Qu'est-ce que le Batchrocket ?
Introduction
Les poêles de masse sont composés de deux éléments principaux :
- d'un coeur de chauffe dont le but est de brûler le bois le plus efficacement possible
- d'un système de récupération de la chaleur dont le but est de transmettre la chaleur des fumées à la masse.
Un Batchrocket en pleine "libération" de l'énergie du bois.Source : Pascal Burnet, Stage UZUME, 2017.
Le Batchrocket (encore appelé Batchbox ou BBox) est un coeur de chauffe qui permet une excellente combustion du bois, d'où à la fois une économie de combustible et une réduction de la pollution atmosphérique. L'accent est mis sur la qualité de la combustion, la simplicité de construction et sur une diffusion libre des plans pour que les auto-constructeurs puissent s'approprier cette technologie.
Schéma : Vues 3D d'un Batchrocket.
Le Batchrocket a principalement été développé par Peter van den Berg depuis 2012 avec la collaboration des membres du forum US sur les Rocket Stoves. Il s'agit d'un travail de fourmi guidé par une approche géométrique : pour chaque élément du foyer, la proportion ou la forme optimale est recherchée, testée, puis validée ou non.
À ce jour (début 2018), Peter a analysé plus de 500 combustions sur le Batchrocket en utilisant un analyseur de combustion de référence : le Testo 330-2LL. Nous avons nous même effectué plus de 50 analyses sur nos poêles avec le même appareil.
Il s'agit de la suite du développement des Rocket Stoves : les rendements de combustion sont toujours aussi bons mais le Batchrocket est beaucoup plus puissant, ce qui lui permet de chauffer de plus grands volumes moins bien isolés.
Autour de ce coeur de chauffe, nous construisons des cloches en briques pour récupérer et stocker la chaleur dégagée par le batchrocket.
L'association UZUME travaille depuis fin 2015 sur des poêles de masse utilisant le Batchrocket. Nous poursuivons le développement des Batchrockets et nous diffusons la technologie par le biais de stages d'auto-construction, d'un manuel d'auto-construction que nous écrivons, et d'articles internet comme ce site ou le site batchrocket.eu/fr/ qu'un de nos membres a traduit en français.
Voici quatres exemples de poêles de masse réalisés par UZUME dont le coeur de chauffe est un Batchrocket :
À gauche, poêle en briques réfractaires avec un enduit terre; à droite, poêle avec un habillage en briques de terre crue. En bas, à gauche, poêle en briques de terre crue; à droite, poêle en briques réfractaires avec banc en briques de terre crue.
Les origines
Des coeurs de chauffe en "L" :
Améliorer la combustion du bois permet de diminuer la pollution liée aux fumées ainsi que la quantité de bois nécessaire pour une chauffe donnée.
Très tôt, les hommes ont réalisé qu'un coeur de chauffe en forme de "L" permettait une meilleure combustion du bois. On retrouve encore aujourd'hui des traces de l'utilisation de ce principe sur les vieux fours à chaux ou encore sur des fourneaux très simples utilisés pour la cuisson dans divers endroits du monde.
Coeur de chauffe en "L" utilisé pour raffiner du sucre, Laos, H. A. Wirtz.Source : The Book of Masonry Stoves, David Lyle, 1984, p. 31.
Puis des coeurs de chauffe en "J" :
Schéma d'un four à briques avec des coeurs de chauffe en "J".Source : The Self-Reliant Potter: Refractories and Kilns, Henrik Norsker, 1987, p. 50.
Pour certaines applications, les quantités de bois nécessaires sont telles qu'il devient très important de bien maîtriser la qualité de la combustion.
Par exemple, les fours à briques artisanaux en Amérique latine ou en Inde peuvent facilement avoir une capacité de plusieurs dizaines de milliers de briques par cuisson, ce qui nécessite plusieurs dizaines de tonne de bois à chaque fois !
On retrouve donc des coeurs de chauffe à la conception soignée dans ces constructions. Notamment des coeurs de chauffe en "J" qui sont une amélioration des versions en "L". On peut l'observer sur l'image ci-contre : c'est la base des Rocket Stoves modernes.
