Comment fonctionne une chaudière biomasse?

Vous pouvez découvrir le fonctionnement d’une chaudière biomasse sur la vidéo ci-dessus. Cette vidéo est également disponible sur notre compte YouTube : vidéo du fonctionnement d’une chaudière biomasse.

Les principaux composants d’une chaudière biomasse

Les différents composants d'un système de chauffage biomasse

Une chaudière biomasse comporte habituellement les éléments suivants :

  1. Le silo à biomasse
  2. Le système de convoyage du combustible
  3. Le brûleur
  4. La chaudière
  5. L’automate de contrôle
  6. Le système de dépollution et la cheminée
  7. Le système de décendrage
  8. Le groupe hydraulique

Il existe une multitude de chaudières biomasse de taille et de fonctionnalités différentes. Les explications ci-dessous sont données pour une chaudière biomasse à grille mobile Säätötuli de puissance moyenne.

Le silo biomasse

Le silo est le réservoir de combustible de la chaudière. C’est ici qu’on déverse le combustible biomasse (habituellement chip de bois ou granules). Le choix du silo est essentiel pour le bon fonctionnement de votre chaudière biomasse. Il vous faudra trouver le bon équilibre entre votre budget et la taille du silo. Plus le silo est grand, moins souvent vous aurez à le remplir, mais plus il sera dispendieux.

Il existe principalement quatre types de silos biomasse :

  • Le silo à granules. C’est simplement un réservoir avec un fond conique. La granule a l’avantage d’être très standardisée et d’avoir une surface lisse qui lui permet de tomber par gravité dans un cône. Ce silo ne convient pas à la chip de bois (plaquette) qui y resterait coincée.
  • Le silo à désileur rotatif. C’est un silo avec un disque mélangeur au fond du silo qui amène le combustible vers la vis de désilage. Ce type de mélangeur est surtout adapté pour des petits silos à biomasse comme les systèmes de silos Säätötuli STRONG. Lorsque ce type de solution est utilisée sur de plus gros silos, le disque est généralement muni de lames en acier.
  • Le silo avec désileur à raclettes. C’est une solution plus robuste qui permet de faire des silos relativement grands. Les raclettes vont faire des mouvements d’aller-retour pour brasser le combustible et l’amener vers la vis de désilage. Les raclettes sont habituellement en acier épais et munis d’un mouvement puissant soit hydraulique comme sur le Säätötuli Hydrobar (montré ici en exemple), soit mécanique comme pour les systèmes Metri2 et Kaks2.
  • Le silo à échelles hydrauliques. C’est la solution par excellence pour les grandes puissances car il permet de faire des silos pouvant contenir plusieurs semi-remorques de combustible à la fois. Les échelles sont posées au fond du silo et fonctionnent sur le même principe que les raclettes des silos à raclettes. Les échelles peuvent être suffisamment solides pour que les semi-remorques puissent rouler dessus pour le déchargement.

En plus de la taille, il est important pour le bon fonctionnement de la chaudière biomasse que le silo soit capable d’utiliser le type de combustible disponible. Plus un combustible biomasse est de qualité, plus il sera dispendieux. Sur le long terme, il est souvent plus intéressant d’investir un peu plus lors de l’achat de la chaudière pour avoir un équipement capable de prendre des combustibles de moins bonne qualité, donc moins chères. L’investissement sera rentabilisé rapidement par les économies sur le combustible.

Le dernier critère important dans le choix de votre silo : il faut réfléchir à la manière dont vous allez remplir le silo et l’équipement dont vous disposez pour le faire. Un petit silo peut être rempli manuellement avec des sacs de granules par exemple. Si vous avez un loader pour remplir le silo, assurez-vous que le bord du silo ne soit pas trop haut pour votre équipement et que le silo soit plus large que le bucket pour ne pas faire tomber le combustible à côté.

