révision partie 2 :Sources d'énergie pour le chauffage

Introduction aux sources d'énergie pour le chauffage

• Les avancées technologiques ont augmenté les sources d'énergie des systèmes de chauffage.
• Chaque source a des avantages et inconvénients en termes d'efficacité et de performance.
• Les principales énergies explorées sont: l'énergie solaire, le mazout, le gaz et la bi-énergie.
• L'analyse porte sur les risques, les coûts et l'évolution historique de chaque source.
• Les choix de sources d'énergie dépendent des préférences et des contraintes techniques.
• La connaissance des sources d'énergie permet de justifier des choix et de comprendre d'autres professionnels.

Énergie Solaire

• L'énergie solaire est la plus récemment commercialisée, son principal avantage étant sa gratuité.
• L'acquisition et l'installation d'équipements pour capter et stocker l'énergie solaire présentent des défis techniques, surtout par temps froid et nuageux.
• Les recherches en énergie solaire progressent rapidement, promettant des solutions efficaces dans le future.
• Les systèmes à énergie solaire comprennent un capteur, un accumulateur, un système de circulation et un générateur d'appoint.

Composants d'un système solaire

• Le capteur solaire, basé sur l'effet de serre, capte la chaleur du soleil pour alimenter le système et chauffer un fluide.
• Les capteurs solaires sont visibles sur les murs des bâtiments résidentiels, commerciaux, industriels ou institutionnels.
• Les capteurs sont faits principalement de plastique ou de verre, dépendant du type de système.
• L'emplacement du capteur est primordial pour maximiser l'exposition au soleil.
• L'accumulateur stocke l'énergie solaire captée, sa construction varie selon le fluide utilisé.
• Pour les systèmes à eau ou glycol, l'accumulateur est un réservoir isolé dont la capacité correspond aux besoins.
• Dans les systèmes à air chaud, l'accumulateur contient du gravier (1,5-2,5 cm) qui absorbe et stocke la chaleur.

Autres composantes des systèmes solaires

• Au Québec, protéger du gel les systèmes à eau est essentiel : le glycol transmet sa chaleur à l'eau via un échangeur.
• Le transfert de chaleur glycol-eau génère des pertes minimes comparées à celles causées par le gel.
• Un réseau de tuyauterie connecte le capteur à l'accumulateur dans le système de circulation.
• Une pompe fait circuler les liquides, tandis qu'un ventilateur sert dans les systèmes à air.
• Le rendement du système dépend de la vitesse de circulation, car le captage de chaleur solaire y est directement proportionnel.
• Le fluide peut être dirigé du capteur vers l'accumulateur ou directement vers le système de distribution.
• Un générateur auxiliaire est nécessaire pour toute installation solaire visant un service continu.
• La température extérieure et l'ensoleillement quotidien sont des facteurs climatiques impossibles à contrôler.
• Une source d'énergie d'appoint prend le relais en l'absence du soleil.
• Les coûts d'installation et d'opération d'un système d'appoint réduisent les avantages économiques de l'énergie solaire.

Applications de l'énergie solaire et le mazout

• L'Europe, avec son climat favorable, a développé de nombreuses applications solaires, à l'inverse du Québec.
• Au Québec, l'usage solaire reste limité malgré des installations et des recherches démontrant son efficacité.
• L'application solaire la plus répandue au Québec est le chauffage de l'eau domestique.
• L'énergie solaire peut servir au chauffage de maisons unifamiliales/multifamiliales, de piscines et le préchauffage d'air.
• Les principaux avantages sont les coûts d'énergie presque nuls, la simplicité d'installation et l'efficacité par temps ensoleillé.
• Les inconvénients incluent la nécessité d'un système d'appoint, le contrôle face aux variations de température, et l'esthétique.
• Dans les années 50-60, le mazout dominait le chauffage au Québec.
• Cette domination était due au développement limité des ressources hydroélectriques et à la distribution restreinte du gaz naturel.
• Le mazout était idéal pour sa disponibilité constante et son service de livraison automatique.
• Les programmes de bi-énergie maintiennent la pertinence du mazout aujourd'hui.

