Bois : passer de la chaudière à la micro-cogénération

Les premières chaudières bois domestiques capables de produire de l'électricité sont promises pour 2007.

Photo : KWB et SPM développent un équipement composé d’une chaudière à pellets et un moteur Stirling. ISE travaille sur l’ajout d’un ballon d’eau chaude. (source : SPM).

À la faveur des hausses de prix du fioul et du gaz, le bois retrouve de son attrait.
D’énergie difficile à mettre en œuvre, il redevient « une forme stockée de l’énergie solaire », résume Benoît Sicre, ingénieur chercheur à l’institut pour les systèmes énergétiques solaires (ISE) de Fribourg en Brisgau (Allemagne).
Cependant, cette énergie conserve ses inconvénients : encombrement, coût de transport, peu de possibilités d’automatisation des systèmes à bûches.
Les solutions à pellets (granulés) ou à plaquettes sont des évolutions.
Mais ce chercheur s’est particulièrement penché sur la cogénération bois : la production combinée de chaleur pour le chauffage et d’électricité vendue sur le réseau ou exploitée sur place.

Ce cas de figure intéresse quasi-exclusivement le résidentiel collectif et l’industrie, mais des solutions plus compactes de micro-cogénération – de 10 à 15 kW électrique – émergent.
Techniquement, il s’agit de l’association d’une chaudière traditionnelle et d’un moteur à combustion externe, de type Stirling ou à vapeur.

Dans son travail Benoît Sicre souligne les avantages par rapport à la solution de micro-cogénération gaz ou fioul : la protection des ressources car le bois est une énergie renouvelable, une réduction des polluants car les arbres réutilisent le CO2 émis pour croître, moins de transport d’électricité avec par conséquent moins de perte sur le réseau, une réduction des investissements de renforcement du réseau haute tension, et un retour sur investissement court.
Le sujet préoccupe sérieusement les industriels.
Benoît Sicre liste une demi-douzaine de fournisseurs qui s’apprêtent à proposer leurs matériels sur le marché européen.

Revue de détail

• L’entreprise Sunmachine de Nuremberg a développé un monocylindre Stirling de 520 cm3 sous 33 bar qui affiche une puissance de 3 kW électrique (puissance mesurée avec un brûleur gaz). Ce moteur a été ré-équipé d’un brûleur de granulés avec flamme dirigée vers le bas (« upside-down »). Le constructeur annonce un rendement électrique de 20 à 25% et thermique jusqu’à 70%. Son prix HT devrait se situer vers 23.500 €.
  

• Le constructeur autrichien de chaudière Mawera travaille sur un prototype équipé d’un moteur Stirling 4 cylindres double action : les gaz d’échappement quittent la chambre de combustion à une température proche de 1 300 °C ; pour cela, l’air de combustion est préchauffé avec une partie des gaz d’échappement. Ce système affiche une puissance électrique nominale de 35 kW pour une température de retour du réseau de chauffage de 60 °C. Le constructeur annonce un rendement électrique entre 12 et 18%. Deux installations à l’essai cumulent 16 000 heures de marche.
  

• Le moteur Stirling de l’autrichien Stirling Power Module à 4 cylindres double action développe une puissance électrique de 1 kW, et son brûleur 15 kW thermique. Ce moteur, développé spécialement pour le combustible bois sera vendu en tant que module et pourra être adapté pour fonctionner avec le brûleur de différents fabricants. Les premiers tests en conditions réelles devraient débuter en 2007 en association avec le fabricant autrichien de chaudières à pellets KWB. Le Fraunhofer ISE travaille sur le design de ce système avec un ballon d’eau chaude haute performance.
  
• Le lichtensteinois Hoval travaille sur l’intégration d’un moteur Stirling de 1 kWel avec ses chaudières pellets et son gazéificateur de bois. L’entreprise ne le commercialisera pas avant 2008.
  
• l’Allemand Solo Stirling adapte son moteur d’une capacité de 9 kWel – une mesure effectuée avec un brûleur gaz naturel – pour fonctionner avec un gazéificateur de granulés de bois. Le moteur sera chauffé par les gaz d’échappement très chauds. Cette combinaison ne sera pas proposée avant 2007.
  
• Le fabricant allemand de chaudière OTAG adapte son système basé sur un moteur à vapeur Lion d’une capacité de 0.2 à 3 kWel (avec un brûleur à gaz naturel de puissance modulable de 2 à 16 kWth) pour fonctionner avec un brûleur à granulés de bois. Mise sur le marché en 2007.

Quelles opportunités en France?

Pour Benoît Sicre, les récentes mesures prises en France sont un encouragement au développement de cette technologie : crédit d'impôt sur les équipements bois, évolution de la politique tarifaire de rachat de l’électricité produite par les petits sites.
Seuls handicaps : l'inexistence en France d'une politique directement en faveur de la microcogénération bois et le coût de cette technologie.
Ce chercheur reconnaît aussi que la solution « requière encore des efforts de R&D avant d’être commercialisable.
Certaines composantes comme les filtres à gaz haute température ou les génératrices haute performance ne sont disponibles que pour des installations de bien plus grande taille.
De plus, des tests réels dans des maisons témoins seront également nécessaires afin d’informer et de convaincre le public.
Et enfin, la filière d'approvisionnement en pellets de bois doit être organisée à un niveau national, en créant de nouvelles chaînes de production pour couvrir l’ensemble du territoire. »

Contact : Benoît G. Sicre, ingénieur au Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Heidenhofstr. 2 - 79110 Freiburg, Allemagne, benoit.sicre@ise.fraunhofer.de, et site http://hlk.ise.fraunhofer.de

Une micro-cogénération à base de moteur Stirling : exploiter les gaz chauds d’une chaudière bois

Shéma : Sur les installations d'une puissance thermique de 10 à 15 kW, le moteur Stirling relié à un alternateur peut fournir 1 à 3 kW électriques (source : Hansen).

Moteur Stirling, moteur à vapeur : quelles définitions ?

• Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe, basé sur le principe du travail d’un gaz, qui se dilate lorsqu’on lui transfère de la chaleur et qui se rétracte quand on le refroidit. Le moteur Stirling peut donc travailler avec différentes sources de chaleur (rayonnement solaire, chaleur rejetée, réaction nucléaire).
  
• Le principe du moteur à vapeur se base sur l’expansion de vapeurs chaudes. Ils sont caractérisés par le type de fluide utilisé (eau, fluide organique) et sont à combustion externe.