Mesure des caractéristiques des combustibles bois
ADEME
Critt Bois – Fibois – CTBA
JUILLET 2001
SOMMAIRE
AVANT PROPOS page 4
1 - LA PRISE D’ECHANTILLON page 6
- Division et/ou mélange du prélèvement
accompagnée de la mesure d'un des échantillons
- Réduction de la taille du prélèvement
suivi de la mesure de plusieurs échantillons page 7
2 - POUVOIR CALORIFIQUE page 9
2.1 - Définitions
2.1.1 - PCS
2.1.2 - PCI
2.2 - Unités
2.3 - PCI et essence page 10 2.4 - Méthode 1 : mesure du PCI page 11 2.4.1 - Principe 2.4.2 - Appareillage 2.4.3 - Mode opératoire 2.4.4 - Expression des résultats page 12
Pouvoir calorifique supérieur
Pouvoir calorifique inférieur sur sec à l’air
2.4.5 - Coût de la méthode page 13 2.5 - Méthode 2 : détermination du PCI a partir de l’humidité page 14 2.6 – Synthèse page 15
3 – HUMIDITE page 17
3.1 - Définitions 3.2 - Méthodes par déshydratation : principe 3.3 - Méthode 1 : étuvage page 18
3.3.1 - Mode opératoire
3.3.2 - Expression des résultats
3.3.3 - Coût de la méthode
3.4 - Méthode 2 : par lampes infra rouge page 19
3.5 - Méthode 3 : par micro ondes page 20
3.5.1 - Mode opératoire 3.5.2 - Expression des résultats
3.5.3 - Coût de la méthode
3.6 - Méthode diélectrique page 21 3.7 – Synthèse page 22
4 – GRANULOMETRIE page 24
4.1 - Définition
4.2 - Méthode 1 4.2.1 - Principe 4.2.2 - Appareillage 4.2.3 - Mode opératoire 4.2.4 - Expression des résultats 4.2.5 -Coût de la méthode
4.3 - Méthode 2 page 25
4.3.1 - Principe 4.3.2 - Appareillage 4.3.3 - Mode opératoire 4.3.4 - Expression des résultats 4.3.5 - Coût de la méthode 4.4 – Synthèse page 26
5 - TAUX DE CENDRES page 28
5.1 - Principe 5.2 - Appareillage 5.3 - Mode opératoire 5.4 - Expression des résultats 5.5 - Coût de la méthode page 29
6 - TAUX D’ECORCE page 31
6.1 - Méthode 1
6.2 - Méthode 2
7 – PRECONISATIONS page 33
7.1 - Contrôle du respect du cahier des charges d’un combustible
7.1.1 - Prise d’échantillon
7.1.2 - Humidité
7.1.3 - PCI
7.1.4 – Granulométrie page 34
7.1.5 - Taux de cendre et taux d’écorce
7.2 - Facturation
AVANT PROPOS
Avec le nombre croissant de chaufferies automatiques bois qui se développent et les différents fournisseurs potentiels, se pose la difficile question de la mesure des caractéristiques des combustibles bois employés.
La connaissance des caractéristiques des combustibles bois relève de deux nécessités :
Le contrôle du respect du cahier des charges d’un combustible
La facturation du combustible
Au poids ou au volume, il est évident que la facturation du bois au PCI (pouvoir calorifique inférieur) constitue la méthode la plus fiable, encore faut-il mesurer correctement les paramètres du bois livré dont le plus important : l’humidité.
Les caractéristiques des combustibles concernés sont :
le Pouvoir Calorifique Inférieur
l'humidité
la granulométrie
le taux de cendres
le taux d’écorce
Par ailleurs, devant l’hétérogénéité des combustibles employés, le mode d’échantillonnage revêt une importance toute particulière.
LA PRISE D’ECHANTILLON
1 - LA PRISE D’ECHANTILLON
La prise d’échantillon est capital pour la bonne représentativité des mesures réalisées à partir des échantillons prélevés.
La quantité de combustible prélevé dépend de la mesure à réaliser (une mesure de PCI ne nécessite que quelques grammes de combustible, une mesure d’humidité peut nécessiter plusieurs dizaines de litres de combustible).
Devant l’hétérogénéité des combustibles, il est absolument nécessaire de prélever des échantillons en différents points du stock ou de la benne qui livre : essayer de prélever des échantillons à la fois en superficie du tas de combustible mais aussi le plus au cœur possible de celui-ci.