Le Rocket Stove
Une évolution notable :
Les Rocket Stoves dans leur forme actuelle sont issus du travail initial réalisé par Ianto Evans à la fin des années 70.
Le coeur de chauffe qu'il a développé s'approche des deux exemples précédents, mais la combustion est améliorée grâce à l'utilisation de matériaux réfractaires isolants et un travail sur les proportions optimales du "J".
Autour de ce coeur de chauffe, un bidon métallique et des bancs en bauge permettent la récupération de la chaleur des fumées.
Schéma : Vue en coupe d'un Rocket Stove moderne.Source : Rocket Mass Heaters, I. Evans et L. Jackson, 2014, p. 18.
Un rendement excellent :
Le succès des Rocket Stoves et sûrement lié à l'excellente qualité de la combustion par rapport à leur simplicité de construction. Ci-dessous se trouve le compte rendu de l'analyse de combustion d'un Rocket Stove classique que nous avons construit d'après les plans de Peter van den Berg.
Résultats de l'analyse de combustion d'un rocket stove de 180 mm sur une flambée à pleine puissance.Source : Analyse effectuée avec le Testo 230-2LL en Août 2016
Les résultats de cette flambée sont :
- O2 moyen : 13%
- Rendement total moyen (PCI) : 95%
- CO dilué moyen : 332 ppm
- CO non dilué moyen : 1357 ppm
- Température moyenne des fumées à la sortie du poêle : 70°C.
Le rendement total (combustion x récupération) moyen est de 95%, ce qui est absolument excellent. Le taux de monoxyde de carbone est extrêmement faible sur la plus grande partie de la flambée. En moyenne, le Rocket Stove émet 332 ppm (particules par million) de CO (monoxyde de carbone) dilué, ce qui indique une combustion de très bonne qualité.
NB : On ne prend en compte pour le calcul que la partie de la flambée entre 9h50 et 11h environ, parce qu'après la combustion est quasiment finie (taux de O2 > 16.8%). C'est le protocole de mesure classique utilisé pour tous les poêles à bois d'après la norme EN15250.
Mais une faible puissance :
Pour le test correspondant au graphique précédent, 6 kg de bois très sec (~15% d'humidité) ont été brûlés. Le fagot était composé de 1 kg de petit bois et 5 kg de bois fendu à un diamètre de 5-10 cm. La flambée a duré un peu moins de 2h avec une surveillance régulière pour rajouter du bois au fur et à mesure qu'il se consommait. D'après ces mesures, la puissance d'un Rocket Stove de 180 mm de diamètre interne est d'environ 900 W en considérant une flambée d'environ 2h par jour.
900W, c'est très faible par rapport aux besoins de chauffage des habitations classiques en France qui sont plutôt de l'ordre de 2000 à 15000W pendant l'hiver.
On pourrait bien sûr obtenir trois fois plus de puissance de chauffe avec un Rocket Stove en faisant une flambée de 6h par jour, mais c'est contraignant !
Rocket Stove de 180 mm utilisé pour le test. Réalisé par l'association UZUME, Juin 2016.
Et une utilisation plus délicate :
Le principe de la combustion latérale est relativement inconnu ce qui conduit les utilisateurs inexpérimentés à s'enfumer. De plus, le fait qu'il n'y ait pas de porte rend aussi plus probable les retours de fumées (voir de flammes !) dans la maison.
Au ralenti, les résultats des Rocket Stoves sont moins flatteurs : CO dilué moyen de 1435 ppm et rendement total moyen de 79%. Donc un Rocket Stove utilisé au ralenti brûle moins bien et on perd plus de chaleur par la cheminée.
Résultats de l'analyse de combustion d'un rocket stove de 180 mm sur une flambée au ralenti.Source : Analyse effectuée avec le Testo 230-LL en Août 2016
Les résultats de cette flambée sont :
- O2 moyen : 18%
- Rendement total moyen (PCI) : 79%
- CO dilué moyen : 1435 ppm
- CO non dilué moyen : 10812 ppm
- Température moyenne des fumées à la sortie du poêle : 109°C.
