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OPTIONS ÉNERGÉTIQUES DE SÉCHAGE : PARTIE II

Comment optimisation des pompes à chaleur en fonction des sources d’énergie? Comment récupérer l’énergie par évacuation différentielle (Vents Loss Minimizer System)? Comment récupérer l’énergie aux évents? Voilà les sujets dont nous parlerons dans ce chapitre consacré à la gestion de l’énergie au séchage.

Optimisation de l’efficacité des pompes à chaleur
Je constate depuis de nombreuses années qu’il y a souvent une fausse vision de l’interaction entre le fonctionnement de la pompe à chaleur et le séchage du bois. La pompe à chaleur ne sèche le bois que par un effet secondaire de son fonctionnement (bénéfice collatéral), car le cycle d’opération d’une pompe à chaleur n’a pas de lien avec le bois dans le séchoir. De nombreux utilisateurs ont encore la croyance que le cycle d’opération d’une pompe à chaleur est nécessairement toujours plus doux pour le bois qu’un séchoir à la vapeur. Mais cette fausse croyance est due à l’ignorance des conditions climatiques douces inhérentes au fonctionnement des pompes à chaleur. Le bois ne sait pas par quel système il est séché. Le bois ne subit que la température, l’hygrométrie et la vélocité de l’air provoquées par n’importe quel système de séchage. Une température de 50 °C avec une pompe n’est pas différente de 50 °C avec un séchoir à la vapeur si l’hygrométrie de l’air est la même.

En fait, la pompe assèche l’humidité de l’air et non celle du bois, par condensation sur les plaques froides des évaporateurs du liquide réfrigérant. Ainsi, la pompe évacue cette humidité sous forme liquide hors du séchoir comme l’eau qui s’égoutte sous votre voiture lors du fonctionnement de l’air conditionné. Donc, plus l’air est humide, plus la pompe est efficace… mais l’embûche c’est qu’on veut sécher le bois, et quand l’air est très humide le bois sèche plus lentement, et quand l’air est plus sec, la pompe est moins efficace énergétiquement. Donc, qui va gagner la bataille au fur et à mesure que le séchage avance… le bois ou la pompe?

La vérité est que la pompe est de moins en moins efficace au fur et à mesure que le séchage avance, car en bas de 20 % HB (humidité du bois) la pompe ne condense presque plus d’eau et finira par consommer plus d’énergie qu’elle en récupère par condensation. En général, les pompes à chaleur sont très efficaces pour les essences humides (pins, sapin, tremble) dans la phase d’évaporation de l’eau libre jusqu’à 23 à 25 % HB environ. Dans cette phase on récupère environ les 2/3 de l’énergie d’évaporation, mais ceci tombe rapidement en bas de 20 % HB, ce qui explique les temps de séchage longs avec cette technologie, mais qui procure cependant un séchage de qualité.

Mais peut-on avoir le meilleur des deux mondes, sécher aussi rapidement qu’un système conventionnel avec la qualité maximum, avoir la possibilité des traitements spéciaux comme l’équilibrage, le conditionnement, la pasteurisation, la cristallisation de la résine…?

La réponse est OUI avec un système hybride.

Dans un système hybride, on utilise les pompes à chaleur uniquement dans la phase de séchage de l’eau libre du bois, donc là ou on évacue le plus grand volume d’eau jusqu’à 23-25 % HB (Humidité du Bois) environ. On maximise donc les vertus du système par déshumidification dans cette phase en récupérant les 2/3 de l’énergie d’évaporation, ce qui est d’autant plus bénéfique avec les essences très humides comme le sapin, les pins, peupliers, etc. Ceci est vrai à la condition d’avoir une capacité de pompe supérieure au taux d’évaporation du bois et aussi pour minimiser les taches et colorations. Par exemple, on recommande généralement 1,5 HP pompe/Mpmp de capacité au séchoir sur les essences très humides. Ceux qui sont en deçà de cette capacité auront des coûts énergétiques plus élevés, des temps de séchage plus longs en plus de problèmes de taches et coloration du bois. Mais pour le chêne, le frêne et l’érable, on a pas besoin de cet excès de capacité et le ratio connu de 1 HP/Mpmp de capacité pompes est généralement suffisant, car on veut un taux d’évaporation plus lent sur ces essences de toute façon.

La deuxième source d’énergie sera idéalement une chaudière aux résidus (si nombreux séchoirs), chaudière au gaz naturel (le plus bas coût à part les résidus), GNL (Gaz Naturel Liquéfié) ou gaz propane au lieu de l’huile no 2, ou simplement un brûleur feu direct. En effet, au moment de la rédaction de cet article, en tenant compte du différentiel de pouvoir calorifique, le gaz propane coûtait 0,18 $ de moins le litre par rapport à l’huile no 2. Comme le coût de conversion d’un brûleur à l’huile vers un brûleur au propane est d’environ 25 000 $, un parc de séchoirs hybrides consommant annuellement 300 000 litres d’huile no 2 (450 000 litres de propane pour la même capacité énergétique) permettrait une économie de 54 000 $ par an, donc un retour sur investissement en moins de six mois. Chaque parc de séchoirs doit être analysé cas par cas en fonction des sources d’énergie actuelle avant de faire la conversion énergétique.

