Optiwood : optimiser le fonctionnement des petites chaufferies à bois

Article paru dans le Bioénergie International n°64 de décembre 2019

L’un des sites pilotes, photo AILE

La filière bois-énergie s’est fortement développée en Bretagne, montrant une progression en 10 ans de 140 000 à 500 000 tonnes de bois déchiqueté valorisés par an. Cependant, la trajectoire de développement reste importante pour atteindre les 38 % de consommation finale de chaleur renouvelable en 2030, tel que prévu par la loi de transition énergétique. Aussi, une fois les chaufferies bois en fonctionnement, il existe des marges de manœuvre pour réduire encore leur empreinte carbone, comme cela a été montré par des enquêtes réalisées par AILE sur le parc de chaufferie en Bretagne et par des audits réalisés pour l’ADEME en Pays de la Loire.

Le projet Optiwood

Le projet vise à mettre en avant, sur douze chaufferies pilotes, les bonnes pratiques pour réduire de 10 % leur consommation d’énergie fossile pour ensuite déployer les bonnes pratiques sur l’ensemble du parc. Douze chaufferies en France et au Royaume-Uni participent à ce projet et ont été instrumentées pour mesurer leur efficacité. En analysant les données du suivi et en travaillant étroitement avec les parties prenantes de chaque installation (opérateur, société d’exploitation, constructeur…), les partenaires cherchent à optimiser leur fonctionnement.

Visite d’un site pilote avec les partenaires du projet Optiwood, photo AILE

Le projet, qui se déroule de septembre 2018 à septembre 2020, est soutenu par le programme européen Interreg France Manche Angleterre. Le consortium regroupe quatre partenaires : South East Wood Fuels, le Pays de Fougères, le Département d’Ille-et-Vilaine et l’association AILE, coordinateur du projet.

Premiers résultats du suivi des douze sites

Sonde d’oxygène en sortie de chaudière, photo AILE

Instrumentation des chaufferies

Les opérateurs se sont engagés à noter les quantités de bois reçues à chaque livraison, ainsi qu’à mesurer le taux d’humidité. Si le site n’était pas équipé, un compteur de chaleur a été installé en sortie de chaudière bois. Chaque site a aussi été instrumenté d’une sonde d’O2 et de sondes de température des fumées et de l’eau chaude à différents emplacements. L’instrumentation a coûté 980 €/site hors pose du compteur de chaleur.

Détail de l’instrumentation des sites pilotes

Bilan de fonctionnement des sites : état initial

Les performances initiales ont été mesurées entre octobre 2018 et septembre 2019 et sont présentées dans le tableau. Toutes les installations sont exploitées en régie avec un contrat d’exploitation pour la maintenance préventive et les réparations, à l’exception du centre aquatique 2 qui est exploité par une société privée.

Sites Chaudière – Tampon Tonnes bois/an Taux bois Rendement chaudière Améliorations possibles
Etablis-sement de santé 1 500 kW Fröling

Pas de ballon

310 t 65% 79 % Ajouter un ballon tampon.

Réactivité d’intervention lors de pannes.

Redémarrer la chaudière plus tôt dans la saison.

Etablis-sement de santé 2 300 kW Herz

Ballon

2000 l

176 t 72% Revoir le paramétrage de la chaudière bois.

Brider la chaudière / augmenter le volume tampon pour allonger les cycles chaudière.

Etablis-sement de santé 3 220 kW Köb

Ballon

2300 l

135 t 74% 78 % Fiabiliser la méthode de mesure de l’humidité du combustible.

Installer un système de ramonage automatique.

Revoir le réglage de la chaudière.

Etablis-sement de santé 4 900 kW Schmid

Ballon

10 000 l

 1216 t 20% 72% Étanchéifier des cendriers.

Réduire la fréquence du ramonage des échangeurs ?

Centre aquatique 1 720 kW Köb

Pas de ballon

800 t 73% 87 % Installer un système de ramonage automatique.

Homogénéiser la qualité du combustible.

