Introduction au feu de bois

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Les passages soulignés sont à modifier

Introduction

Qui parmi vous se chauffe au feu de bois ?

Si seulement … % des français se chauffent au bois aujourd’hui, malgré un gisement assez important (…), beaucoup de personnes pensent encore que feu de bois = pollution. Ce qui est en partie vrai : un feu de bois mal géré est très polluant : chiffres, secteur résidentiel responsable de 30-50 ? % des émissions de particules fines. Chiffre de l’ADEME trouvé dans le manuel d’Oxalis (à vérifier, parce que pas très précis) : un poêle à bois mal conçu utilisé pendant une journée, émet autant de particules fines que de conduire une voiture récente pendant un an. (2 articles avec des données pour la région Auvergne Rhône Alpes ici et ici)

« Une mauvaise utilisation énergétique du feu de bois soulève 2 problèmes :
– Les fumées provoquées par une mauvaise combustion contiennent une multitude de particules et de molécules toxiques, et d’importants polluants atmosphériques.
– Ces mêmes fumées, qui n’ont pas été brûlées, contiennent encore de l’énergie. Voir de la fumée grise sortir d’une cheminée témoigne alors d’un gaspillage d’énergie, et donc d’une surconsommation de bois. » (→ site des feufollet, à reformuler)

Pour éviter de gaspiller du bois, et ainsi améliorer notre gestion des forêts tout en diminuant les émissions de particules fines dans l’atmosphère, il faut installer un poêle à bois à haut rendement. Celui-ci dépend de deux facteurs : son foyer, qui dans l’idéal permettra une combustion complète (Cf. parties Comprendre la combustion & Que faut-il pour obtenir une combustion complète ), et son système de récupération de la chaleur (Cf. partie La récupération de la chaleur ).

ŋpoêle à bois = ŋfoyer x ŋrécupération de chaleur

Si 1kg de bois sec (20 % d’humidité) contient 4kWh1 . d’énergie (un tas de buches représenté ci-dessus), il en faudra un peu plus pour obtenir 4kWh d’énergie finale, car on ne peut créer une machine parfaite (rendement ŋ = 100%). Avec un poêle à bois économe (ŋ = 90%), on aura besoin d’environ 1,1kg de bois pour fournir 4kWh d’énergie, alors qu’avec un poêle en fonte classique (ŋ = 20%), il en faudra 5kg pour fournir la même quantité d’énergie.

Fonctionnement général du poêle à bois

Comprendre la combustion

Pour obtenir une combustion, il faut réunir trois éléments :

  • Comme nous, le feu a besoin de respirer, il lui faut donc un comburant : le dioxygène.
  • Il a aussi besoin de manger, il lui faut donc un combustible, comme le bois par exemple.
  • Et enfin, il lui faut de la chaleur, ou énergie d’activation : il en a besoin pour exister, et en dégage pendant la combustion, c’est une réaction en chaîne.

La combustion du bois suit alors trois grandes étapes :

  • Le séchage, soit l’évaporation de l’humidité contenue dans le bois, pour lui permettre de monter en température.
  • La pyrolyse, c’est à dire la transformation du bois de son état solide à un état gazeux, inflammable sous l’effet de la chaleur. (Le bois se transforme peu à peu en charbon, qui se pyrolyse lui même, plus lentement.)
  • La combustion, durant laquelle les gaz de bois se mélangent à l’air à une température suffisamment élevée pour créer une flamme. Les atomes de carbone à l’état gazeux se combinent avec le dioxygène (comburant) et forment alors du CO2. + Cendres = matière incombustible du bois (3 % de sa masse)

Nb : En réalité, ces trois étapes forment une réaction en chaîne : une petite brindille va brûler grâce à l’apport d’une étincelle, cette petite flamme sera alors un apport de chaleur pour les plus grosses brindilles, etc.

On peut donc observer le cycle du carbone qui se produit : en poussant, l’arbre se nourrit de dioxyde de carbone (CO2), pour conserver les atomes de carbone (C) qui constitueront le bois, et dégager du dioxygène (O2) par ses feuilles.2

En brûlant, le bois libère tout le dioxyde de carbone (CO2) qu’il a emmagasiné dans sa vie, en recombinant ses atomes de carbone (C) avec le dioxygène (O2), élément indispensable à la combustion (triangle du feu).

Le cycle carbone du bois est donc nul : il absorbe autant de CO2 dans sa vie qu’il en rejette lors de sa combustion ou de sa décomposition. Il est donc tout à fait normal de rejetter du CO2 lors d’une combustion, ce n’est pas de la pollution, mais juste un cycle naturel.

Attention ! Ce bilan carbone neutre n’est possible à l’échelle globale que si nous laissons au bois le temps de se renouveler ! La combustion de bois doit donc impérativement s’accompagner d’une gestion durable des forêts.

« Ok. Mais alors, pourquoi dit-on toujours qu’un feu de cheminée en ville, ça pollue ? »

Jusque là, c’était la théorie, ou comment se passeraient les choses si tout était parfait. En réalité, on retrouve beaucoup d’éléments polluants que l’on pourrait limiter à la sortie d’une cheminée : du COV, des oxydes d’azote (Nox), des HAP, du méthane, du monoxyde de carbone (CO), etc. Alice : CH4, H2, CO, CO2, C2H4, C2H2… → donner les noms complets et les compositions (lettres)

Ces particules polluantes (ou particules fines?) prennent la forme de fumée, et de suie.