Désileur biomasse à raclettes hydauliques

Le désileur présenté ici est prévu pour de la chip de bois de qualité inférieure. Le combustible peut contenir quelques morceaux de bois trop gros, des brindilles ou des morceaux de branches. La vis de désilage a une forme étudiée pour briser les éventuels brindilles ou bâtonnets qui se présenteraient. Il est également muni d’une contre-lame pour découper les morceaux trop gros qui se présenteraient dans la vis de désilage. Vous pouvez voir une animation de la vis et la contre-lame en action sur notre vidéo de l’extracteur de silo Hydrobar.

Le système de convoyage de combustible

Vis de désilage biomasse avec chute vers la vis du brûleur

Le combustible biomasse est transféré du silo au brûleur avec un système de convoyage. Les grosses installations ont généralement des convoyeurs à raclettes. Sur les systèmes de chauffage biomasse de petite et moyenne puissance, le système de convoyage est habituellement fait avec des vis sans fin.

Il est possible d’avoir une vis directe entre le silo et le brûleur. Cette solution peu dispendieuse a été progressivement abandonnée depuis la fin des années 1990.

Le fait de faire un système avec des vis multiples permet de créer une sécurité supplémentaire contre le retour de feu. Par exemple, sur l’image ci-dessus, la vis arrivant du silo déverse le combustible dans une chute. La vis du brûleur est au fond de la chute et amène le combustible vers la chaudière. Une sonde surveille en continu la température de la vis du brûleur. Si cette température augmente de manière inhabituelle, l’automate de contrôle va évacuer tout le contenu de la vis du brûleur dans le foyer de la chaudière. Un vide est donc crée entre le silo et le brûleur, évitant ainsi tout risque de propager le feu vers le silo.

Ce système de sécurité est renforcé par la présence de sprinklers ou d’extincteurs aérosol à des endroits stratégiques du système de convoyage.

Une sécurité supplémentaire peut être apportée en ajoutant une ou deux portes hydrauliques pour créer une barrière physique entre le silo et la vis du brûleur. Dans le cas ou le système n’utiliserait que de la granule (pellet) ou de la chip de bois de très haute qualité, il est possible d’installer une écluse rotative (tambour compartimenté laissant tomber le combustible).

Le brûleur et la chaudière

Brûleur biomasse à grille mobile connectée à une chaudière hydronique

Il s’agit là du cœur de toute installation de chauffage biomasse. Le brûleur va effectuer la combustion de la biomasse pour la transformer en gaz chaud et en cendres.

Il existe différents types de brûleurs biomasse capables de brûler des combustibles plus ou moins variés. Le brûleur biomasse Säätötuli est un brûleur de type stoker à grille mobile. C’est un brûleur robuste et lourd qui accumule beaucoup de chaleur. Cette chaleur accumulée permet au brûleur de ne pas étouffer si on y insère du combustible plus humide. Le combustible a le temps de sécher puis de brûler sans que le brûleur ne perde trop d’efficacité.

Le brûleur va créer une flamme avec le combustible. Cette flamme va se développer dans la chambre de combustion de la chaudière biomasse. La chambre de combustion est entourée d’eau.

La grille mobile va permettre de brasser le combustible à intervalles régulières et d’évacuer les cendres pour éviter qu’elles ne s’accumulent dans le brûleur.

Le gaz chaud de la combustion circule au travers de l'échangeur à tubes, l'eau froide arrive par le bas et traverse la chaudière pour sortir par le haut du foyer

Comme pour les brûleurs, il existe différents concepts pour les chaudières biomasse. Les chaudières hydroniques ASME de Säätötuli sont munis d’un échangeur à tubes verticaux. Les gaz chauds crées par le brûleur vont circuler dans ces tubes et transférer la chaleur à l’eau qui entoure les tubes.

L’eau froide entre par le bas de la chaudière, passe au travers de l’échangeur tubulaire et ressort en haut de la chambre de combustion, à l’endroit le plus chaud de la chaudière.

La pompe de circulation évite la condensation dans la chaudière

Les combustibles biomasse peuvent être très humides. L’humidité contenue dans le combustible va se vaporiser et partir dans les fumées. Si cette fumée humide arrive sur une surface froide, l’humidité risque de se condenser en eau. Si l’eau qui rentre dans la chaudière est trop froide, on risquerait d’avoir des écoulements d’eau à l’intérieur des tubes à feu à l’arrière de la chaudière. Ceci entrainerait une corrosion et la formation de rouille à l’intérieur de la chaudière, ce qui en diminuerait la durée de vie.

