Le procédé CoolWood®
CoolWood® est un procédé novateur qui consiste à conserver les bois ronds (grumes, billons) ou semi-transformés (sciages, placages, merrains...) dans des cellules dont l'atmosphère est maintenue à basse température, voire à hygrométrie élevée.
Le procédé conserve toute sa pertinence dans un contexte de renchérissement des énergies, notamment car il est frugal en énergie, parce qu'il peut être alimenté grâce au combustible bois et aussi (surtout ?) parce qu'il permet d'économiser des ressources en eau par rapport à l'aspersion (le procédé CoolWood® a été labellisé par le Pôle de Compétitivité HYDREOS qui travaille sur les thématiques liées à l'eau).
D'abord, un peu d'histoire...
L'idée de stocker des bois à basse température a émergé suite aux tempêtes qui ont balayé la France en 1999 puis en 2009, elle s’appuie sur le constat (issu de travaux comme le projet européen STODAFOR) que les techniques actuelles de stockage ne sont pas satisfaisantes et qu'encore aujourd'hui il reste difficile de maintenir la qualité des bois ronds dans le temps.
Autour de ce projet, un consortium de partenaires publics et privés s'est progressivement rassemblé pour mener un travail collectif afin de proposer que des recherches soient menées concernant l'effet des températures sur la conservation des bois.
En 2011, les premiers travaux de ce consortium (recherche bibliographique, étude d'antériorité) ont montré que l'effet de la température sur la conservation des bois, même s'il était déjà reconnu, n'avait jusque-là encore jamais été exploré de manière sérieuse et scientifique et que sa mise en œuvre technologique n’avait pas fait l’objet d’études connues. La même année, le procédé a fait l’objet d’un dépôt de brevet à l’INPI (propriété de la société Biomasse Conseil).
En mars 2012, ce travail collectif s'est traduit par une proposition de recherche à l'ANR (Agence Nationale de la Recherche), qui a retenu le projet pour le financer dans le cadre du dispositif national MATETPRO (programme de l'ANR : "Matériaux et Procédés pour des Produits Performants").
En 2013, le projet CoolWood® a été labellisé par le Pôle de Compétitivité Hydreos, qui travaille sur les thématiques liées à l'eau.
D'avril 2013 à octobre 2017 le procédé a ainsi fait l’objet d’un développement industriel au travers d’un programme de recherche financé par l’ANR, la Région Lorraine ainsi que les huit partenaires techniques publics et privés (budget : 1 360 000 €). Les résultats scientifiques ont bien montré une préservation des bois améliorée avec le procédé CoolWood®, par rapport à la méthode d'aspersion.
Programme de recherche industrielle (2013 - 2017)
Le programme de recherche CoolWood®, mené sur la période 2013 - 2017, a eu pour but la mise au point industrielle d'un procédé innovant de maintien de la qualité des bois par maîtrise de la température et de l'humidité du stockage.
Il a ainsi permis de créer des modèles industriels optimisés de stockage des bois adaptés aux différentes applications de notre procédé : régulation des marchés et spéculation financière, maintien de la qualité des bois sur les parcs à grumes et à débits, stocks massifs de bois qu'il est nécessaire d'exploiter (chablis...).
Les résultats des travaux ont montré que :
- Le procédé CoolWood® est scientifiquement valide aux échelles étudiées (micro-échantillons + billons)
- Le procédé permet de maintenir une qualité des bois meilleure que les autres méthodes
- Les marchés économiques d'application du procédé sont concrets et de grande ampleur
- Les besoins en énergie du procédé sont faibles et ses besoins en eau sont quasiment nuls
- Le coût de mise en œuvre du procédé est plus élevé que celui du procédé d'aspersion
Partenaires du programme
Partenaires financiers
L'ANR (Agence Nationale de la Recherche) est une agence de moyens créée en 2005, qui finance la recherche publique et la recherche partenariale en France. Elle finance directement les équipes de recherche publiques et privées, sous forme de contrats de recherche à durée déterminée.
Avec la fusion des régions, la Région Lorraine a été remplacée par la Région Grand Est. Depuis 2020 et la parution du BAGE (Business Act Grand Est), le stockage des bois est devenu une priorité régionale : la Région prévoit en effet de déployer des aires de stockage des bois à hauteur de 500 000 m3.
Partenaires techniques
Le programme de recherche CoolWood® a rassemblé 8 partenaires techniques (le consortium de recherche). La description des partenaires ci-après correspond à la situation durant le programme (2013 - 2017), les informations les concernant ont pu évoluer depuis.
Biomasse Conseil, coordinatrice du programme, est un bureau d'études qui vise à contribuer au développement des filières vertes et des filières de la biomasse sous toutes leurs formes, en particulier le bois énergie. Luc EVRARD, Gérant de Biomasse Conseil, est l’inventeur du procédé CoolWood®. Gestionnaire de forêts et ingénieur "bois", il a notamment travaillé pour les communes forestières de France.