Conclusion :
Le gros point noir des Rocket Stoves est leur faible puissance. On pourrait en théorie la compenser en maintenant des flambées vives pendant plusieurs heures d'affilées chaque jour, mais c'est en pratique très contraignant.
Il faut donc réserver les Rocket Stoves pour des petits espaces ou des espaces très bien isolés. Pour le reste, il faut se tourner vers des poêles de masse classiques ou basés sur des Batchrockets.
Le Batchrocket
Vue en coupe d'un Batchrocket
Le Batchrocket (encore appelé Batchbox ou BBox) amène beaucoup d'améliorations par rapport au Rocket Stove classique :
- Rendements de combustion équivalents ou meilleurs;
- Beaucoup plus de puissance à taille de système égale, donc la possibilité de chauffer de plus grand volumes moins bien isolés;
- Vue du feu;
- Pas besoin de s'occuper du feu pendant la flambée;
- Feu dans une enceinte close;
- Possibilité d'utiliser des bûches de taille normale.
- Un tirage correct (~6 Pa min. au démarrage si le batchrocket est couplé à une cloche, plus sinon) donc pas de sorties "ventouses";
- Une construction plus technique;
- Des portes (vitrées ou non) avec leurs bâtis.
Voici par exemple un poêle batchrocket réalisé par Peter van den Berg en 2015 :
À gauche, batchrocket en béton réfractaire; à droite, poêle complet en béton réfractaire teinté Source : Peter van den berg, http://batchrocket.eu/fr/application#redbell
Ci-dessous une courbe issue de l'analyse de combustion de ce poêle :
Graphique : Résultats de l'analyse de combustion d'un batchrocket de 150 mm.Source : Analyse effectuée par Peter van den Berg, Fevrier 2016, http://batchrocket.eu/fr/plans#canalsol
Les résultats de cette flambée sont :
- O2 moyen : 13%
- Rendement total moyen (PCI) : 95.2 %
- Rendement de combustion moyen : 98.5 %
- Rendement moyen d'extraction de chaleur (PCI) : 93.8 %
- CO dilué moyen : 282 ppm
- CO non dilué moyen : 746 ppm
- Température moyenne des fumées à la sortie du poêle : 66.4 °C.
Par rapport à la norme EN15250 p.34, la teneur en monoxyde de carbone à 13% d'O2 de ce Batchrocket est de 282 ppm soit 0,03% de CO alors que la norme des poêles de masse est à 0,3%.
Ces résultats sont tout à fait exceptionnels parce qu'ils sont à la fois le fruit d'une conception et d'une réalisation soignées, et d'un utilisateur très compétent. Dans des conditions plus réalistes, il est possible de réaliser des poêles batchrockets qui fonctionnent de manière quotidienne avec des utilisateurs moins expérimentés tout en ayant un rendement réel moyen compris entre 85 et 90%, et avec un taux de CO dilué moyen inférieur à 1000 ppm. Ce qui correspond toujours à d'excellents poêles d'après tous les standards.
Comparaisons..
..avec des voitures à essence
L'essence est un carburant liquide facilement inflammable. Par rapport au bois, qui est un combustible solide très variable (aucune bûche ne se ressemble), inhomogène et contenant de l'eau, il est très facile d'obtenir une combustion complète, non polluante de l'essence.. et pourtant !
Les voitures voitures à essence doivent respecter les normes suivantes concernant les émissions de monoxyde de carbone[1] :
- 45000 ppm pour les engins de 1972 (date des premières normes antipollution) à septembre 1986 ;
- 35000 ppm pour les engins d'octobre 1986 à 1993 (1995 sans pot catalytique) ;
- 5000 ppm au ralenti et 3000 ppm à 2.500 tours/minute pour les engins sans équipement de dépollution de 1996 à juillet 2002 et ceux avec équipement de dépollution de 1994 et 1995 ;
- 3000 ppm au ralenti et 2000 ppm à 2.500 tours/minute pour les véhicules d'après 2002.
