Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2021 · Métropole remplacement - Energies et Environnement (EE)

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Partie 1: le chauffage au bois permet-il de réduire les émissions de gaz à effet de serre ?

L'objectif de cette partie est de comparer l'impact environnemental des émissions de gaz à effet de serre des différentes énergies utilisées dans les chauffages domestiques.

DT1: émissions de gaz à effet de serre et de particules (feuillet 1/2)

Gaz à effet de serre

La combustion de la biomasse est généralement considérée comme neutre en termes d'émission de gaz à effet de serre du fait notamment que le gaz carbonique émis sera ensuite à nouveau recyclé lors de la croissance des végétaux, ce qui est le cas en France et en Europe où la forêt s'accroît régulièrement.

Le système énergétique global, « de la pépinière à la cendre », consomme en revanche des énergies fossiles et émet des gaz à effet de serre lors de l'extraction du combustible, de son conditionnement et de son transport.

Les émissions de gaz à effet de serre de la filière bois-énergie ont été estimées selon la méthode de l'analyse de cycle de vie. Celle-ci consiste à quantifier les émissions de ces gaz pour l'ensemble des activités concernées (extraction du combustible, distribution, utilisation finale chez l'usager...) qui sont liées à la production d'un MW·h utile de chaleur chez l'usager (ADEME).

Le chauffage des foyers français: répartition des énergies utilisées en %

Gaz

Électricité

Fioul

Bois

Autres

GPL bouteilles

28,6

35,1

15,4

17,3

2,5

1,1

Question 1.1

Indiquer quel combustible émet le plus de gaz à effet de serre en kg équivalent CO₂ / MW·h utile.

Question 1.2

Indiquer l'énergie la plus utilisée pour le chauffage des foyers français.

Question 1.3

Recopier et compléter le tableau ci-dessous. Indiquer l'énergie qui émet le plus de gaz à effet de serre pour le chauffage des foyers français en kg équivalent CO₂ / MW·h utile.

Gaz

Électricité

Fioul

Bois (en moyenne)

Part des émissions de gaz à effet de serre en kg équivalent CO₂ / MW·h

0,286 x 222 = 63,5

Question 1.4

En déduire par quelle énergie il faut remplacer le fioul pour limiter les émissions de gaz à effet de serre.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Partie 2: quel est l'impact du chauffage au bois sur les émissions de particules fines ?

L'objectif de cette partie est de comparer les différentes solutions de chauffage au bois (à foyer ouvert et à granulés). Dans les questions qui suivent, on s'intéresse aux émissions de particules fines en Île de France en 2010.

DT1: émissions de gaz à effet de serre et de particules (extraits)

Émissions des particules fines PM10

La combustion du bois provoque l'émanation dans l'air de particules polluantes, comme pour les véhicules diesel.

Le danger vient de leur finesse: plus elles sont fines, plus elles pénètrent dans le système respiratoire.

Ces particules dites « fines » de type PM10 (particules de diamètre inférieur à 10 micromètres) sont considérées comme dangereuses avec des répercussions néfastes sur la santé, puisqu'elles comportent des métaux lourds et des hydrocarbures cancérigènes, équivalent à un tabagisme passif. Sur les humains, les risques sont augmentés pour:

accidents cardiaques;

cancers du poumon;

cancers des sinus de la face;

accidents vasculaires cérébraux.

Pour le secteur résidentiel (Île de France en 2010)

Les PM10 proviennent à 80 % des ménages (secteur résidentiel) utilisant un combustible bois.

Selon la DRIEE (direction régionale et interdépartementale de l'environnement et de l'énergie), les appareils à foyer ouvert:

représentent 50 % des émissions de PM dues au chauffage au bois;

émettent huit fois plus de particules qu'un foyer fermé avec un insert à granulés.

Question 2.1

Expliquer pourquoi les particules PM10 sont dangereuses pour les humains.

