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Chauffage et environnement

Qualité des gaz de combustion

Vers une combustion complète

Depuis des millions d'années, l'homme cherche à obtenir la combustion la plus complète et ce, d'un point de vue purement économique. En effet, les combustibles ont toujours coûté cher, en argent et/ou en efforts. Au cours des dernières décennies, l'aspect économique a quelque peu diminué en importance. Tant que l'on pouvait économiser d'importantes quantités de combustibles, toute innovation technologique était bonne à commercialiser. Toutefois, plus il devenait difficile d'améliorer le rendement de quelques calories, moins ce domaine suscitait d'intérêt. Au point même qu'aujourd'hui, pour bien des appareils de chauffage d'ambiance, on ne cherche même plus à obtenir une combustion totale. Le chauffage n'est plus la préoccupation principale, seule compte la beauté des flammes.

D'un point de vue environnemental, il existe néanmoins une différence énorme entre des appareils qui brûlent 90 %, 99 % ou 99,9 % d'un combustible. La différence entre 10 %, 1 % et même de 0,1 % devient pertinente lorsqu'il s'agit de réduire la pollution générale liée au chauffage. Mettons qu'il y ait un million d'appareils de chauffage dans un pays, qui brûlent 20 kg de combustible par jour. Si la combustion totale se situe en moyenne à 99 %, 200 tonnes de combustible non consumé sont envoyées quotidiennement dans l'atmosphère. À un taux de 99,9 %, on ne se situe plus qu'à 20 tonnes.

Ces gaz de combustion pèsent lourdement sur l'environnement. Ils provoquent, entre autres, une sensation de vertige, des irritations des voies respiratoires, des crises d'asthme, voire des cancers. Les causes principales de ces maux sont le monoxyde de carbone et les hydrocarbures non consumés.

Monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz inodore et incolore. Le danger est que le sang humain absorbe environ trois cents fois plus volontiers le CO que l'oxygène. En d'autres termes, toutes les particules de CO inhalées aboutissent dans notre sang où elles se fixent sur les globules rouges et empêchent ceux-ci d'absorber l'oxygène.

Lorsque 40% des globules rouges sont touchés par le CO, il y a perte de conscience. À partir de 65%, c'est l'arrêt cardiaque.

Les symptômes d'un empoisonnement bénin par le CO sont les suivants : maux de tête, vertiges, légers problèmes respiratoires et rougeur du teint. Ce sont les mêmes symptômes que l'on observe en cas de pollution de l'air environnant par des gaz de combustion. Ces gaz se combinent, en outre, à d'autres polluants pour former, entre autres, le smog, et rendre ainsi les villes peu agréables à vivre. Les personnes asthmatiques en sont les premières victimes.

Le monoxyde de carbone (CO) provient de la combustion incomplète d'un combustible, à l'opposé du dioxyde de carbone (CO2 - qui contient deux atomes d'oxygène, et non un, pour un atome de carbone) qui est le produit d'une combustion complète. Le taux de monoxyde de carbone dans les gaz de combustion sert dès lors à mesurer la qualité de la combustion.

Le chauffage industriel et domestique ne représente qu'une très faible partie de la pollution en CO en Europe. Le principal coupable est le trafic routier.

Goudron et hydrocarbures

Tout comme le CO, les hydrocarbures polyaromatiques et autres hydrocarbures simples proviennent d'une combustion incomplète; ce sont en quelque sorte les prédécesseurs du CO. La combustion incomplète émet dans l'air des substances extrêmement nocives, telles que le benzène, le toluène, le xylène, le benzopyrène, dibenzothiophène, l'anthracène, ...

La pollution due aux ménages ne représente qu'une fraction de la pollution totale. De cette fraction, le chauffage constitue toutefois la part principale. Outre les émissions produites par l'industrie houillère et les aciéries, les poêles à bois et les feux ouverts avec une combustion très incomplète sont un frein aux objectifs de réduction établis par les pouvoirs publics. Le trafic demeure par ailleurs le principal coupable, même si le secteur de la construction n'est pas tout à fait innocent, dans la mesure où il utilise des matières premières et des produits contenant des hydrocarbures polyaromatiques.

Combustibles et qualité des gaz de combustion

Les combustibles gazeux, dans ce cas le gaz naturel, ont l'énorme avantage que la saturation en oxygène de l'air environnant se fait très simplement. Par conséquent, la combustion est très complète, moyennant un apport d'air suffisant, et les émissions en CO sont très faibles. Dans un poêle au gaz naturel, elles se situent entre 0,001 et 0,2 % et les valeurs les plus basses pour les chaudières au gaz à haut rendement s'élèvent à 0,0005 %. Les taux de CO sont nettement plus élevés pour les combustibles fossiles liquides et solides, c'est-à-dire, le mazout et le charbon.