Centre aquatique 2 500 kW Fröling

Ballon

6 000 l

346 t 50% 85 % Elargir la période de fonctionnement de la chaudière bois.

Réactivité d’intervention lors des pannes et analyse des défauts.

Ecole 220 kW Fröling

Pas de ballon

0 0% Remplacer la vis de transfert par une vis sans âme.
Ecole avec piscine 450 kW Gilles

Pas de ballon

  170 75% 77% Étanchéifier  le silo et la vis de transfert du bois (silo container extérieur).
Tertiaire 1 150 kW Lindner

Ballon

3000 l

39 t 100% 66 % Arrêter la chaudière hors périodes d’occupation et en été (production eau chaude).
Tertiaire 2 300 kW Herz

Ballon

5000 l

33% 42% Brider la chaudière (150 kW).

Revoir paramétrage de la cascade bois/gaz.

Logements collectifs 200 kW HDG

Ballons

10 000 l

 205 100% 52% Ajuster le réglage de la chaudière
Serres 995 kW Heizomat

Ballons

10 000 l

        210 80% 73% Isoler les ballons tampons.

Programmer la chaudière bois pour allonger son cycle de fonctionnement.

Le rendement moyen des chaudières bois est de 71 % ce qui est bien en dessous du rendement pris en compte dans les études de projet (80-85 %). Les chaudières des centres aquatiques pour lesquels les besoins sont réguliers et importants présentent les meilleurs rendements. Les chaudières dont le rendement est inférieur à 70 % alimentent des bâtiments à un usage intermittent et sont pour la plupart, surdimensionnées.

Le taux de couverture moyen par le bois (hors site à l’arrêt) est de 62 %. Les taux de couverture les plus bas sont liés à un arrêt de la chaudière bois sur 4 à 5 mois de l’année (sans raison technique) et à des pannes ou défauts qui ne sont pas traités assez rapidement.

De l’analyse du fonctionnement des douze sites, nous pouvons dégager les préconisations suivantes.

Une conception simple et du bois de qualité adaptée = 80 % de problèmes en moins

Le principal problème rencontré sur ces sites, et en général, reste l’acheminement du bois depuis le silo jusqu’à la chaudière. La casse d’une vis de huit mètres avec âme et pente de 45° a empêché l’une des chaudières de fonctionner sur la saison de chauffe complète. La casse du roulement d’une vis avec âme de six mètres avec pente de 45° a causé un arrêt technique de 27 jours en plein hiver. Sur deux autres sites, le sous fonctionnement de la chaudière bois provient de difficultés de paramétrage de la cascade bois / gaz ou de communication entre la GTB et la chaudière bois.

Valider les bonnes options lors la commande

Un quart des chaufferies bois suivies n’est pas équipé de ramoneur automatique des tubes de fumée, avec plusieurs conséquences :

  • Mobilisation de personnel pour le ramonage toutes les trois semaines, pour une tâche pénible et facilement évitable,
  • Arrêts techniques pendant 24 à 48 h toutes les trois semaines,
  • Entre deux ramonages, baisse progressive de l’efficacité d’échange de la chaudière.

Le chiffrage du surcoût d’exploitation a motivé l’un des trois sites à s’équiper de système de ramonage automatique au cours de ce suivi. Généralement, l’investissement dans les équipements facilitant les opérations d’entretien de l’installation (aspirateur de cendres, nettoyage automatique…) est crucial et permet de garantir un bon maintien du rendement dans le temps.

Effet du nettoyage des échangeurs sur la température de fumée, et sur le rendement

Améliorer le taux de disponibilité des chaudières

Pendant la saison de chauffe, plusieurs pannes ont été longues à diagnostiquer et à solutionner, impactant significativement le taux de couverture par le bois. Pour l’un des sites, dont la chaudière de secours fonctionne au gaz naturel, deux pannes (sonde Lambda défectueuse et moteur d’extracteur) ont entraîné un arrêt de 50 jours et de 20 jours pour diagnostiquer, commander et remettre en place les équipements, ce qui a réduit de 30 % le taux de disponibilité de la chaudière. Le gain potentiel de taux de couverture est de 20 %, soit une économie possible de 5 300 € face à du gaz de ville.

