ISH 2019 - Condensation gaz : après le rendement maximum ?

Lorsque les chaudières gaz à condensation tangentent la limite physique théorique du rendement maximal, que peut-on faire pour progresser encore ? Les industriels travaillent d’arrache-pied sur des améliorations intéressantes, mais finalement, presque de détail. D’abord, le rendement théorique maximal est exprimé à puissance nominale (maximale) des chaudières. Il est de 111 % sur PCI et la plupart des chaudières gaz à condensation, individuelles ou collectives, atteignent ou dépassent déjà 109 %. De plus, des équipementiers comme le français Sermeta proposent des solutions pour dépasser les 110 % de rendement. Premier point, les constructeurs, poussés par la directive européenne ecoConception améliorent le rendement de leurs chaudières à charge partielle.

La limite théorique du rendement est presque atteinte

Lorsqu’on fait le tour des allées du hall 12  au salon ISH, les chaudiéristes montrent tous d’exceptionnelles machines. Chez Weishaupt, le rendement nominal des nouvelles chaudières à condensation atteint 109 %. La chaudière compacte Logamax plus GB172iT de Buderus (groupe Bosch) pousse à 109,3 %. Les chaudières Vaillant murales sont au même niveau, tout comme les Viessmann, ainsi que la plupart des marques italiennes. Bref, en Europe, il n’existe plus de chaudières à condensation médiocres. La prochaine génération sera encore plus performante. En effet, l’équipementier français Sermeta montre à ISH 2019 des ensembles corps de chauffe en acier inoxydable et brûleur BlueJet qui dépassent 110 % et atteignent 110,4 % en production d’ECS avec de l’eau froide à 10/15 °C.

La nouvelle chaudière Vitodens 333-F de viessmann module sa puissance de 1,9 à 32 kW, émet moins de 20 mgNOx/kWh, atteint 109% de rendement PCI et 98% de rendement Etas saisonnier.

Condenser en production d’ECS

Deuxième point, la gamme des échangeurs Inox NHEXT de Sermeta, disponible jusqu’à 2 000 kW, utilise en effet des tubes d’eau et non des tubes de fumée. Le volume d’eau de ces corps de chauffe est donc fortement réduit. Ce qui leur ouvre la possibilité d’une production d’ECS instantanée en grand débit, moins consommatrice d’énergie puisque l’on évite les pertes du ballon de stockage. D’autre part, troisième point, ils modulent leur puissance dans une plage étendue et conservent leur rendement élevé sur toute leur plage de modulation. Avec un corps de chauffe NHEXT, pour une loi d’eau de 80/60 °C (départ d’eau à 80 °C/retour à 60 °C) et à 50 % de charge, la température de fumées n’est que de 61 °C, soit pratiquement égale à la température de retour d’eau. Toujours à 50 % de charge, pour un régime de 50/30 °C adapté à des ventiloconvecteurs, à des plafonds ou à des planchers chauffants, les fumées sont à 34 °C. Il ne reste plus grand-chose à récupérer. La version des échangeurs ISOTankless de Sermeta, conçus pour la production d’ECS instantanée, dans des chauffe-bains gaz par exemple, est capable de moduler les débits d’ECS de 0,3 à 13 ou 16 l/minute, en condensant toujours et sans risque de brûlure à petit débit. Le constructeur de chaudières Vergne Innovation utilise cette technologie, plus une vanne gaz de son invention, pour de la modulation de puissance de 0,8 à 28 kW.

Le nouveau brûleur MatriX Plus de Viessmann permet de réduire les émissions de NOx à des niveaux très bas et d’augmenter la plage de modulation de puissance en empêchant le décollement des flammes même de très petite taille.

Optimiser la performance à charge partielle

Donc, les rendements sont très proches du maximum théorique. Les chaudières modulent leur puissance et, pour l’essentiel, conservent leur rendement sur toute la plage de modulation de puissance. Elles condensent en produisant de l’eau chaude sanitaire. Que faire pour progresser encore ? A travers la directive ecoDesign, l’Europe – dont on ne saurait trop se féliciter des interventions en matière d’efficacité énergétiques des bâtiments et des équipements utilisant de l’énergie – pose plusieurs types d’exigences et un calendrier d’amélioration de ces exigences jusqu’en 2030. Elle demande des améliorations de rendement à charge partielle, considérant à juste titre qu’une chaudière fonctionne rarement à puissance maximale, mais le plus souvent à une fraction de sa puissance nominale. Cet aspect est pris en compte par la modulation de puissance, la conservation du rendement quelle que soit la charge et l’abandon de la veilleuse permanente. Lorsque l’on considère les nouvelles chaudières à condensation exposées à ISH, il est acquis. Par exemple, les nouvelles murales gaz à condensation Viessmann Vitodens 300-W et 333-F modulent leur puissance de 1,9  à 32 kW et atteignent un rendement saisonnier de 98 %. Ce rendement saisonnier est calculé différemment du rendement sur PCI. Son maximum est de 100 % et il sert notamment à comparer différentes technologies entre elles : des pompes à chaleur et des chaudières, par exemple. La directive demande aussi une réduction du bruit de fonctionnement des générateurs. Les constructeurs ont adopté des technologies d’allumage progressif pour minimiser les bruits au démarrage. Ils choisissent aussi des ventilateurs moins bruyants.

La capacité en eau du corps de chauffe de la nouvelle chaudière Viessmann Vitodens atteint seulement 5 litres : faibles pertes à l’arrêt et absence d’inertie.