Pour éviter ce problème, une pompe va automatiquement mélanger un peu d’eau chaude au flux d’eau froide entrant dans la chaudière pour maintenir la température au-dessus du point de rosée.

Le métal a tendance à se rétracter au froid et à s’étendre à la chaleur. Même si ces changements de dimension ne sont pas visibles à l’œil nu, ils ont une tendance à fatiguer le métal et à entrainer de l’usure au fil des ans. Pour maximiser la durée de vie de votre chaudière, Säätötuli conseille de toujours faire fonctionner la chaudière à une température proche du maximum pour lequel elle a été conçue et d’éviter les variations de température. Il est donc fortement déconseillé de piloter la température de votre système de chauffage avec le thermostat de la chaudière comme on le voit trop souvent encore au Canada. La partie transfert de chaleur ci-dessous explique plus en détail comment concevoir votre réseau de chaleur hydronique.

Gestion des cendres issus de la combustion de la biomasse

Le système de ramonage automatisé est constitué de ressorts qui effectuent des mouvements d'aller-retour dans les tubes à feu

La combustion de biomasse entraine la formation de cendres. Une partie de ces cendres est de très petite taille et aura tendance à s’envoler avec les fumées. Ces particules vont alors se déposer sur tout le parcours des fumées et notamment dans les tubes de l’échangeur de chaleur.

Les tubes de l’échangeur auront donc tendance à accumuler des particules, ce qui diminue progressivement leur efficacité à récupérer la chaleur.

Pour diminuer ce problème, trois facteurs vont se combiner :

  • Un brûleur de bonne qualité bien entretenu avec une bonne combustion générera beaucoup moins de ces particules fines volatiles qu’un brûleur avec une mauvaise conception ou non entretenu.
  • Un échangeur à tubes verticaux cumulera moins de particules qu’un échangeur à tubes horizontaux. Même si elles sont petites, les particules de cendres volantes sont affectées par la force de gravité et auront tendance à tomber vers le bas. Dans un échangeur tubulaire vertical, elles auront plutôt tendance à tomber vers le bac à cendres situé en dessous de l’échangeur que de rester dans le tube.
  • Un système de ramonage automatisé peut être installé. Il en existe principalement deux types. Les systèmes de ramonage mécanique, comme celui sur l’image ci-dessus, sont constitués de ressorts qui font un mouvement d’aller-retour le long des tubes pour les tenir propres. L’autre solution est un système de ramonage pneumatique. Il envoie une pulsation d’air comprimé dans l’échangeur pour décoller la couche de cendres accumulée.

Système de décendrage automatique avec vis à cendres

En majorité, les cendres issues de la combustion tombent sous le brûleur. Elles peuvent être évacuées automatiquement avec un système de vis sans-fin qui va les sortir de la chaudière et les transférer dans un bac à cendres.

La quantité de cendres produite par une chaudière biomasse dépend du type de combustible utilisé.

Une granule (pellet) de bois de bonne qualité aura un contenu en cendres de l’ordre de 0.5%. Pour la chip de bois, plus il y a d’écorce dans le combustible, plus on aura de cendres. On parle habituellement de taux de cendres entre 0.5 et 2%.

Les résidus agricoles et la tourbe peuvent avoir de très gros taux de cendres. Par exemple, la tourbe se situe souvent autour de 4 à 8% et la paille peut monter jusqu’à 9%.

Pour brûler des combustibles à fort taux de cendres, la qualité du brûleur devient essentielle. Une grosse quantité de cendres aura tendance à étouffer certains brûleurs qui ne sont pas conçus pour la supporter.