Question 2.2

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois par les ménages et le comparer avec celui du trafic routier.

%

Question 2.3

Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois de chauffage pour les ménages équipés de cheminées à foyer ouvert.

%

Question 2.4

Évaluer les conséquences du remplacement des appareils à foyer ouvert par un chauffage aux granulés sur le pourcentage des émissions totales de PM10. Conclure sur l'intérêt d'un chauffage bois aux granulés.

%

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Partie 3: comment évaluer la consommation annuelle en granulés ?

L'objectif de cette partie est d'évaluer la consommation annuelle de granulés et de choisir le silo. L'habitation à équiper est actuellement chauffée au fioul domestique avec une chaudière très ancienne.

Le tableau du DT2 indique la quantité d'énergie thermique dégagée par la combustion de différents types d'énergie.

DT2: comparatif des types d'énergie

Définition du pouvoir calorifique inférieur (PCi): c'est la quantité moyenne d'énergie thermique dégagée par la combustion d'une unité de produit.

Type d'énergie

PCi en kWh

1 litre de fioul domestique · 9,97

1 kg de gaz propane · 12,66

1 kg de gaz butane · 12,56

1 kg de charbon · 8,889

1 stère de bûches de bois · 1680

1 tonne de granulés de bois · 4600

1 tonne de plaquettes bois · 2200

Question 3.1

Relever le pouvoir calorifique inférieur (PCi) du fioul et des granulés de bois en précisant bien l'unité de produit correspondante.

Question 3.2

La consommation actuelle de fioul domestique est de 1380 L par an.

Calculer la quantité d'énergie thermique $E_T$ (en kWh) produite par l'ancienne chaudière, dont le rendement est de 75%.

DT3: caractéristiques de la chaudière Euroclima 32

Question 3.3

Relever la valeur du rendement à charge partielle de la nouvelle chaudière à granulés.

Calculer la masse de granulés à stocker (en kg) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe afin de produire la même quantité d'énergie thermique $E_T$.

%

DT4: caractéristiques de la vis de dosage 2 et des granulés

Volume utile disponible pour contenir les granulés: $V = 125\,000\text{ mm}^3$ par tour de vis.

Masse volumique des granulés: $600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

DT5: silo ECO200P

Article

Longueur (cm)

Largeur (cm)

Hauteur (cm)

Volume (m³)

Tonnage (t)

ECO200P

200

200

180-230

3,2-4,6

2,1-3,1

Question 3.4

Calculer le volume de granulés à stocker (en m³) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe.

Justifier le choix du silo proposé sur le document DT5.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Partie commune - Partie 3: Développement durable

Le document technique DT6 donne l'évolution de la production et de la consommation de granulés de bois en France.

DT6: production et consommation de granulés de bois en France

Question 3.5

Déterminer graphiquement ces deux valeurs pour l'année 2019.

Expliquer l'écart entre ces deux valeurs (production et consommation).

Question 3.6

La consommation annuelle moyenne de granulés pour un foyer est de 2,5 tonnes.

Déterminer le nombre de foyers qui auraient pu se chauffer avec des granulés produits en France en 2019.

Question 3.7

Expliquer pourquoi la chaudière à granulés est une solution d'avenir dans le cadre du développement durable (économie, social et environnement) en se basant sur l'ensemble des questions précédentes (parties 1 à 3).

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Partie 4: comment optimiser le fonctionnement de la chaudière ?

Afin de devenir une solution s'inscrivant dans une démarche de développement durable et respectueuse de la santé, le fonctionnement de la chaudière à granulés doit être optimisé. Afin d'obtenir le rendement maximum, il convient notamment de veiller à ce que la combustion des granulés soit complète. Ceci permettra d'une part de réduire la consommation de combustible, d'autre part de diminuer les rejets: émissions polluantes (CO 2, NOx,...) et cendres.