La Coopérative Forestière F&BE (Forêts et Bois de l'Est) est une coopérative forestière qui gère 75 000 ha de forêts privées sur le Grand Est de la France pour le compte de 6 000 propriétaires forestiers adhérents. Elle assure la commercialisation de 440 000 m3 de bois par an sur l’ensemble des segments de marché du bois, emploie 35 techniciens et 7 ingénieurs forestiers.
Inddigo est une société de conseil et d’ingénierie indépendante intervenant de longue date dans le domaine du bois énergie et des bâtiments performants en France. Elle possède des compétences dans la conception et le dimensionnement d’installations de production thermique à partir de biomasse et elle dispose de compétences propres dans le domaine de la performance énergétique des bâtiments ainsi que dans la modélisation de ces performances.
La SFCDC (Société Forestière de la Caisse des Dépôts et Consignations), premier gestionnaire de forêts privées en France, gère les actifs forestiers de la majorité des banques et assurances françaises et d’un nombre croissant de particuliers et de sociétés. Intervenant sur 270 000 ha, elle réunit les compétences de 150 spécialistes. La Société Forestière est engagée dans les grands enjeux de la forêt de demain : gestion forestière durable, sylvicultures adaptées au changement climatique, nouveaux modes de mise en marché des bois...
Le laboratoire LEMTA (Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée) est une Unité Mixte de Recherche de l’Université de Lorraine et du CNRS qui concentre ses recherches autour de la Mécanique et de l’Energie et compte parmi les 5 laboratoires de la Fédération Jacques Villermaux pour la Mécanique, l’Energie et les Procédés.
Le laboratoire LERFOB (Laboratoire d'Etude des Ressources Forêt / Bois), devenu depuis l'UMR SYLVA est une Unité Mixte de Recherche de l’INRA et de AGROPARISTECH qui cherche à développer des compétences interdisciplinaires en écologie, dynamique, croissance et production des peuplements forestiers, sciences du matériau bois, avec une forte pratique de modélisation.
Le laboratoire LERMAB (Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur le Matériau Bois) est un laboratoire pluridisciplinaire. Il développe des recherches fondamentales et appliquées en relation avec le bois et les fibres naturelles et ses recherches menées ont pour but de développer l’utilisation de la ressource lignocellulosique en tant que matériau, mais aussi en tant que source de matières premières pour des applications dans les domaines de la chimie et de l’énergie.
Le laboratoire LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) est une unité propre du CNRS (UPR 3349), située à Nancy, qui compte près de 200 personnes. Ce laboratoire a pour vocation de contribuer à l’élaboration de procédés pour l’industrie chimique et depuis quelques années, ces chercheurs ont développé une expertise dans la quantification de l’impact environnemental des procédés par l’analyse du cycle de vie et l’analyse exergétique.
Travaux menés et résultats principaux
Le programme était structuré en quatre grandes tâches :
- Tâche n°1. Validation du procédé et modélisation
- Tâche n°2. Conception et modélisation du procédé industriel
- Tâche n°3. Optimisation du procédé industriel et évaluation comparative
- Tâche n°4. Valorisation des résultats de recherche
Tâche n°1. Validation du procédé et modélisation
Objectifs de la tâche :
- Confirmer expérimentalement la validité du procédé
- Modéliser les cinétiques de transfert d'eau et de chaleur dans les bois
Cette tâche a permis de valider le procédé sur le plan scientifique et à plusieurs échelles : tout d'abord en laboratoire, sur des micro-échantillons (avec injection de champignons lignivores), puis à l'échelle préindustrielle, sur des billons (avec stocks témoins sous aspersion et sans mesure de protection, périodes de dix mois à un an). Elle a notamment abouti à une définition précise des conditions optimales à maintenir dans les enceintes de stockage (cahier des charges).
Le résultat ci-dessous, issu des travaux du LERMAB, illustre bien l'efficacité des basses températures pour inhiber le développement des champignons.
Tâche n°2. Conception et modélisation du procédé industriel
Objectifs de la tâche :
- Identifier les situations pertinentes de stockage des bois au sein de la chaîne de valeur des bois (en particulier par rapport à l’intérêt économique)
- Définir un ou des modèles probatoires de systèmes industriels de stockage des bois
- Modéliser le procédé et son fonctionnement suivant les applications définies
Cette tâche a permis de faire un état des lieux des techniques existantes de stockage des bois et d'évaluer leurs marchés effectifs et potentiels.
Cette tâche a aussi permis de définir quatre applications bien précises pour le procédé et les modèles industriels correspondants, qui ont été conçus pour répondre aux quatre grandes motivations à stocker que nous avons identifiées :
- Réguler les flux commerciaux
- Maintenir la qualité des bois ronds sur les parcs à grumes
- Maintenir la qualité des sciages sur les parcs à débits
- Gérer les crises liées aux risques naturels
La définition des modèles industriels a fait l’objet d’un dimensionnement des installations (dispositifs de refroidissement et de soufflage d’air), effectué entre autres grâce à des simulations CFD (Computational Fluid Dynamics).
Enfin, le fonctionnement des modèles industriels a été simulé techniquement et économiquement.