Sur un autre site, où la chaudière de secours fonctionne au gaz propane, on compte 55 jours d’arrêt pour la commande et réception d’un nouvel écran de contrôle et 10 jours supplémentaires à cause d’une erreur de paramétrage par le constructeur. Le gain potentiel du taux de couverture est de 20 %, soit une économie possible de 19 000 €.

Quelques pistes d’amélioration du taux de disponibilité des chaudières bois : renforcer la maintenance préventive, constituer un stock de pièces d’usure, intéresser les exploitants aux bons résultats de fonctionnement de l’installation (ou les pénaliser dans le cas contraire), choisir un constructeur avec un service après-vente dans le pays, préférer une cascade de chaudières bois à une chaudière seule…

Allonger les cycles de fonctionnement de la chaudière bois

Quatre chaudières bois sont surdimensionnées : ce sont celles qui présentent les rendements les plus bas, car elles fonctionnent de manière intermittente. L’ajout d’un ballon tampon suffisamment dimensionné permet d’allonger les cycles de fonctionnement de la chaudière bois et d’en améliorer le rendement. Il permettrait d’éviter le démarrage de la chaudière gaz lors d’appels de puissance, par exemple lors de besoins d’eau chaude et de chauffage les matins d’hiver.

Fonctionnement de la cascade chaudières

Adapter les réglages de la chaudière au combustible

Les installations suivies valorisent un combustible adapté à la chaudière. Seul bémol : deux sites sont alimentés par deux fournisseurs différents ce qui oblige à modifier les réglages de la chaudière en fonction des livraisons. Pour un autre site, des réglages inadaptés entraînaient des bourrages de cendres chaque week-end, suivis d’arrêts techniques.

Cendre avant réglage, photo AILE

L’intervention du constructeur a permis d’adapter les réglages de la chaudière afin d’obtenir une meilleure combustion, produisant des cendres de bonne qualité, fines et claires, qui n’engendrent plus de bourrage sur la grille du foyer.

Cendre après réglage, photo AILE

En bilan intermédiaire

Le suivi réalisé est simple, reproductible et peu coûteux ; il permet de comprendre le fonctionnement de la chaudière bois et de mettre en avant des problèmes non identifiés avant. Les chaudières suivies utilisent du bois de qualité adaptée à l’installation. Un suivi plus rigoureux du taux d’humidité des livraisons reste souhaitable, tant côté fournisseurs que clients.

Le plus important levier d’optimisation des installations est lié à des problèmes de conception (type de vis, pente de vis à âme > 30°, longueur de vis à âme > 5 m, chaudière surdimensionnée, absence de ballon tampon) ou à des choix techniques inappropriés (absence de ramoneur automatique) pour lesquels une solution d’amélioration nécessiterait des investissements.

Le second levier d’optimisation est l’amélioration de la disponibilité de la chaudière bois en saison de chauffe, comprenant une anticipation des pannes par la maintenance préventive et une meilleure réactivité lors des pannes, tant du côté du maître d’ouvrage, de l’exploitant que du constructeur.

Formation des opérateurs des chaufferies pilotes par Denis Renoux du CRER, photo AILE

Enfin, au-delà de tous les aspects techniques, la motivation et les compétences de l’opérateur sont déterminants pour optimiser une chaudière bois. Le seul conseil d’un opérateur qui exploite une chaudière performante : il faut aimer sa chaudière !

Suite à l’analyse des données de fonctionnement des sites, AILE accompagne les opérateurs dans l’amélioration des performances de leur installation. Les améliorations en cours seront mesurées lors de la saison de chauffe 2019-2020.

Antoine Quévreux – antoine.quevreux@aile.asso.fr
 et Aurélie Leplus – aurelie.leplus@aile.asso.fr – AILE / +33 299 546 323 – 
www.aile.asso.fr/optiwood

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