Origine et classification du mazout

• Le pétrole est découvert en 1859, le chauffage à cette époque se faisant au bois ou au charbon.
• En 1870, débute la distillation du pétrole brut pour en extraire divers composants, dont le mazout.
• Environ 50 pays produisent du pétrole; les réserves récupérables sont estimées à plus de 500 milliards de barils.
• Après extraction, le pétrole subit raffinage, distillation, craquage, reformage et élimination d'impuretés.
• L'industrie pétrochimique a standardisé les méthodes et équipements pour classifier les produits pétroliers.
• L'analyse porte sur la densité, les points d'éclair/écoulement, la viscosité, la teneur en soufre et la valeur calorifique.
• Les méthodes de classification développées par l'American Society for Testing Materials et l'Institute Society of Petrolium sont utilisées.
• Le mazout se divise en deux catégories: léger et lourd, avec des sous-catégories basées sur leurs propriétés.

Types de mazout

• Le mazout léger comprend les mazouts nº 1 et nº 2, utilisés principalement pour le chauffage.
• Leurs systèmes de chauffage se retrouvent généralement dans les résidences et commerces de petite/moyenne taille.
• Le mazout léger a une viscosité plus faible et un point d'écoulement moins élevé que les mazouts lourds.
• Le mazout léger nº 1 possède une viscosité et un point d'écoulement peu élevés.
• Il est utilisé dans les poêles de chauffage et les brûleurs à vaporisation, surtout dans le Grand-Nord québécois.
• Le mazout léger no 1 est traité pour protéger les accessoires en cuivre ou en laiton.
• Le mazout léger nº 2 est utilisé pour les brûleurs à pulvérisation, offrant un rendement économique.
• Le mazout léger n° 2 subit une légère oxydation est peut nécessiter des filtres remplaçables.

Mazout lourd et pouvoir calorifique

• Le mazout lourd existe sous deux formes : nº 4 et nº 6.
• Les mazouts lourds sont des résidus de distillation après l'extraction des essences, communément appelés «résiduels».
• Pour conserver une viscosité adéquate, des distillats plus légers sont ajoutés.
• Le mazout lourd industriel diffère du bunker, réservé aux chaudières marines.
• Le mazout nº 6, aussi appelé «Bunker C», est utilisé dans des installations industrielles, centrales thermiques et navires.
• Avec 42 500 kJ/kg, le mazout nº 6 possède le pouvoir calorifique le plus élevé parmi les mazouts commerciaux.
• Son prix est 15 à 20% inférieur aux combustibles similaires malgré des coûts d'équipement et d'entretien plus élevés.
• Le mazout nécessite une viscosité extrêmement élevée (900 à 9000 secondes Saybolt) et un préchauffage constant (65-120°C).
• Le mazout est stable et abordable, il offre un rendement énergétique élevé avec appareils modernes.
• Les coûts d'installation et d'utilisation sont compétitifs.

Gaz naturel et propane

• La crise pétrolière des années 70 a stimulé l'essor des énergies alternatives comme les gaz.
• Les gazoducs se sont étendus à presque toutes les régions du pays.
• La majorité des villes québécoises sont desservies par un réseau de gaz naturel.
• Le gaz propane est accessible en régions rurales via un réservoir de stockage.
• Le plancton marin est à l'origine du gaz naturel, se trouvant principalement dans les bas-fonds océaniques.
• Ces micro-organismes décomposés se transforment progressivement en gaz.
• Les détritus s'accumulent dans la roche mère, ils subissent l'action d'autres organismes en milieu anoxique.
• Au Québec, le gaz naturel utilisé s'est formé sur des millions d'années, acheminé depuis l'Ouest canadien.