La combustion du gaz naturel ne produit pas d'hydrocarbure polyaromatique, car la structure moléculaire du gaz (CH4) ne le permet pas. Par contre, c'est le cas pour le mazout et le charbon.

La combustion de biogaz est tout aussi complète que celle du gaz naturel : en effet, tous deux présentent la même structure moléculaire. Nous ne connaissons pas les valeurs de CO pour les biocarburants liquides tels que l'huile de colza. Pour autant que nous sachions, elle n'est d'ailleurs pas encore utilisée comme combustible de chauffage. Les expériences en cours ne portent que sur le remplacement du diesel pour les voitures et les camions.

Le bois est un combustible complexe. Il se compose en effet de composants non combustibles (eau et minéraux), des composants combustibles volatils ('petites' liaisons carboniques avec un faible poids moléculaire) ainsi que des composants inflammables non volatils ('grandes' liaisons carboniques avec poids moléculaires élevé). Sous l'effet de la chaleur, les composants volatils se dégagent du combustible, ce qui produit un mélange inflammable dans la zone dite de combustion primaire. Ce sont les flammes visibles. La combustion est incomplète principalement en raison d'une migration trop rapide des composants combustibles, solides ou gazeux, au travers de la zone de combustion primaire, avec une oxydation incomplète pour conséquence. Dans une phase ultérieure de la combustion, lorsque la plupart des éléments volatils sont brûlés, la diffusion de l'oxygène dans le charbon de bois résiduel provoquera une oxygénation des éléments non volatils.

Qualité des gaz dans de la combustion du bois

Dans les anciens poêles à bois, les émissions de CO se situaient entre 4 et 17,6 %. Aujourd'hui, la plupart des normes légales européennes prévoient un taux maximal de 0,4-0,5 % de CO. Les meilleurs poêles à bois, c'est-à-dire les poêles à bois à accumulation ou ceux qui utilisent des catalyseurs ou des bilames (voir plus loin), affichent un taux inférieur à 0,1 % de CO.

La combustion incomplète du bois libère beaucoup d'hydrocarbures non consumés, tels que le benzène, le toluène et le xylène et ce, surtout dans la phase initiale du processus. On voit apparaître en outre des hydrocarbures polyaromatiques en fin de combustion : benzopyrène, dibenzothiophène, anthracène... Dans un poêle à bois classique, on notait des émissions d'hydrocarbures à chaînes courtes équivalant à 48 à 816 mg/kg de bois de chauffage. Or, cette valeur peut s'élever au maximum à 200 mg/kg. Aujourd'hui, les normes légales prévoient, en Europe, un maximum de 40 à 80 mg/MJ. Certes basées sur des interprétations et des méthodes de test assez différentes, ces normes prévoient néanmoins une forte réduction des émissions de goudron et d'hydrocarbures. Dans le cas des meilleurs poêles à bois, c'est-à-dire les poêles à bois à accumulation ou ceux qui sont munis de catalyseurs, on ne détecte plus d'hydrocarbures polyaromatiques. Le taux d'hydrocarbures en général descend à environ 10 mg/kg.

Par rapport à il y a une dizaine d'années, le secteur des poêles à bois a donc connu une véritable révolution. Laquelle va souvent d'ailleurs bien au-delà des nouvelles normes, entre autres, en raison de l'évolution des lois dans d'autres pays, de l'anticipation des fabricants et de la valeur commerciale de l'environnement en tant qu'argument de vente.

Gestion de l'alimentation en air à l'aide de bilames

L'apport en air requiert une technique spécifique pour les différentes phases de la combustion, à savoir les flux primaire, secondaire et tertiaire. Dans bon nombre de poêles, ce réglage se fait manuellement, si toutefois on peut le faire. Les grandes marques de poêles à bois sans accumulation proposent un système automatique fonctionnant à l'aide de bilames spécialement conçus à cet effet. Ces ressorts thermosensibles règlent l'apport en air en fonction du déroulement de la combustion. Trop d'air refroidit le foyer alors que trop peu d'air empêche le processus. Quant aux poêles à combustion lente, ils réduisent l'alimentation en air au minimum afin que le bois brûle le plus longtemps possible et que les pertes thermiques dans la cheminée soient minimes, mais ce faisant, ils occasionnent une importante pollution due à une combustion incomplète. Les flux d'air peuvent également être gérés de manière électronique, mais les bilames sont à la fois meilleur marché et plus fiables.