L'objectif de cette partie est de répondre à la problématique: comment déterminer, pour un point de fonctionnement donné, l'ajustement optimal du mélange air / combustible solide afin que la combustion soit complète ?

Question 4.1

Sur le diagramme de blocs internes du DR1, identifier les flux suivants en repassant sur les traits avec les couleurs indiquées ci-dessous: flux d'information: concernant la température en bleu;

flux de matière: concernant les granulés en vert;

flux d'énergie: en rouge (ou orange).

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Détermination de la puissance de chauffe nécessaire

Le graphe de programmation horaire définit les consignes de température intérieure (Consigne $\theta_{\text{int}}$) de la maison au cours de la journée. Elles sont saisies par l'utilisateur grâce au tableau de commande.

Au point de fonctionnement étudié (juste avant 5 h du matin), la situation thermique est la suivante:

La chaudière produit de la chaleur pour réchauffer l'eau qui circule dans les tuyaux jusqu'aux appareils de chauffage de l'habitation (radiateurs, plancher chauffant...).

Question 4.2

DT7 Déterminer graphiquement la température eau départ chauffage $\theta_{\text{edc}}$ qui permettra d'obtenir la température confort dans l'habitation (arrondir à la valeur entière supérieure) après 5 heures du matin.

On définit la relation de la quantité de chaleur $Q$ [J] nécessaire pour élever la température d'un corps de masse $m$ [kg] et de capacité thermique massique $C$ [$\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot{^\circ}\text{C}^{-1}$], de la température initiale $\theta_{\text{i}}$ [°C] à la température finale $\theta_{\text{f}}$ [°C] par:

$$Q = m \cdot C \cdot (\theta_{\text{f}} - \theta_{\text{i}})$$

Eau: masse volumique $\rho = 1000\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$, capacité thermique $C = 4185\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot{^\circ}\text{C}^{-1}$.

Question 4.3

DT3 Calculer la quantité de chaleur $Q_{\text{E}}$ (en J) que devra fournir la chaudière afin d'obtenir la température « eau départ chauffage » désirée en sachant que la température « eau retour chauffage » est de $23^{\circ}\text{C}$.

Question 4.4

Calculer la puissance de chauffe nécessaire $P_{\text{c}}$ (en W) pour une montée en température de la chaudière jusqu'à $\theta_{\text{edc}}$ en 10 minutes.

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

Pour fournir la puissance de chauffe nécessaire P c, la carte gestion chaudière va devoir déterminer les quantités optimales de granulés et d'air.

Détermination de la quantité optimale de granulés par cycle

Question 4.5

Convertir la masse volumique des granulés en $\text{g}\cdot\text{mm}^{-3}$ et en déduire la masse maximale de granulés (en g) qui peuvent être amenés pour un tour de la vis de dosage.

DT4: caractéristiques de la vis de dosage 2 et des granulés

La vis de dosage est une vis sans fin qui en tournant permet d'amener les granulés vers les vis de sécurité qui empêchent le retour des flammes vers le stockage journalier.

Volume utile disponible pour contenir les granulés: $V = 125\,000\text{ mm}^3$ par tour de vis.

Masse volumique des granulés: $600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

$\text{g}\cdot\text{mm}^{-3}$

g

Le moteur est commandé de façon discontinue pour effectuer des cycles d'alimentation d'une durée de 20 s.

Question 4.6

Calculer le nombre de tours effectués par la vis pour un cycle d'alimentation en vous aidant de la documentation technique du motoréducteur.

DT8: caractéristiques du moto-réducteur de la vis de dosage

Vitesse: $3\text{ rpm}$

Remarque: rpm « revolutions per minute » = $\text{tr}\cdot\text{min}^{-1}$

tour(s)

Question 4.7

Calculer la masse totale de granulés, pour un temps de chauffe de 10 minutes, lorsque le débit moyen de granulés est de $0{,}7\text{ g}\cdot\text{s}^{-1}$.