Des cendres en grande quantité peuvent également entrainer la formation de mâchefer. Il s’agit d’une sorte de lave qui se forme lorsque la cendre fond et s’amalgame. Les systèmes avec grille de combustion mobile permettent de diminuer la formation de mâchefer. Dans le cas d’utilisation de combustibles avec des taux de cendres extrêmes, Säätötuli équipe ses brûleurs avec un système de recirculation des gaz de combustion. Ceci permet de diminuer la température de combustion sur la grille et donc la formation de mâchefer.

Les fumées issues de la combustion biomasse

Le cyclone dépollue la fumée des particules fines

Les fumées générées par la combustion vont transiter par la chaudière qui va en extraire la chaleur. A la sortie de la chaudière, les fumées vont être envoyées vers la cheminée.

Selon les normes à respecter et le combustible utilisé, les systèmes de chaudière biomasse vont être équipés d’un système de dépollution plus ou moins performant. Dans la majorité des cas il s’agit d’un cyclone qui permet de diminuer fortement la quantité de particules fines émises par la chaudière.

Quelle que soit le système de dépollution installé, une chaudière biomasse moderne ne doit générer ni odeur de bois brûlé, ni fumée visible. Par grand froid, on devrait voir uniquement voir un nuage blanc se former à la sortie de la cheminée. Ce nuage blanc est formé par l’humidité contenu dans le combustible.

Transfert de chaleur

Réseau de chauffage hydronique

Une fois l’eau chauffée par la chaudière, elle est envoyée dans le réseau de chauffage. La pompe principale du réseau va envoyer l’eau chaude, arrivant de la chaudière, dans le réseau. Le réseau de chauffage peut comporter un ou plusieurs bâtiments (même éloignés). Vous pouvez en apprendre plus dans notre Wiki sur le chauffage biomasse municipal.

L’eau circule dans les différents échangeurs du réseau de chaleur (radiateurs, aérothermes, planchers chauffants…) et revient refroidie dans la chaudière.

Shunt automatisé controlant la température de l'eau du réseau de chauffage hydronique

Comme indiqué plus haut, il est conseillé de toujours garder la chaudière à la température la plus élevée possible pour augmenter sa durée de vie. Cependant si, par exemple, vous utilisez un plancher chauffant, de l’eau trop chaude serait non seulement désagréable, mais risquerait également d’endommager les tubes avec lesquels le plancher chauffant est fabriqué.

La solution est de rajouter un shunt automatisé pour contrôler la température de l’eau partant vers le réseau. Ce shunt va mélanger automatiquement la quantité d’eau froide nécessaire avec l’eau chaude venant de la chaudière pour obtenir la température désirée. Vous pouvez donc garder votre chaudière à sa température optimale, tout en choisissant précisément la température qui part vers votre réseau de chauffage.

La chaudière peut être connectée à plusieurs boucles d’un gros réseau de chauffage. Chaque boucle peut avoir son propre shunt et donc sa propre température de fonctionnement. Par exemple dans une usine on peut chauffer un plancher chauffant à une température basse, des aérothermes à une température élevée et des radiateurs à une autre température.

Automate de contrôle

L'automate de contrôle pilote le fonctionnement de la chaudière biomasse

L’automate de contrôle a la charge de faire fonctionner toute l’installation en pilotant les moteurs et les ventilateurs selon les besoins.

L’automate de contrôle présenté ci-dessus est le modèle C210 de Säätötuli. Il est manufacturé avec des composants électriques standard. Personne n’étant à l’abri d’un fusible ou un relais électrique qui grille, ceci permet un dépannage rapide car tous les électriciens du pays ont ce type de composants en stock.

L’automate C210 est muni d’un PLC à écran tactile avec un logiciel intuitif. Chaque composante de la chaufferie est dessinée sur le schéma et on peut peser dessus pour visualiser les paramètres. Un code couleur simple permet de voir d’un seul coup d’œil ce qui se passe. Les équipements en vert sont en fonctionnement, ceux en jaune ou gris sont prêtes à fonctionner. Si un équipement est en rouge, cela indique un problème. Il suffit de peser dessus pour ouvrir une explication de ce qu’il convient de faire pour résoudre le problème. En option, il est possible de connecter ce boitier à internet pour un pilotage à distance.