Évaluation des performances des filtres à particules pour chaudières à biomasse

Filtre à manches plates, FDC France

Les systèmes de filtration qui permettent d’atteindre les Valeurs Limites d’Emission sur les chaudières biomasse se résument aujourd’hui aux Filtres à Manches (FAM) et aux Electrofiltres (ESP). Les solutions dites « émergentes » restent des dérivés de ces systèmes avec des changements de matériau au niveau des manches, des changements de configuration avec les électrofiltres cylindriques ou des pré-filtrations avec des cyclones performants ou même des condenseurs. 

Ces deux systèmes mettent en oeuvre des principes de filtration bien distincts. La filtration d’un ESP est considérée proportionnelle aux particules entrantes. C’est pour cela que les émissions garanties en sortie sont fortement dépendantes des particules qui rentrent. En d’autres termes, la filtration d’un ESP est le résultat d’une soustraction du nombre de particules entrantes dans un volume de gaz de combustion moins sa capacité à capter les particules de ce dit volume. Au contraire, la filtration d’un FAM a une valeur limite physique due à la maille du textile. Elle fournit donc physiquement un seuil d’émission avec une filtration qui ne dépend pas ou peu de la concentration de poussière en entrée de filtre.

Bien évidemment ces deux principes ont des conséquences différentes mais pas opposées sur la conception, sur la maintenance, le renouvellement ou l’investissement. Les visites effectuées sur les 17 sites et les entretiens d’acteurs du secteur (fabricants de filtre, fabricants de chaudière biomasse, exploitants,…) mettent en évidence ces différences et ces similitudes.

Les deux systèmes possèdent les mêmes contraintes de mise en oeuvre sur le flux des gaz de combustion avec dans les deux cas la nécessité d’utilisation d’un multicyclone pour des raisons de sécurité sur le FAM et pour des raisons de performance sur l’ESP. La conception reste similaire dans l’encombrement et la fonctionnalité avec l’utilisation d’organes communs comme le by-pass, le caisson de filtration, l’étanchéité de l’évacuation des fines, le transport des fines et son stockage. Cependant le dimensionnement reste différent avec la température en entrée de filtre qui déterminera la qualité des manches pour le FAM et la quantité de fines qui déterminera l’intensité du champ électrique et la surface de filtration pour les ESP.

Les consommations électriques de fonctionnement, contrairement aux idées reçues, restent plus importantes sur les FAM que sur les ESP avec une surconsommation considérable sur le ventilateur d’extraction due aux pertes de charges et à des fuites usuelles sur le réseau d’air comprimé. Sur un FAM bien dimensionné et une installation correctement exploitée (qualité du combustible, taux de charges de la chaudière), les consommations électriques entre les deux technologies de filtration doivent néanmoins théoriquement rester proches.

A l’exploitation, l’avis des exploitants est unanime : l’ESP requiert moins de temps que le FAM surtout en termes de renouvellement notamment celui des manches. Ajoutées à cela, les fréquences de by-pass seront plus importantes sur les FAM que sur les ESP compte tenu de la sensibilité aux risques de condensation et d’incendie. Les performances qui découlent de cette exploitation semblent différentes des caractéristiques intrinsèques des filtres. En effet, l’étude ne met pas en valeur une différence nette de résultats en termes d’émissions de poussières entre un FAM et un ESP au contraire des valeurs théoriques annoncées. On rappellera encore que les valeurs d’analyses étudiées sont ponctuelles et des valeurs moyennes amplifieraient sans doute le constat de l’influence de la qualité d’exploitation induite par une robustesse des systèmes de filtration.

Cependant, les problèmes d’incendie qu’ont connus les FAM sur les premières installations ne doivent pas être un critère de choix compte-tenu des enseignements en termes de conception mais aussi de choix de constructeur ne connaissant pas ce problème.

Simple en apparence, ces systèmes de filtration nécessitent un entretien rigoureux et des compétences techniques pour assurer des VLE terrain en concordance avec le dimensionnement. De manière générale, le système de filtration est intégré au lot de la chaudière bois, en conséquence les constructeurs de filtre sont peu présents sur les installations et le suivi est réalisé principalement par le fournisseur de chaudière bois. Les exploitants sont insuffisamment sensibilisés aux spécificités d’un système de filtration et doivent être davantage formés pour optimiser le fonctionnement de l’installation et garantir sa pérennité.

En termes d’investissement sur l’ensemble des sites visités, les deux technologies présentent des montants similaires représentant en moyenne 26% de l’investissement du process bois. Pour les puissances petites et moyennes (< 4MW), le coût du filtre peut représenter 30 à 40% du process bois et moins de 20% pour les puissances supérieures, soit de 80 k€ (500 kW) à 500 k€ (15 MW).

Les coûts de fonctionnement des filtres en fonction des charges globales (hors achat de combustible P1) restent eux aussi similaires avec une moyenne à 6.5% sur l’ensemble des sites visités. Il existe une différence plus marquée suivant la puissance des chaudières avec une valeur entre 7 et 10% pour des chaufferies < 2 MW et seulement 5% pour des chaufferies > 5MW.

Sur le prix de vente global de l’énergie en €HT/MWh comprenant le combustible, la maintenance, le renouvellement, et l’investissement, le poids du filtre suivant la puissance s’élève de 2.5 % à 7% pour les plus petites chaufferies, soit de 2 à 7 €HT/MWh.

Selon les données recueillies dans cette étude, il existe plusieurs paliers de VLE qui engendrent des surcoûts (investissement et exploitation) pour une installation neuve :

  •  passage d’une VLE de 150 à une VLE de 75 ou 45 mg/Nm3 à 6 % d’O2 ;
  • passage d’une VLE de 45 à une VLE de 30 ou de 15 mg/Nm3 à 6 % d’O2.

Dans le cas d’un ESP, pour un passage de 45 à 30 ou 15 mg/Nm3, le surinvestissement sera conséquent pour les petites et moyennes puissances (de l’ordre de 70 % jusqu’à 1 MW ; de 10 à 30 % jusqu’à 4 MW ; au-delà de 6 MW, le surcoût est nul).

Au vu des résultats des mesures sur sites, pour les installations existantes, la mise en oeuvre d’une VLE à 30 mg/Nm3 ne devrait pas engendrer de surcoûts importants quelle que soit la technologie. En revanche, dans le cas général, le passage à 15 mg/Nm3 ne pourra pas être réalisé sans surinvestissement important.

ADEME

Pour conclure, l’étude met en évidence l’importance de la qualité d’exploitation des systèmes et des mesures en continue nécessaires pour confirmer la bonne utilisation de ces filtres.

>> Télécharger l’étude complète de l’ADEME : Évaluation technico-écnomique des systèmes de réduction des émissions de particules des chaudières biomasse