Améliorer la qualité des produits de combustion

La directive ecoDesign pose également un calendrier d’amélioration de l’hygiène de combustion des chaudières, de manière à réduire les émissions de NOx. Depuis le 26  septembre dernier, la directive ecoDesign limite les émissions de NOx à 56  mg/kWh PCS (Pouvoir calorifique supérieur) pour le gaz et à 120 mg/kWh pour le fioul. La plupart des chaudières à condensation ne dépassent plus 40 mg/kWh. Les Viessmann Vitodens 300-W et 333-F, équipées du tout nouveau brûleur radiant MatriX Plus sont proches de 20 mg/kWh. Pour contrôler la qualité de combustion, les fabricants montent des sondes d’oxygène au départ de la buse de fumées pour mesurer l’excès d’air et s’efforcent de réduire les températures de flammes. Plus la flamme brûle à une température élevée, plus la combustion produit de NOx. Quant à la teneur des produits de combustion en oxygène, elle doit être maintenue dans une plage de fonctionnement définie pour chaque chaudière. Un déficit d’oxygène indique une combustion incomplète, susceptible d’émettre plus de polluants. Trop d’oxygène pointe une bonne hygiène de combustion, mais une baisse de rendement plus qu’il a fallu chauffer trop d’air par rapport au volume de combustible.

Tous les constructeurs rendent leurs chaudières connectables. La connexion remonte un grand nombre de données vers la Cloud de chaque marque où de puissants algorithmes les analysent. Ce qui permet de détecter très tôt toute dérive de rendement et d’intervenir en maintenance préventive pour garantir un maintien dans le temps des hauts niveaux de rendement annuel visés par ces nouveaux générateurs.

Associer des ENR

Donc nos chaudières gaz à condensation sont proches de leur rendement maximum théorique, modulent leur puissance, conservent leur rendement sur toute leur plage de modulation, polluent beaucoup moins et sont nettement moins bruyantes. De plus, comme il ne reste pratiquement plus que des chaudières étanches – à ventouse – leurs corps de chauffe sont thermiquement bien isolés pour réduire les pertes à l’arrêt. Que faire pour progresser encore en rendement ? La directive ecoDesign ne s’arrête pas à ses exigences 2018. Son calendrier, différent selon les groupes de produits, court jusqu’en 2030, pour l’instant. Les exigences sont périodiquement revues pour tenir compte des progrès techniques. Il faut donc s’attendre à ce que l’Europe augmente la performance minimale des générateurs, sans que l’on sache dans quelle mesure pour l’instant. Pour autant, les constructeurs s’y préparent et les premières pistes d’amélioration des chaudières sont déjà perceptibles à ISH. Pour l’essentiel, elles portent sur la production d’eau chaude. Nous observons le grand retour de l’appoint solaire thermique, un développement des solutions hybrides chaudière + pompe à chaleur, une forte croissance de l’appoint par photovoltaïque dans le cas des solutions hybrides. Ces appoints par ENR sont présentés de deux manières : soit un stockage d’ECS chauffé en priorité par les ENR, la chaudière apportant le complément dans le haut du ballon pour atteindre la température de puisage souhaitée. Soit une alimentation de la production d’eau chaude instantanée des chaudières par de l’eau non pas froide, mais préchauffée par les ENR.

Les corps de chauffe NHEXT de l’équipementier français Sermeta, disponibles jusqu’à 2000 kW, permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 109% sur PCI, de moduler la puissance dans des proportions très importantes, tout en conservant un rendement élevé sur toute la plage de modulation.

Peu de technologies d’avenir sont en développement

Ce qu’on ne voit plus du tout, en revanche, ce sont plusieurs technologies à base de combustion qui permettaient de dépasser le rendement de la condensation. Les chaudières à microcogénération par moteur Stirling ont complètement disparu, par exemple. Cette aventure à laquelle les principaux chaudiéristes européens participaient en cofinançant une usine de production des moteurs Stirling, a capoté par défaut de fiabilité des machines produites et s’est soldée par des pertes financières importantes. Deuxièmement, le développement annoncé des pompes à chaleur à absorption avec brûleur gaz, très favorablement évaluées par la directive ecoDesign, n’a pas eu lieu. Buderus a abandonné le développement de la sienne, tout comme Vaillant. Sagement, Viessmann avait évité de s’y lancer. Les chaudières avec appoint par stockage de chaleur dans des zéolites ont aussi complètement disparu. Seul l’italien Robur poursuit l’aventure de la pompe à chaleur gaz à absorption, avec des machines, qui pour l’essentiel ont peu évolué depuis les années 1960. Les piles à combustible, toujours soutenues par Viessmann, ont été abandonnées par tous les autres. Sauf le groupe Bosch, qui en remontre une chez Buderus et Remeha, du groupe BDR Thermea, qui fait semblant de s’y intéresser à nouveau après avoir liquidé sa filiale European Fuel Cells de Hambourg, il y a quelques années. Les solutions Buderus et Remeha sont des produits japonais. Pour améliorer le rendement, il semble bien que l’avenir des chaudières se trouve dans les ENR et dans les systèmes hybrides. Nous verrons dans deux ans à ISH 2021, si ce diagnostic se confirme.

Sermeta a produit en Bretagne plus de 2,2 millions de corps de chauffe de chaudières à condensation en 2018.

Et après la condensation ? La pile à combustible, soutenue de manière indéfectible par Viessmann, effectue un très timide retour chez Buderus, marque du groupe Bosch.

Igor Lacsap