Utilisé dans des moteurs à essence en mélange < 10%, en mélanges plus concentrés dans des véhicules FFV (Flexible Fuel Vehicle) ou pour des moteurs adaptés

Possibilité de produire des biocarburants à partir de biogaz amélioré (méthane)

Les possibilités de production à partir de bois sont à l’étude


La biomasse

La biomasse se différencie nettement des autres formes d’énergie renouvelable par 2 caractéristiques : Elle est stockable

Susceptible de produire de l'énergie quand on en a besoin Elle permet de produire toutes les formes d'énergie utile

Chaleur, électricité, biocarburants Les autres énergies renouvelables sont mono-produit :

PV, éolien et hydraulique : électricité Solaire thermique : chaleur


Biomasse : Bois - énergie

Les différentes formes du combustible bois La bûche

Forme de bois la plus utilisée par les particuliers

Combustion efficace si bois suffisamment sec stockage de deux ans est requis afin

de réduire la proportion d’eau à moins de 20 %

L’utilisation d’un bois trop humide provoque une combustion incomplète, peu rentable et polluante

La bûche est commercialisée par stère (un stère est un empilement de 1 m x 1 m x 1 m de bûches)



Les plaquettes de bois ou chips = copeaux de taille de 3 cm

obtenus par déchiquetage de branches, de sous-produits de l’industrie du bois…

Qualité et stockage dépendent de l’humidité du bois ( 30 %)

Double avantage par rapport aux bûches Autorise l’alimentation automatique

des chaudières Prix sensiblement moins élevé

Inconvénient Foisonnement volume plaquettes

ou chips = 1,5 volume bûches



Les granulés ou pellets de bois = petits morceaux

cylindriques faits de sciure bois comprimée et non traitée, ayant un diamètre de 5 à 15 mm (la plupart entre 6 et 8 mm) et une longueur de 10 à 20 mm

Le procédé n’inclut aucun additif chimique, l’agent liant étant la lignine naturelle du bois



Leur petite dimension et leur surface lisse leur procure une grande fluidité permettant l’entière automatisation des installations de production d’énergie

Les pellets ont un taux de cendre (< 1%) et une humidité (< 10 %) très faibles

Prix pellets > prix plaquettes Mais valorisent d’autres sous-produits de l’industrie du bois Occupent moins de place que les plaquettes



Consommation Mazout Chêne Peuplier, pin Pellets

kWh litres m³ m³ m³ sacs de 15 kg kg

50.000 5.000 23 41 17 737 11.055 33.000 3.300 15 27 11 477 7.155 21.000 2.100 10 17 7 303 4.545

10 1 2,24.620 462 2,2 3,7 1,5 66,7 1.000

Source : Dossiers du C STC n°3/2010

2 kg de granulés = 1 litre de mazout = 10 kWh 1 palette de 1.000 kg de granulés = 4,5 stères de bois



Le chauffage central au bois = chauffage d’une habitation par un système centralisé Selon le même principe que chauffage central au gaz ou au

mazout Les gaz de combustion chauffent un fluide caloporteur (le plus

souvent de l’eau), circulant dans un réseau de canalisations La chaleur ainsi véhiculée est ensuite restituée dans les différentes

pièces de l’habitat par système d’émission de chaleur (radiateurs, chauffage par le sol…)


Biomasse : Céréales - paille - énergie

Chauffage aux céréales (aussi bien grain que paille) Depuis 25 ans répandu dans les pays d’Europe du Nord Au Danemark notamment : 10.000 chaudières De plus grosses unités (de 0,5 à 10 MW) : pour chauffer

plusieurs habitations voire même des quartiers entiers par l’intermédiaire de réseaux de chaleur

Expérience positive des pays du nord de l’Europe : de telles filières peuvent être développées

la technologie est mature Il existe marques de chaudières disponibles sur le marché

répondant aux normes européennes en vigueur

Chez nous : quelques personnes se chauffent déjà aux céréales, mais leur nombre est encore très faible


Biomasse : Biométhanisation

Principe = dégradation de matière organique

En absence d'oxygène (milieu anaérobie) A l'abri de la lumière par l'action combinée de micro-

organismes Matières utilisées

Effluents d’élevage (lisier, fumier, purin…) Matières organiques (tontes de pelouse, ordures ménagères…)