Un feu non polluant (que l’on désigne aussi de combustion complète),
est donc un feu sans fumées.

Reprenons le triangle du feu : il définit les 3 éléments indispensables à la combustion. Ce triangle doit être parfaitement équilibré pour une bonne combustion.

Par exemple : si l’on ferme l’aspiration sous la cheminée avant d’aller se coucher, afin de brûler le bois tout doucement toute la nuit, on créé un déséquilibre dans le triangle du feu.

Le manque de dioxygène va perturber les combinaisons chimiques évoquées plus haut, et il se passera ceci :

Nb : ceci est une explication simplifiée, les réactions chimiques impliquées lors de la combustion étant complexes. Pour les curieux·ses, une explication plus poussée sera bientôt disponible sur ce site.

Que faut-il pour obtenir une combustion complète ?

La recette secrète pour obtenir un feu sans fumée s’appelle la règle des 3 T :

Turbulences + Temps + Température

Si si, c’est très simple : on cherche à réunir les meilleures conditions pour que les gaz de bois (C) et le dioxyène (O2) puissent se mélanger et réagir ensemble de façon complète. Pour cela, il faut créer un maximum de Turbulences, et les laisser assez de Temps à une Température suffisante pour que la réaction se fasse.

C’est un peu comme pour touiller un sucre dans son café : si le café est trop froid, le sucre va mal se dissoudre. Et pour l’aider, on touille avec une cuillère en créant des turbulences, pendant un certain temps.

Concrètement, dans la conception d’un poêle, il faut :

  • Avoir un foyer petit et isolé, pour atteindre des températures élevées là où aura lieu la combustion (~800°C)
  • Favoriser les formes de foyer qui créent des turbulences pour bien mélanger le combustible et le dioxygène (foyer cylindrique en L dans le cas du rocket stove, cf. ci dessous)
  • Faire un foyer (ou cheminée interne) suffisamment haut pour que le combustible et le dioxygène aient le temps de bien réagir ensemble.

On peut aussi ajouter une entrée d’air secondaire, préchauffé par les flammes, qui arrive directement là où a lieu la combustion pour la booster un peu plus. :

Exemple d’un cuiseur à bois type rocket stove

La récupération de la chaleur

Comme précisé dans l’introduction, le rendement d’un poêle à bois est défini par la qualité de son foyer, ainsi que de son système de récupération de la chaleur.

Le foyer détermine la méthode de combustion du bois : rocket stove, poêle à granulés, cheminée, …

De cette combustion, réaction chimique qui émet de la chaleur, on cherche à récupérer un maximum d’énergie, de différentes manières : on peut faire passer l’air chaud par un circuit qui réchauffe une masse (banc en terre par exemple), ce sera un poêle de masse. On peut aussi chauffer de l’eau, dans un poêle bouilleur. Ou encore cuisiner, avec un poêle cuiseur, ou cuisinière à bois, etc.

Tout d’abord, voici un petit rappel de quelques principes bien utiles.

Les modes de transmission de chaleur

Il existe 3 manières de transmettre de la chaleur :

Par conduction : la chaleur se transmet par un contact direct, lorsqu’on touche une gamelle chaude par exemple. Un matériau peut être un très bon conducteur thermique (les métaux par exemple), ou plutôt isolant (le bois, la fibre de verre, …).
schéma d’une main qui se brûle en touchant une gamelle

Par rayonnement : la chaleur se propage en ligne droite, sous forme d’ondes électromagnétiques, jusqu’à être absorbée par un solide, ou réfléchie par un miroir. C’est la chaleur que l’on peut ressentir lorsqu’on reçoit un rayon de soleil par exemple, ou lorsqu’on est face à un feu de cheminée. Il suffit alors d’un obstacle pour ne plus la ressentir. Ce type de transmission de chaleur apporte un grand confort thermique : on peut ressentir une douce chaleur en étant dehors en plein hivers, à -4°C, si on est au soleil.
Schéma de quelqu’un à l’ombre d’un arbre, et quelqu’un qui crame au soleil.

Par convection : la chaleur se propage grâce à un fluide en mouvement (eau, air). Un feu de cheminée par exemple, va chauffer par rayonnement si on se met devant le feu, mais il chauffera aussi l’air de la pièce. On ressentira cette chaleur malgré les obstacles.
Schéma d’une pièce avec feu de cheminée + obstacle, personne derrière l’obstacle qui ressent l’air chauffé

[Pas fini]

Notes

1. A titre d’exemple, un radiateur électrique consomme environ 1000 Watts. Son utilisation pendant 4 heures nécessite une énergie de 4 kWh.

2. https://www.rts.ch/decouverte/sciences-et-environnement/environnement/4640659-quelle-est-l-origine-du-carbone-sur-terre-.html

Les poêles de masse

Les poêles bouilleurs

Les poêles cuiseurs

Les différents modèles de poêles

Photos
Avantages/inconvénients
Coûts

Dimensionnement

Administratif

Les fausses bonnes idées

Ressources & manuels de construction

Le site du concepteur américain des poêles de masse rockets, Ianto Evans : www.rocketstoves.com
Le réseau français des auto-constructeur·trice·s de poêles à bois économes : www.feufollet.org
L’association Uzume (Batchblock) : uzume.fr
L’association Oxalis : www.oxalis-asso.org (plans et outil de dimensionnement)
Tuto construire son poelito – Poêle à inertie semi-démontable pour habitat léger, de Vital Bies, association Des 2 mains

Photos & vidéos