Composition et distribution du gaz naturel

• Les dépotoirs illustrent ce phénomène de décomposition par leurs émanations de méthane, principal composant.
• Les premières découvertes ont eu lieu en Alberta, au Nouveau-Brunswick et à Pointe-du-Lac; le gaz est stocké l'été.
• La composition du gaz naturel varie selon les gisements, elle comprend ≈92% de méthane.
• Le reste contient principalement de l'azote, du bioxyde de carbone, de l'hélium et d'autres gaz en faibles quantités.
• Le gaz naturel ne contient pas de soufre ni de CFC, sa combustion émet moins d'hydrocarbures réactifs.
• Les centrales thermiques converties au gaz naturel réduisent leurs émissions/contributions aux précipitations acides.
• Le gaz est extrait des puits, il est acheminé par gazoducs à l'usine de traitement et ensuite distribué.
• Le réseau de canalisations souterraines de Gaz Métropolitain dessert environ 160 000 clients.
• Le gaz naturel répond aux besoins énergétiques de chauffage avec des réserves canadiennes suffisantes.

Caractéristiques, inflammabilité et usages du gaz naturel

• Le gaz naturel se définit par sa densité, son inflammabilité et son pouvoir calorifique.
• Plus léger que l'air, un détecteur de fuites doit être placé au-dessus de la canalisation, non en dessous.
• L'inflammabilité du gaz se situe entre 5 et 15% de concentration dans l'air.
• Pour la sécurité, les conduites souterraines doivent être fabriquées en matériaux robustes et résistants.
• La réglementation exige une surveillance électronique des installations.
• Le gaz naturel s'enflamme à 632°C (1170°F) et son pouvoir calorifique traité doit être inférieur à 35 912 Btu/m³.
• Le gaz naturel est utilisé pour le chauffage des bâtiments, la cuisson des aliments, le chauffage de l'eau et les procédés industriels.
• Ses atouts sont une combustion facile, un rendement énergétique élevé, un prix compétitif et un faible coût d'entretien
• Ses inconvénients incluent la disponibilité limitée, une ressource non-renouvelable et un contrôle rigoureux des installations.
• Le gaz propane provient de la purification du gaz naturel, de la distillation du pétrole brut ou du reformage d'hydrocarbures.

Gaz propane et électricité

• Le propane nécessite une purification pour en éliminer le soufre et l'eau.
• Le propane provient de la purification du gaz naturel et de la distillation du pétrole brut.
• Il peut former du sulfure de cuivre nuisible dans les tuyauteries en cuivre des réseaux.
• Avec un point d'évaporation bas (-42 °C), le propane est très utilisé dans les pays nordiques.
• 1,5 fois plus lourd que l'air, les fuites de propane se détectent au sol.
• La plage d'inflammabilité du propane se situe entre 4 et 10%.
• Son pouvoir calorifique est de 2500 Btu/pi³ ou 93,1 kJ/m³, supérieur au gaz naturel.
• Le propane est utilisé dans les bonbonnes de barbecues, les chaufferettes de camping et les zones sans accès au gaz.
• Il est plus coûteux que le gaz en production et transport, et les réservoirs sont encombrants.
• L'électricité est produite en centrales et distribuée par lignes.
• Au Québec, plus de 96% de l'électricité provient de l'énergie hydraulique.

Production et applications de l'électricité

• L'électricité se manifeste comme mouvement, chaleur et lumière dans la nature.
• Utilisée depuis plus d'un siècle, l'électricité est essentielle au fonctionnement quotidien.
• Les professionnels du chauffage doivent maîtriser les modes de production et les applications de l'électricité.
• Les types de centrales au Québec sont hydroélectriques, thermiques et nucléaires.
• Des centrales éoliennes servent de source d'appoint dans certaines régions isolées.
• Les centrales hydroélectriques utilisent la force de l'eau pour actionner des turbines.
• Quand le débit naturel des rivières suffit, l'eau est utilisée directement sans réservoir.
• Avec un débit insuffisant, un barrage et un réservoir sont créés pour obtenir une chute d'eau.
• Dans les centrales thermiques, Combustion, Ébullition, Turbine et Alternateur sont utilisés.
• Les centrales nucléaires utilisent la chaleur de la fission nucléaire pour chauffer l'eau.