Deux techniques (tout aussi valable l’une que l’autre) peuvent être adoptées :
1.1 - Division et/ou mélange du prélèvement accompagnée de la mesure d'un des échantillons
 
MESURE DES CARACTERISTIQUES DE L'ECHANTILLON
1.2 - Réduction de la taille du prélèvement suivi de la mesure de plusieurs échantillons
MESURES DES CARACTERISTIQUES DE L'ECHANTILLON
POUVOIR CALORIFIQUE
2 - POUVOIR CALORIFIQUE
2.1 - Définitions :
Le pouvoir calorifique représente la quantité d’énergie contenue dans une unité de masse de combustible. On distingue le PCS (Pouvoir calorifique supérieur) et le PCI (Pouvoir calorifique Inférieur).
2.1.1 - PCS :
Il s’agit de l’énergie dégagée par la combustion du bois en récupérant la chaleur latente de la vapeur d’eau produite par la combustion. Toutes les mesures existantes déterminent cette énergie. Elle reste néanmoins une valeur théorique pour le bois énergie dans la mesure où il faudrait récupérer la chaleur latente de l’eau via la condensation de la vapeur d’eau des fumées.
Ce type de technologie étant très peu diffusé en France, on détermine le plus généralement le Pouvoir Calorifique Inférieur.
2.1.2 - PCI :
Il s’agit de l’énergie dégagée par la combustion du bois sans récupérer la chaleur latente de la vapeur d’eau produite par la combustion.
Les mesures existantes ne peuvent déterminer directement cette énergie : il faut la calculer à partir du PCS.
Cette énergie est l’énergie théoriquement récupérable par l’utilisateur (dans le cas d’une combustion parfaite). Il s’agit donc de la donnée la plus intéressante à utiliser dans le cas du bois énergie.
2.2 - Unités :
Le pouvoir calorifique donne une valeur d’énergie contenue dans une unité de masse du combustible. L’unité SI est le J/g, l’unité la plus généralement utilisée dans la littérature est le kcal/kg et pour le bois énergie le kWh/tonne.
Pour mémoire, les correspondances entre ces différentes unités sont :
-
|
J/g
|
Kcal/kg
|
KWh/tonne
|
J/g
|
1
|
0.24
|
0.278
|
Kcal/kg
|
4.18
|
1
|
1.161
|
kWh/tonne
|
3.6
|
0.86
|
1
|
Le pouvoir calorifique est donc une donnée intrinsèque du bois qui dépend de sa composition propre. Les valeurs rencontrées dans la littérature sont généralement données à l’état anhydre.
Deux méthodes de détermination du PCI seront décrites : l’une par mesure directe, l’autre par détermination de l’humidité.
2.3 - PCI et essence
De nombreuses valeurs de PCI en fonction de l’essence sont données dans la littérature :
(Les essences ont été réparties entre feuillus et résineux et classées par superficie sur le territoire français.)
-
Essence Feuillus
|
PCI en kWh/tonne
|
Chêne
|
5 040
|
Hêtre
|
5 140
|
Châtaignier
|
5 190
|
Charme
|
4 970
|
Frêne
|
5 090
|
Bouleau
|
5 020
|
Acacia
|
5 270
|
Aulne
|
4 910
|
Peuplier
|
4 890
|
Orme
|
5 170
|
Moyenne
|
5 070
|
Ecart maximum
|
380
soit 8%
|
Les 5 premières essences représentent 85% des feuillus présents sur notre territoire. L’écart maximal sur ces essences ne représente que 4%.
-
Essence Résineux
|
PCI en kcal/kg
|
Pin maritime
|
5 350
|
Sapin
|
5 320
|
Epicéa
|
5 260
|
Pin sylvestre
|
5 350
|
Douglas
|
5 290
|
Mélèze
|
5 400
|
Moyenne
|
5 330
|
Ecart maximum
|
60
soit 1%
|
L’écart maximal entre toutes les essences résineuses est infime.
L’écart maximal toutes essences confondues est de 10%.
L’essence n’a donc qu’une importance restreinte sur le pouvoir calorifique
2.4 - Méthode 1 : mesure du PCI
Cette méthode est décrite par la norme NF M 03-005 « Détermination du pouvoir calorifique supérieur et calcul du pouvoir calorifique inférieur »
2.4.1 - Principe
La prise d’essai est réalisée dans une bombe calorimétrique en présence d’oxygène. Le pouvoir calorifique supérieur est donc déterminé à volume constant à partir de l’élévation de température constatée compte tenu des réactions chimiques secondaires et éventuellement des pertes thermiques.
Le pouvoir calorifique inférieur est calculé ensuite à partir d’une décomposition élémentaire du bois mesuré.
2.4.2 - Appareillage
Les mesures sont réalisées dans une bombe calorimétrique d’une capacité de 250 à 350 ml plongée dans un vase calorimétrique lui-même inclus dans une jaquette isolante. L’échantillon est placé dans une coupelle de 25mm de diamètre et d’une hauteur de 14 à 19 mm. L’échantillon ne doit pas donc excéder 9 ml soit en moyenne 4 grammes pour du bois.