En déduire le nombre de cycles d'alimentation électrique du moteur.

g

cycles

Détermination du volume optimal d'air par cycle

Il faut $m = 75\text{ g}$ de granulés par cycle de $20\text{ s}$ pour produire une puissance de chauffe de $13\text{ kW}$. Le rendement maximum de la chaudière est obtenu en ajustant de façon optimale le mélange air-granulés pour que la combustion soit complète. Un capteur appelé sonde lambda ($\lambda$) contrôle le pourcentage d'oxygène imbrûlé dans les fumées.

Question 4.8

Relever sur le DT9, le rapport $\frac{A}{G}$ (masse Air / masse Granulés) pour la valeur de référence $\lambda_{\text{réf}} = 1{,}3$. Calculer la masse d'air puis le volume d'air nécessaire à l'obtention de la combustion complète (pour un cycle de $20\text{ s}$) sachant que la masse volumique de l'air est de $\rho = 1{,}204\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.

DT9: richesse d'un mélange combustible-comburant

g

$\text{m}^3$

Question 4.9

Déduire le débit d'air correspondant (en $\text{m}^3\cdot\text{h}^{-1}$) et vérifier la capacité du moto-ventilateur à fournir ce débit.

$\text{m}^3\cdot\text{h}^{-1}$

Mise en situation

Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques.

L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique: en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ?

Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français.

Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement.

La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande: il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés.

Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier.

Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d’éviter les rechargements en cours de saison de chauffe.

Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d’aspiration intégré.

Présentation de la chaudière

Description du fonctionnement

Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5).

Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement.

Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion.

En réalité, au cours du cycle d'approvisionnement en granulés, la valeur de $\lambda$ varie. Si l'on souhaite conserver le mélange air - granulés optimum, il est nécessaire de mettre en œuvre une régulation automatique. Ceci est réalisé par la carte gestion chaudière dont la chaîne d'information et d'action de la partie étudiée est la suivante:

Volume d'air de fumées extrait = volume d'air frais entrant dans la chaudière.

Question 4.10

Relever les valeurs limites $\lambda_{\text{mini}}$ et $\lambda_{\text{maxi}}$ pour rester dans la zone idéale (voir document technique DT9 ci-dessous).

Question 4.11

Compléter, sur le DR2, l'algorigramme de traitement des informations du microcontrôleur de sorte que la vitesse de rotation du moto-ventilateur s'adapte automatiquement pour fournir le volume d'air optimal.

Indiquer les conditions des deux blocs de test pour ajuster la consigne $C_v$:

Mise en situation

La chaudière à granulés est composée de 4 chaines de puissance électrique (le ventilateur d'extraction des fumées, la vis de dosage, la vis de sécurité et la vis de décendrage) et d'une chaine d'information, permettant de gérer le fonctionnement. Ces éléments ont besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Cette énergie électrique est fournie par le réseau EDF.

Il est donc important de pouvoir évaluer la consommation électrique de la chaudière et d'évaluer son efficacité énergétique.

La chaudière à granulés est dépendante de l'électricité pour fonctionner. En cas de coupure de courant (fréquent dans certaines régions en hiver), la chaudière ne peut donc pas fonctionner. Afin d'assurer la continuité du chauffage en cas de coupure de courant, il semble intéressant d'installer une alimentation électrique de secours.

Schéma de la chaudière à granulés avec ses éléments numérotés (1 à 11)

Travail demandé

Partie A: Quelle est la consommation énergétique de la chaine de puissance liée à la vis de dosage ?

La vis de dosage fait partie du système de transfert des granulés. Ce système permet de transférer les granulés du « stockage journalier » jusque dans la chambre de combustion.

Diagramme BDD (SysML) du système de transfert des granulés de bois, avec les blocs Vis de dosage et Vis anti-retour de flamme et leurs composants

Question A.1 (Document réponse DRS1): Sur le diagramme I.B.D. du document réponse DRS1, repasser en bleu le flux d'énergie circulant lors du fonctionnement de la vis de dosage.