Technique produisant un mélange gazeux appelé biogaz Le biogaz obtenu va alimenter un moteur Le moteur entraîne une génératrice qui va produire de

l’électricité et de la chaleur (cf. « 4.11 La cogénération »)ou uniquement de l’eau chaude avec une chaudière adaptée



L'électricité (dite verte) est Soit consommée par l'exploitation Soit envoyée sur le réseau

La chaleur produite par le moteur Sert à chauffer le digesteur Utilisée pour chauffer

Un bâtiment agricole (étable, porcherie …) Voire des habitations et autres collectivités (bâtiments

communaux, piscine, etc.) grâce à un réseau de chaleur Le produit résiduel de la biométhanisation = biodigestat

Valorisé, selon les réglementations régionales, comme amendement organique sur les terres agricoles

L’épandage est autorisé en Wallonie Pas en Flandre le biodigestat doit être traité

Zone protégée pour les nappes phréatiques


Principe de labiométhanisation



Avantages de la biométhanisation Production d’énergie thermique et électrique :

L’énergie thermique peut-être utilisée pour couvrir les besoins énergétiques en chauffage pour habitation, immeubles collectifs…

L’électricité produite, dite électricité verte, peut être autoconsommée ou revendue

Diminution des émissions de gaz à effet de serre : Lors de la biométhanisation, le méthane, qui est 21x plus nocif

que le CO2, n’est plus libéré de façon incontrôlée dans l’atmosphère

Une double économie est réalisée en récupérant le méthane en évitant les émissions de CO2 résultant de la combustion

d’énergie fossile



Amélioration de la valeur agronomique : Le traitement par digestion anaérobie d’un effluent d’élevage

sensiblement sa charge polluante risques de pollution lors de son rejet en milieu naturel

De plus, la biométhanisation « stabilise » l’effluent en éliminant les « nuisances » : sanitaires (germes pathogènes) olfactives (ce qui constitue un avantage indéniable, surtout lors de

l’épandage sur culture ou prairie)



Inconvénients de la biométhanisation Principal inconvénient : lourdeur des investissements à

consentir : restent dissuasifs malgré les frais de fonctionnement très faibles ( 2 % de l’investissement)

Le biogaz est hautement inflammable et nécessite, de ce fait, un certain nombre de mesures de sécurité

La biométhanisation ne constitue pas une solution définitive aux problèmes de la charge polluante des élevages En effet, les excédents en azote et phosphate provenant des

élevages ne sont pas éliminés et le volume des effluents n’est diminué que 10 à 20 %


Biomasse : cogénération

La production d’électricité (nucléaire ou thermique)et son transport = rendements très bas, de l’ordre de 30 %

L’intérêt de la cogénération Récupérer les énormes pertes de chaleur lors de la

production, à des fins thermiques Produire simultanément de l’électricité et de la chaleur Avantage

Meilleur rendement total pour une même puissance délivrée en chaleur et en électricité que si productions séparées moins de combustible pour produire la même quantité d'énergie



Pour produire 350 kWhé d'électricité et 530 kWhq de chaleur : 1 unité de cogénération au gaz

Rendement électrique de 35 % Rendement thermique de 53 % va consommer 1.000 kWhp d'énergie primaire

Filières séparées Meilleure centrale électrique (Turbine Gaz Vapeur)

Rendement de 55 % : va consommer 636 kWhp d'énergie primaire Meilleure chaudière

Rendement annuel de 90 % : va consommer 589 kWhp d'énergie primaire

total filières séparées = 1.225 kWhp d'énergie primaire Le gain en énergie primaire engendré par la cogénération au

gaz est de 225 kWh pour 1.225 kWh, soit une réduction de plus de 18 % par rapport à la consommation totale d’énergie primaire



Systématiquement penser à l’installation de cogénération pour des opérations D’une certaine taille Chaque fois qu’il y a des besoins élevés et simultanés en

électricité et en chauffage (besoins permanents) Hôpitaux, maisons de retraite, hôtels… Habitations

Aux besoins intermittents (écoles ou bureaux), des regroupements peuvent permettre de réunir des conditions favorables

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