La combustion est déclenchée électriquement généralement par un fil de tungstène. La combustion a lieu en présence d’oxygène
2.4.3 - Mode opératoire
Dans un premier temps, l’appareillage est étalonné avec une pastille d’acide benzoïque. La masse en eau est déterminée (bombe calorimétrique et calorimètre).
Les échantillons sont broyés pour avoir une granulométrie inférieure à 0.2 mm, ils sont ensuite pesés à 0.1 mg près
Un échantillon est gardé pour une mesure d’humidité (voir chapitre teneur en humidité).
L’échantillon est placé dans la coupelle, la bombe calorimétrique est chargée en oxygène à une pression de 25 bars.
La combustion est déclenchée électriquement.
Un suivi de la température d’eau est effectué toutes les trente secondes avant et après la combustion jusqu'à l’obtention d’un régime linéaire de refroidissement.
A la suite de ces mesures, la bombe calorimétrique est démontée pour vérifier que la combustion est complète (ni dépôt de suie ni carbone résiduel). La bombe est ensuite rincée avec de l’eau distillée pour récolter les divers acides produits par la combustion.
Des corrections doivent être apportées pour tenir compte :
des acides formés lors de la combustion (dosage avec des solutions de carbonate de sodium et d’hydroxyde de baryum).
de la chaleur de combustion du fil d’allumage (par pesée puis calcul)
des échanges de chaleur avec l’extérieur (calcul)
2.4.4 - Expression des résultats
Pouvoir calorifique supérieur
Le pouvoir calorifique supérieur est déterminé par la formule suivante :
Le pouvoir calorifique supérieur à volume constant sur sec est obtenu en multipliant :
Pv par 
Dans laquelle :
E = équivalent en eau du calorimètre de la bombe, de leurs accessoires et de l’eau introduite dans la bombe
ti = température initiale en degrés Celsius,
tm = température maximale en degrés Celsius,
a = correction nécessitée par la formation des acides,
b = correction nécessitée par la chaleur de combustion du fil d’allumage,
c = correction de température nécessitée par l’échange de chaleur avec l’extérieur. Celle-ci est nulle si on utilise la jaquette adiabatique,
M = masse de la prise d’essai en gramme
h1 = humidité de l’échantillon sec à l’air en pourcentage en masse 1 déterminée selon la norme M 03-037
Pouvoir calorifique inférieur sur sec à l’air
Il se calcule par convention selon la formule suivante :
Iv = Pv – 6 x 4.1868 h2 = Pv – 25.1 h2
Où :
Iv en joules par gramme,
h2 étant la teneur en eau totale du combustible sec à l’air en pourcentage (eau préexistante dans ce combustible et eau formée par combustion de l’hydrogène obtenue expérimentalement lors d’une détermination d’hydrogène du combustible selon M 03-037) ou calculée à partir de la formule suivante :
h2 = 
h1= teneur en hydrogène en pourcentage du combustible sec
Le pouvoir calorifique inférieur d’un combustible dont l’humidité h est différente de l’humidité h1 de l’échantillon analysé, se calcule avec les expressions suivantes :
Pour un combustible sec, le pouvoir calorifique est :
2.4.5 - Coût de la méthode
Ce type d’essai ne peut être fait que dans un laboratoire : il faut disposer de gaz (oxygène) et produits chimiques (acide benzoïque, acide chlorhydrique, hydroxyde de baryum, carbonate de baryum).
L’investissement propre à cet essai (bombe calorimétrique, calorimètre et accessoires) varie de 7 500 € à 15 000 € H.T. suivant le degré d’automatisation voulue.
La décomposition élémentaire ne peut être réalisée que par des laboratoires très spécialisés disposant de spectromètre de masse (CNRS…).
Ce type de mesures réalisées dans un laboratoire coûte généralement 180 € H.T. dont un quart dû à la décomposition élémentaire
2.5 - Méthode 2 : détermination du PCI a partir de l’humidité
La formule de la variation du PCI en fonction du taux d’humidité est la suivante :
PCI sur brut = PCI sur anhydre x (100 – E)/(100 – 6 E)
On obtient ainsi le graphique suivant :
Dans les plages d’humidité fréquemment utilisées dans le bois énergie (10% à 65% d’humidité), le PCI varie de 1 370 à 4 610 kWh/tonne soit un facteur 3.4.
On peut ainsi déterminer le PCI d’un combustible par la détermination du type d’essence composant majoritairement le combustible (feuillu ou résineux) employé et par une mesure d’humidité. L’utilisation du graphique ci-dessus permet alors de déterminer le PCI.
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