Mise en situation

La chaudière à granulés est composée de 4 chaines de puissance électrique (le ventilateur d'extraction des fumées, la vis de dosage, la vis de sécurité et la vis de décendrage) et d'une chaine d'information, permettant de gérer le fonctionnement. Ces éléments ont besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Cette énergie électrique est fournie par le réseau EDF.

Il est donc important de pouvoir évaluer la consommation électrique de la chaudière et d'évaluer son efficacité énergétique.

La chaudière à granulés est dépendante de l'électricité pour fonctionner. En cas de coupure de courant (fréquent dans certaines régions en hiver), la chaudière ne peut donc pas fonctionner. Afin d'assurer la continuité du chauffage en cas de coupure de courant, il semble intéressant d'installer une alimentation électrique de secours.

Schéma de la chaudière à granulés avec ses éléments numérotés (1 à 11)

Travail demandé

Partie A: Quelle est la consommation énergétique de la chaine de puissance liée à la vis de dosage ?

La vis de dosage fait partie du système de transfert des granulés. Ce système permet de transférer les granulés du « stockage journalier » jusque dans la chambre de combustion.

Diagramme BDD (SysML) du système de transfert des granulés de bois, avec les blocs Vis de dosage et Vis anti-retour de flamme et leurs composants

Validation du réducteur:

Question A.2

À partir des résultats de la simulation multi-physique (DTS3), calculer le rapport de réduction et le rendement du réducteur programmés dans le modèle.

Question A.3

À la lecture des données constructeur (DTS1), conclure sur la modélisation du réducteur.

Validation du moteur:

Question A.4

À partir de la simulation multi-physique (DTS3), relever le couple en sortie du moteur ($C_{\text{mot}}$) et l'intensité ($I$) consommée par le moteur.

Question A.5

À partir des courbes caractéristiques du moteur asynchrone (DTS2), déterminer l'intensité ($I_{\text{const}}$) et le couple moteur ($C_{\text{const}}$) lorsque le moteur tourne à la vitesse de $2\,900\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$.

Question A.6

Comparer les caractéristiques du constructeur avec les caractéristiques du modèle multi-physique et conclure sur la validité de ce modèle.

Évaluation de la consommation électrique:

Lors d'un cycle d'alimentation la vis de dosage doit faire un tour. Le moteur est commandé pour fonctionner le temps d'un cycle d'alimentation puis s'arrête.

Lors de la simulation multi-physique (DTS3), la durée de simulation (25 s) est plus longue que la durée d'un cycle d'alimentation.

Question A.7

À partir de la simulation multi-physique (DTS3), relever la durée d'un cycle d'alimentation (c'est-à-dire le temps que met la vis de dosage pour faire un tour).

Question A.8

À partir de la simulation multi-physique (DTS3), déterminer la puissance électrique ($P_{\text{elec}}$) et l'énergie électrique ($W_{\text{elec}}$) consommée par le moteur lors d'un cycle d'alimentation. Donner l'énergie en J puis en Wh.

Partie B: Est-ce intéressant d'un point de vue de l'efficacité énergétique de remplacer la chaudière au fioul domestique par la chaudière à granulés « Euroclima » ?

L'habitation à équiper est actuellement chauffée au fioul domestique. L'objectif de cette partie est de valider la pertinence de passer d'une chaudière au fioul à une chaudière à granulés. Pour cela, il faut déterminer l'efficacité énergétique de la chaudière à granulés et la comparer avec l'efficacité énergétique de la chaudière au fioul.

B.1

Données sur la consommation électrique de la chaudière à granulés:

Une étude sur la consommation des différentes chaines de puissance électrique et de la chaine d'information a été réalisée. La durée d'utilisation annuelle du chauffage est de 6 mois (novembre à avril), c'est-à-dire 182 jours.