Une comparaison rapide :
- Une voiture à essence qui consomme 10L pour 100km parcourus aura dépensé 100kWh environ pour un trajet de 100km.
- Supposons que la voiture date d'après 2002 et qu'elle emet en moyenne 2500 ppm. En roulant 100 km, elle aura donc pollué 2500x100 = 2500000 unités de monoxyde de carbone.
- 5 kWh correspond environ à l'énergie contenue dans 1kg de bois. Si on brûle ce bois avec un Batchrocket, on a alors une pollution de 300x5 = 1500 unités de monoxyde de carbone.
- Ainsi, un poêle de masse Batchrocket polluera autant en brûlant 1600 kg de bois que votre voiture en roulant 100 km.
..avec des gazinières
Des expériences menées par le Ministère américain de l'énergie[2] ont montré que les cuisinières à gaz bien réglées et les fours à gaz émettaient en moyenne 800 ppm de CO non dilué. C'est-à-dire que, à puissance égale, un poêle Batchrocket bien réalisé émet en moyenne autant de monoxyde de carbone qu'une gazinière où qu'un four à gaz..
..avec la réglementation
Le label Flamme Verte demande un rendement supérieur à 70% et des émissions de CO dilué inférieures à 3000 ppm en moyenne sur une flambée vive (13% d'O2 moyen) pour les poêles et inserts labellisés 5 étoiles. Ce test est fait dans des conditions où le tirage (l'aspiration de la cheminée) est régulé mécaniquement à 12 Pa.
Sur le graphique précédent le Batchrocket émet environ 300 ppm de CO dilué sur une flambée 13% d'O2 en moyenne, soit dix fois moins que cette réglementation alors que le tirage n'est pas régulé mécaniquement. Il n'y a ici que le tirage naturel d'une cheminée classique. En clair, il pollue dix fois moins que des poêles récent labéllisés dans des conditions que nous jugeons défavorables.
..avec d'autres poêles de masse
Certains poêliers-fumistes américains (Norbert Senf, Alex Chernov) publient régulièrement les résultats des analyses de leurs poêles. Par exemple, les résultats de 2009 basés sur le coeur de chauffe développé par Norbert Senf (le HeatKit) sont disponibles sur son site. Les données brutes recueillies et adaptées aux unités européennes par nos soins sont disponibles ici.
Ce sont d'excellent coeurs de chauffe et sur les 36 flambées qui ont été testées, les moyennes sont les suivantes :
- O2 moyen : 13,4 %
- Rendement total moyen (PCI) : 85,1 %
- Rendement de combustion moyen : 96,4 %
- Rendement moyen d'extraction de chaleur (PCI) : 88,3 %
- CO dilué moyen : 1267 ppm
- CO non dilué moyen : 3512 ppm
Le HeatKit permet des flambées moyennes de 27 kg de bois, ce qui correspond à des poêles d'une puissance d'environ 8 kW sous deux flambées par jour. C'est énorme.
Les résultats de ces analyses nous montrent que, bien réalisés, les poêles basés sur des Batchrockets polluent environ 4 fois moins que les poêles basés sur des HeatKit. D'autant plus que le HeatKit possède un très gros foyer par rapport au Batchrocket testé (27 kg vs. 6 kg de bois par flambée), ce qui est un avantage puisqu'il est plus facile d'avoir un gros feu qui brûle bien qu'un petit.
D'autre part, en combinaison avec le principe des cloches, il est possible d'obtenir des rendements globaux excellents liés à des températures de sortie basses.
Poêle basé sur le HeatKit et réalisé par Turtlerock Masonry Heat, 2001.Source : http://heatkit.com/docs/c-held.htm
Références
- Futura sciences, Contrôle technique : quelles sont les normes antipollution ?. https://www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/automobile-controle-technique-sont-normes-antipollution-1432/
- R.J. Karg Associates, 2001, p. 8-9, Field Protocol for Gas Range Carbon Monoxide Emissions Testing. http://www.karg.com/pdf/CO_Field_Protocol_annotated.pdf et http://www.karg.com/pdf/coairfree_article.pdf