Équipements et acheminement de l'Électricité et La bi-énergie

• La turbine et l'alternateur sont les deux appareils essentiels d'une centrale, formant le groupe turbine-alternateur.
• Le réseau de transport comprend des postes et lignes à haute tension (735 kV).
• Des postes élévateurs augmentent la tension pour maximiser la quantité transportée et réduire les pertes et les coûts.
• Les postes de sectionnement isolent des sections de lignes pour assurer la fiabilité et alimenter les régions avoisinantes.
• Le réseau de répartition répartit l'électricité entre différentes régions, acheminant l'électricité sous 315 et 44 kV.
• L'électricité sert à contrôler la température ambiante, la circulation du fluide et la pression des systèmes de chauffage.
• Remplace le mazout ou le gaz dans les chaudières au vapeur.
• Un kilowatt heure (1 kWh) d'électricité produit 3 413 Btu (ou 3,60 MJ/kWh) avec une efficacité de 100%.
• L'avantage des chaudières électriques est un opération simplifiée et moins de surveillance que les appareils au mazout.
• L'augmentation des coûts de production de l'électricité ces dernières années constitue un inconvénient majeur.
• Les systèmes bi-énergie optimisent et jumellent des énergies.
• Un système bi-énergie utilise deux sources d'énergie en alternance ou en complément (ex: électricité/mazout).
• Cette approche vise à optimiser les coûts d'utilisation et l'efficacité du chauffage (combinaisons variables).

Systèmes bi-énergie et Bois

• Le système bi-énergie utilise un contrôleur qui traite diverses données transmises aux générateurs de chaleur.
• Une sonde mesure la température et active le chauffage par combustible ou chauffage électrique.
• En cas de défaillance du générateur, le contrôleur bascule en mode chauffage de secours.
• Les fournisseurs utilisent la bi-énergie pour optimiser la consommation électrique, activant le combustible lors de grands froids.
• À basses températures (-12°C), le contrôleur active le chauffage par combustible.
• Un système bi-énergie mazout-électricité réunit les avantages des deux modes de chauffage.
• II est donc avantageux de chauffer au mazout par temps froid et à l'électricité par temps clément.
• Le bois sert principalement comme chauffage d'appoint.
• Un système bi-énergie peut fonctionner avec un générateur bois-mazout ou bois-électricité.
• Dans les générateurs bois-mazout, les combustibles brûlent dans la même chambre ou dans des chambres séparées.
• Ces appareils utilisent le bois comme source primaire de chaleur et passent automatiquement au mazout.

Phases de combustion du bois et avantages/inconvénients

• L'appareil bois-électricité est identique, mais avec des éléments électriques remplaçant le brûleur au mazout.
• Premièrement, la vaporisation de l'humidité consomme 5 à 15% de l'énergie totale du bois.
• Deuxièmement, la pyrolyse commence et la surface se carbonise et libère des éléments combustibles.
• Troisièmement le charbon brûle proprement et sans fumée jusqu'à sa transformation complète en cendres.
• Le bois contient du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, ainsi que des résines, de l'alcool et de l'eau.
• En 2e phase, l'inflammation complète des matières volatiles se produit à 600°C.
• Entre 600 et 1100°C, des flammes jaunes apparaissent dans la combustion complète.
• En 3e phase, il ne reste essentiellement que du charbon.
• Le pouvoir calorifique varie selon les essences; les bois durs dégagent généralement plus de chaleur que les bois mous.
• Les systèmes bi-énergie offrent fiabilité, flexibilité, réduction des coûts et longévité, mais également inconvénients.
• Ils nécessitent notamment entretien accru, encombrement, coût initial élevé et attention constante.