Compléter le tableau (DRS2) en calculant les énergies électriques consommées par les différentes chaines de puissance et d'information sur une journée. Puis calculer l'énergie journalière totale consommée par la chaudière ($W_{\text{jour}}$).

Chaine

Puissance électrique

Durée d'utilisation journalière

Energie électrique consommée (en Wh)

Turbine aspiration granulés

1 200 W

3 minutes par jour

Chaine de puissance de la « vis de dosage »

40 W

6 minutes par jour

Chaine de puissance de la « vis de sécurité »

40 W

6 minutes par jour

Chaine de puissance de la « vis de décendrage »

40 W

3 minutes par jour

Ventilateur d'extraction des fumées

32 W

En continu (24 h)

Platine régulation électronique (chaine d'information)

11 W

En continu (24 h)

Energie journalière totale ($W_{\text{jour}}$):

B.2

Calculer la consommation électrique annuelle ($W_{\text{année}}$) de la chaudière. Indiquer les deux chaines (de puissance ou d'information) qui consomment le plus.

B.3

Une simulation de chauffage a été réalisée (DTS4) sur la période du 1 er novembre au 30 avril. La température de confort recommandée est de 19 °C.

Données climatiques CALSOL de la région:

· jan · fév · mars · avr · mai · juin · juil · août · sep · oct · nov · déc · année

T air moyen (°C) · 2.6 · 4.1 · 6.7 · 9.5 · 13.4 · 16.9 · 19.4 · 18.9 · 15.8 · 11.8 · 6.6 · 4 · 10.8

Paramètres DTS4 de la simulation:

À partir des données de CALSOL, déterminer la température moyenne de l'air pendant la période de chauffage. Conclure sur la validité du scénario de chauffage donné dans le document technique DTS4.

B.4

À partir des résultats de la simulation de chauffage (DTS4), compléter le tableau du document DRS3, en relevant l'énergie fournie par la combustion des granulés et l'énergie finale puis en calculant les pertes énergétiques.

Grandeur

Énergie en kWh/an

Énergie finale par la combustion des granulés:

Énergie thermique utile pour chauffer la maison:

Énergie de combustion perdue:

B.5

À partir des résultats précédents, compléter le diagramme de Sankey se trouvant sur le document DRS4.

Grandeur du diagramme de Sankey

Valeur en kWh/an

Énergie finale de combustion:

Énergie électrique:

Énergie thermique utile:

Énergie de combustion perdue:

B.6

Déterminer l'efficacité énergétique de la chaudière à granulés.

Rappel: $$\text{Efficacité énergétique} = \frac{\text{Énergie thermique utile}}{\text{Énergie totale consommée}} \times 100$$

avec Énergie totale consommée = Énergie finale de combustion + Énergie électrique.

B.7

L'efficacité énergétique de la chaudière au fioul est de 70 %.

Conclure sur l'intérêt de remplacer la chaudière au fioul par la chaudière à granulés au regard de la problématique de cette partie.

Choix 1 - Partie C: Comment choisir le modulateur DC/DC du chargeur de l'alimentation de secours ?

Mise en situation: La chaudière a besoin d'énergie électrique pour fonctionner. En cas de coupure du réseau EDF, la maison est privée de chauffage. Pour éviter ce genre de problème, une alimentation de secours a été mise en place. L'alimentation de secours est présentée dans le document technique DTS5.

Objectif de cette partie: Une partie du chargeur est déjà conçue (le modulateur AC/AC, le modulateur AC/DC et la carte de contrôle). Il reste à choisir le modulateur DC/DC. Le diagramme IBD de l'alimentation de secours est donné sur le document réponse DRS5.

Question C.1

Sur le diagramme I.B.D. de l'alimentation de secours, repasser en bleu la circulation du flux d'énergie lors de la recharge de la batterie.