Avec un système hybride-pompes-chaudière ou feu direct gaz, il est fortement souhaitable d’installer un contrôleur informatisé avec sondes d’humidité du bois pour mieux optimiser la qualité séchage et la gestion de l’utilisation des deux sources d’énergie au moment opportun du Programme de séchage. Le coût supplémentaire d’un système hybride se paie rapidement en réduction du coût énergétique de séchage, réduction du temps séchage et amélioration des traitements de qualité de la fin du séchage. Un système d’humidification (vapeur basse pression ou microbuses haute pression à l’eau) est essentiel pour la phase d’équilibrage et conditionnement. Je préfère évidemment les générateurs de vapeur saturée basse pression qui sont de loin les plus efficaces si la puissance est suffisante.

Évidemment, il faut valider si l’électricité demeure un choix rentable comme deuxième source d’énergie pour terminer le séchage en fonction des tarifs d’électricité locale qui sont très variables d’une usine à l’autre, car la majorité des séchoirs par déshumidification possèdent déjà des éléments électriques de chauffage d’appoint.  Par exemple, dans un séchoir par déshumidification de 40 000 pmp, on note souvent une capacité d’éléments chauffants de 400 kW pour le préchauffage. Cependant, cette puissance est insuffisante pour les pins, peupliers, essences très humides ou sujettes aux taches et colorations. Il faudrait des éléments d’appoint de 600 kW dans ce dernier cas, donc 15 kW par Mpmp de capacité au lieu de 10 kW/Mpmp, le standard habituel souvent insuffisant.

Système d’évacuation différentielle (Vents Loss)
Cette technique a été largement développée et mise en application par le Groupe Wellons, fabricant de chaudières, séchoirs et systèmes de contrôle avancé pour le séchage des bois résineux. Quelques autres manufacturiers, surtout Sécovac initialement, ont bien intégré cette boucle de contrôle dans leur régulateur de séchage.

L’idée est de séparer le ratio d’ouverture des volets d’évacuation et d’entrée d’air des séchoirs, ce qui permet une économie d’énergie de 5 % et plus, selon le type d’opération de séchage. Cette économie est non négligeable surtout quand la source d’énergie est plus dispendieuse que des résidus d’usine (gaz naturel liquéfié).

La réduction d’énergie est liée aux propriétés physiques de l’air par rapport à sa température et au différentiel de température entre la température de l’air extérieur qui entre par les volets d’entrée et la température de l’air évacué par les volets de sortie. Nous n’avons pas besoin d’un mètre cube d’air froid pour remplacer un mètre cube d’air chaud évacué puisque le volume de l’air double pratiquement à chaque augmentation de 10 °C. Plus la température extérieure est froide, plus ceci est vrai. Également, à cause du temps de réaction du système de contrôle, on induit un volume supplémentaire d’air froid non nécessaire dans le séchoir, ce qui augmente d’autant plus la consommation énergétique, en plus de créer une pression positive provoquant des pertes de vapeurs aux portes du séchoir.

Avec le système d’évacuation différentielle, on ouvre les volets de sortie en priorité parfois jusqu’à 100 % avant d’ouvrir progressivement les volets d’entrée d’air de façon à n’introduire que le minimum d’air froid de remplacement dans le séchoir. Ceci a également comme effet secondaire de créer une pression légèrement négative dans le séchoir, gardant les portes étanches automatiquement.

Le coût du système d’évacuation différentielle implique évidemment de doubler la mécanique d’ouverture des volets qui doivent également être à contrôle proportionnel, par une boucle de contrôle informatisé, donc 8000 $ à 10 000 $ par séchoirs environ. Cependant la rentabilité est évidente et encore plus évidente pour ceux qui sèchent du sapin très humide, autres essences humides perméables où toutes autres situations qui demandent une ouverture fréquente des volets d’évacuation.

Évents d’un séchoir conventionnel, presque fermés sur le côté entrée d’air.

Récupérateurs actifs d’énergie aux évents :
Les récupérateurs d’énergie aux évents par échange d’air entre les volets de sortie et d’entrée permettent de récupérer jusqu’à 50 % des pertes aux évents. Comme la perte d’énergie aux évents est de 30 % à 40 % de l’énergie totale consommée dans une opération de séchage conventionnel (vapeur ou feu direct par exemple), on peut donc récupérer 15 % à 20 % du coût énergétique de séchage sur chaque chargement. Donc, avec un parc de cinq séchoirs, le coût énergétique du 6e séchoir serait gratuit avec le volume additionnel de séchage en prime! Mais le coût d’installation de cette technologie est d’environ 200 000 $ pour un séchoir de 200 000 pmp de capacité environ.

Comme figure approximative pour des séchoirs à feu direct au gaz, la réduction de coût séchage serait de 0,80 $/jour de séchage/Mpmp avec le gaz naturel et de 1 $/jour de séchage/Mpmp séché avec du butane ou du propane. Ceci illustre également que le retour sur investissement est plus rapide si le coût de l’énergie est plus élevé. Par exemple, avec un séchoir à feu direct au butane de 200 000 pmp épinette et 350 jours d’opération par an, l’économie de gaz serait de 70 000 $. Donc le système se financerait en un peu moins de trois ans d’opération.

De plus, certains industriels ayant des récupérateurs d’énergie ont évité l’achat d’une chaudière supplémentaire pour compléter le parc de séchoirs ou simplement réduit leur temps moyen de séchage, ce qui augmente donc proportionnellement la capacité annuelle d’opération.

Encore une fois, les technologies de séchage que je propose sont plus coûteuses d’investissement, mais la qualité et la productivité seront au rendez-vous. Rappelez-vous le dicton d’un de mes clients champions : dans mon entreprise, je n’ai pas les moyens d’acheter « cheap ».