Comment obtenir une bonne combustion ? Retrouvez les concepts au centre de la production de chaleur au feu de bois.

1. Introduction
2. Comprendre le phénomène de combustion
3. Que faut-il pour obtenir une combustion complète
4. La récupération de la chaleur

Introduction

Qui parmi vous se chauffe au feu de bois ?

Si peu de français se chauffent au bois aujourd’hui, malgré un gisement assez important, beaucoup de personnes pensent encore que le feu de bois est synonyme de pollution. Ce qui est en partie vrai : un feu de bois mal géré peut être très polluant. En région Rhône Alpes lors des périodes hivernales, plus de la moitié des émissions de particules fines proviennent du chauffage résidentiel au bois (source : Atmo Auvergne Rhône Alpes).

Une mauvaise combustion du bois soulève deux problèmes :

• les fumées grises qui s’en dégagent sont pleines de particules qui auraient pu brûler dans de meilleures conditions, c’est du gaspillage de bois et donc d’énergie,
• ces particules imbrûlées sont également très toxiques et polluantes. 

Pour éviter de gaspiller du bois tout en diminuant les émissions de particules fines dans l’atmosphère, il faut installer un poêle à bois à haut rendement¹. Celui-ci dépend de deux facteurs : son foyer, qui dans l’idéal permettra une combustion complète (Cf. parties Comprendre le phénomène de combustion & Que faut-il pour obtenir une combustion complète ), et son système de récupération de la chaleur (Cf. partie La récupération de la chaleur ).

ŋ_{poêle à bois} = ŋ_foyer x ŋ_{récupération de chaleur}

Si 1kg de bois sec (20 % d’humidité) contient 4kWh² 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.

1kg de bois sec à 20 % d’humidité (un tas de bûches représenté ci-dessus) contient en moyenne 4kWh² d’énergie. Mais comme aucune machine ne peut être parfaite, il y a toujours des pertes (bûches noires représentées ci-dessus), il faut donc plus de bois pour obtenir 4kWh d’énergie. Avec un poêle à bois économe (ŋ = 90%), on a besoin de 1,1kg de bois, alors qu’avec un poêle en fonte classique (ŋ = 20%), il en faut 5kg pour fournir la même quantité d’énergie.
Si l’objectif est de diminuer son impact sur l’environnement, on voit combien utiliser des appareils à haut rendement est important. 

Comprendre le phénomène de combustion

Pour obtenir une flamme, il faut réunir trois éléments :

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. Une partie du bois se transforme plutôt en charbon, qui se pyrolyse à son tour, 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, invisible et inodore. C’est cette combinaison qui dégage la chaleur recherchée dans le feu.
  À la fin de la combustion, il ne reste que les cendres blanches, partie minérale et incombustible du bois (environ 3%).

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.

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 rejeter 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 monoxyde de carbone (CO), des particules de carbone pur (C), des oxydes d’azote (Nox), des hydrocarbures, des composés organiques volatils (COV), du méthane (CH4), etc.

Ces particules polluantes et très toxiques 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.

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.

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. :

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. En effet, il est inutile de produire de la chaleur efficacement si on la laisse s’échapper par le cheminée avant de s’en servir.

Le foyer détermine la méthode de combustion du bois : rocket stove, poêle à granulés, cheminée, … (Cf. partie Que faut-il pour obtenir une combustion complète)

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, …).

– 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.

– 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.

Notes

^{1. Le rendement d’un appareil (noté ŋ) est le rapport entre ses performances réelles et la performance maximum théorique qu’il pourrait avoir. Une machine parfaite aurait donc un rendement de 100 %, mais cela n’est pas physiquement possible. Pour calculer le rendement total d’une activité (comme chauffer sa maison), il faut multiplier les rendements de toutes ses étapes et appareils. ↩}

^{2. A titre d’exemple, un radiateur électrique consomme environ 1000 Watts. Son utilisation pendant 4 heures nécessite une énergie de 4 kWh. ↩}

^{3. https://www.rts.ch/decouverte/sciences-et-environnement/environnement/4640659-quelle-est-l-origine-du-carbone-sur-terre-.html ↩}