Étude du modulateur AC/AC (transformateur) et du modulateur AC/DC (redresseur)

Une simulation avec le modulateur AC/AC (transformateur) et le modulateur AC/DC (redresseur) est présentée sur les documents techniques DTS6 et DTS7.

Pour rappel:

$V_{\text{maxi}} = \sqrt{2} \cdot V_{\text{efficace}}$

Question C.2

À partir des courbes de la simulation (DTS6), donner la tension maxi de $\text{VP}_2$ ($\text{VP}_{2\text{maxi}}$). Calculer la tension efficace $\text{VP}_{2\text{efficace}}$.

Question C.3

À partir des courbes de la simulation (DTS7), donner la tension $\text{VP}_3$ en sortie du modulateur AC/DC. Indiquer si cette tension correspond à $\text{VP}_{2\text{maxi}}$ ou $\text{VP}_{2\text{efficace}}$.

Question C.4

Sur le diagramme I.B.D. du chargeur de l'alimentation de secours, compléter les caractéristiques des énergies. Utiliser la liste suivante: 12 V AC, 230 V AC et 17 V DC.

Question C.5

Donner la capacité ($Q_{\text{bat}}$) et la tension ($U_{\text{bat}}$) de la batterie à recharger. Puis calculer l'intensité de recharge ($I_{\text{bat}}$), dans le cas d'une recharge complète de 10 heures.

Question C.6

Choisir le modulateur DC/DC qui convient pour le chargeur. Justifier votre réponse.

Partie D: Comment assurer une autonomie d'utilisation de la chaudière sur deux jours en cas de coupure de courant ?

Mise en situation:

La chaudière a besoin d'énergie électrique pour fonctionner. En cas de coupure du réseau EDF, la maison est privée de chauffage. Pour éviter ce genre de problème, une alimentation de secours a été mise en place, elle est présentée dans le document technique DTS5.

Objectif de la partie:

Valider le choix de la batterie (DTS9)

Extrait du cahier des charges:

En cas de coupure de courant sur le réseau EDF, le cahier des charges impose une autonomie minimale de 2 jours.

Question D.1

Le diagramme IBD de l'alimentation de secours est donné sur le document réponse DRS5.

Sur le diagramme IBD, repasser en bleu la circulation du flux d'énergie lors de l'alimentation de la chaudière par la batterie.

Energie journalière:

Pour augmenter l'autonomie énergétique en cas de coupure de courant, le transfert des granulés du silo à la chaudière se fait manuellement. Dans ce cas la consommation électrique quotidienne de la chaudière est de W 24h = 1000 Wh.

Question D.2

Calculer l'énergie consommée en 2 jours (W 2 jours).

Question D.3

À partir du rendement de l'onduleur, calculer l'énergie (W conso) que doit délivrer la batterie en 2 jours pour alimenter la chaudière.

DTS9: La batterie de l'alimentation de secours

Tension: 12 V

Capacité: 110 A·h

Prix: 177 €

Question D.4

À partir du document technique DTS9, donner la tension (U bat) et la capacité (Q bat) de la batterie. Calculer la quantité d'énergie W bat stockée dans la batterie.

Pour éviter d'endommager les batteries il faut éviter les décharges profondes. En tenant compte de la profondeur de décharge l'énergie disponible dans la batterie est W disp = 1 100 Wh.

Question D.5

Conclure sur la pertinence du choix de cette batterie au regard de la problématique de cette partie.

Afin d'augmenter l'autonomie énergétique du système d'alimentation de secours, le constructeur propose de remplacer la batterie par une autre dont l'énergie disponible est W disp = 2 208 Wh et dont le prix est de 320 €.

Pour rappel l'énergie électrique nécessaire pour faire fonctionner la chaudière sur une journée est W 24h = 1000 Wh.

Question D.6

Calculer l'autonomie (T) énergétique de l'alimentation de secours si on utilise la batterie en option. Conclure sur l'intérêt d'utiliser la batterie en option au regard de la problématique de cette partie.