Catalyseurs

La post-combustion des gaz à l'aide de catalyseurs connaît, elle aussi, un succès croissant. Très semblables à ceux utilisés au départ sur les voitures, ils présentent généralement une structure en nid d'abeille en céramique couverte d'une fine couche de catalyseurs qui favorisent la combustion. Dans les poêles à bois sans accumulation, c'est la meilleure manière d'obtenir les gaz de combustion les plus propres. Par contre, dans les poêles à bois à accumulation, les catalyseurs ne sont pas assez résistants à la chaleur.

Een catalysator in een kachel geeft uiterst schone rookgassen

Poêles à bois à accumulation

Une autre technique consiste à utiliser des matériaux réfractaires autour du foyer : stéatite, chamotte et vermiculite. La température de combustion moyenne passe ainsi de 600 °C à 900 °C. Plus la température est élevée, plus la combustion est complète. C'est particulièrement le cas pour ce type de poêles à bois : la température monte parfois même à plus de 1000 °C. Toutefois, il y a des limites à ne pas dépasser, et pas seulement d'ordre pratique. En effet, une température trop élevée favorise la production d'oxydes d'azote, à l'origine des pluies acides.

Les poêles à bois à accumulation résolvent le problème d'apport en air de manière quasi automatique: ils évitent les pertes thermiques dans la cheminée grâce à la masse d'accumulation présente autour de leurs longs tuyaux d'évacuation. L'alimentation en air doit être moins freinée. Si l'on ajoute cet avantage aux températures de combustion élevées dont nous parlions plus haut, cela explique pourquoi ces poêles ne font pas appel à des astuces technologiques, comme les catalyseurs ou les bilames, pour obtenir une qualité de gaz de combustion équivalant à celle des poêles sans accumulation. Pour en savoir plus sur le fonctionnement, rendez-vous au chapitre Poêles à bois à accumulation à la section 'Économie d'énergie'.

La bonne capacité

Pour réduire la pollution atmosphérique, il est en outre important de calculer avec précision les besoins de chauffage. Une capacité de chauffage mal calibrée contraint l'utilisateur à adopter des habitudes peu écologiques. Les poêles à bois à accumulation ont pour avantage que le réglage se fait principalement au niveau de la durée de combustion. L'utilisateur peut donc l'adapter aisément à ses besoins saisonniers : un peu plus longtemps en hiver, un peu moins à l'entre-saison. Pas besoin de forcer ni de temporiser.

Normes relatives aux poêles à bois

Les poêles à bois modernes produisent jusqu'à cent fois moins de CO et vingt fois moins d'hydrocarbures que leurs prédécesseurs classiques. On ne détecte d'ailleurs plus d'hydrocarbures polyaromatiques. Quant aux gaz non consumés, les meilleurs poêles à bois rivalisent presque avec les poêles au gaz. Mais si l'on considère la contribution du gaz naturel à l'effet de serre, ces poêles constituent la solution la plus écologique. Rappelons qu'il s'agit soit de poêles à bois à accumulation (en stéatite ou en faïence), soit de poêles sans accumulation équipés d'une gestion automatique de l'alimentation en air et/ou de catalyseurs.

Techniques de combustion du gaz naturel

Il est donc plus facile de procéder à une combustion intégrale du gaz naturel ou du biogaz que de combustibles solides. Il existe toutefois d'importantes différences entre les appareils.

Une flamme de gaz bleue indique une meilleure combustion qu'une flamme jaune, cette couleur dépendant principalement de l'apport en air. Les appareils au gaz utilisés uniquement pour le chauffage sont souvent réglés de manière à produire surtout des flammes bleues. Les appareils de chauffage d'ambiance présentent généralement des flammes jaunes, indice d'une moins bonne combustion. Les valeurs de CO pour ces dernières peuvent monter jusqu'à 0,4 %. Pour les flammes bleues, celles-ci peuvent être inférieures à 0,001 %.

Une flamme de gaz produit énormément de chaleur. Les grandes flammes d'ambiance sont dès lors souvent très énergivores, car elles produisent plus de chaleur qu'il n'est nécessaire pour chauffer la pièce. Les poêles au gaz à accumulation constituent toutefois une exception : la chaleur produite par quelques heures de combustion agréable est accumulée pour être rediffusée ultérieurement. Et même si les flammes sont jaunes, les valeurs de CO restent sous la barre des 0,01 %.

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