Tâche n°3. Optimisation du procédé industriel et évaluation comparative
Objectifs de la tâche :
- Réaliser l’ACV et l'analyse exergétique de la technique d’aspersion
- Réaliser l’ACV et l'analyse exergétique du procédé CoolWood®
- Comparer les résultats obtenus pour les deux méthodes
Les travaux, dirigés par le LRGP, ont consisté à réaliser l'ACV (Analyse de Cycle de Vie) ainsi que l'analyse exergétique de notre procédé et du procédé d'aspersion, afin de comparer et évaluer leurs performances environnementales respectives.
La comparaison des deux procédés de stockage des grumes (CoolWood® et aspersion) indique que le procédé Coolwood® est beaucoup moins impactant sur l’eutrophisation et la consommation d’eau mais que ses besoins en énergie, liés au maintien de la température, génèrent des impacts environnementaux (GES, ressources fossiles...). Sans ses besoins en énergie, le procédé Coolwood® serait moins impactant que l’aspersion sur l’ensemble des impacts et la nature de l'énergie utilisée compte donc pour beaucoup dans le bilan global.
Tâche n°4. Valorisation des résultats de recherche
Objectifs de la tâche :
- Valorisation académique des résultats du programme de recherche
- Valorisation industrielle avec la définition du pilote industriel (cahier des charges)
Un des objectifs du programme de recherche était d'améliorer la connaissance des phénomènes de dégradation et de séchage des bois à basse température. Les travaux du programme et leurs résultats ont ainsi fait l’objet de plusieurs publications scientifiques de la part des laboratoires partenaires. Il a aussi fait l'objet d'un dossier dans le magazine "Le Bois International" (n°22, juin 2017).
Cette tâche a aussi permis aux partenaires du projet de préparer la mise en œuvre d'un pilote industriel (réalisation du cahier des charges de mise en œuvre et estimation des coûts), prévu pour être créé à la suite du programme de recherche.
Et maintenant, un peu de technique...
Le procédé CoolWood®
Le procédé « CoolWood® » consiste en une nouvelle technique de maintien de la qualité des bois.
Avec le procédé « CoolWood® », les grumes et billons sont stockés dans une enceinte maintenue à basse température pour bloquer l’action des agents biologiques dégradateurs (bactéries, champignons) et, éventuellement, à un degré d’hygrométrie élevé pour ralentir le séchage des bois et éviter leur déformation.
Avant que notre consortium de partenaires ne mène le programme ANR (2013 - 2017), l'effet de la température sur la dégradation des bois était déjà reconnu empiriquement mais il n'avait jamais l'objet de recherches scientifiques ni d'études d'ingénierie précises.
De ce point de vue la technologie « CoolWood® » constitue une innovation de rupture.
Schéma de procédé CoolWood®
Avantages du procédé CoolWood®
Les industriels ont besoin de pouvoir compter sur des process fiables et performants, sur le plan technique et sur le plan économique mais aussi sur le plan environnemental. C'est donc de leur point de vue que nous avons analysé les avantages du procédé CoolWood® par rapport aux autres méthodes de stockage et en particulier par rapport à la technique d'aspersion.
Maintien de la qualité des bois
La dégradation des bois est causée par les agents dégradateurs biologiques : bactéries, champignons, insectes. Elle se traduit par une perte des propriétés mécaniques et esthétiques du matériau et on cherche donc toujours à l'éviter.
Les tests que nous avons menés dans le cadre du programme de recherche ANR 2013 - 2017 (tâche 1) ont montré, à l'échelle d'échantillons comme à l'échelle préindustrielle, que le procédé CoolWood® permet une meilleure préservation des bois que les autres méthodes et qu'il est efficace quelles que soient les souches de champignons testées.
L'aspersion, de son côté, ne permet pas toujours d'empêcher le développement des bactéries ou des champignons. Par exemple on a pu observer des développements d'armillaire (champignon responsable d’un pourridié) sur des rondins de pins maritimes stockés sous aspersion après la tempête Klaus de 2009 dans le massif des Landes (voir cette page incluant des photos : "filaments d'armillaire sur pins maritime après 3 ans de stockage" et "marque laissée dans le bois par l'Armillaire" - Source : BOUTARIES, 2012).
Il est important de noter que le procédé CoolWood® préserve totalement les extractibles contenus dans les bois, qui leur confèrent leurs propriétés de durabilité naturelle vis-à-vis des champignons et des insectes mais aussi leur couleur ou encore - plus étonnant - leurs goût et leurs propriétés acoustiques, tandis que la conservation par voie humide délave les bois de leurs sèves, sucs, tanins, gommes et autres extractibles.
Energie
Energie de process
Le procédé CoolWood® consiste à refroidir l'atmosphère dans une enceinte de stockage, il nécessite donc de l'énergie là où l'aspersion demande plutôt de l'eau.
Les travaux menés dans le cadre du programme ANR ont montré que les besoins énergétiques du procédé CoolWood® sont limités : entre 25 et 40 kW de puissance maximale appelée pour 1 000 m3 de bois stockés (l’équivalent du chauffage de une à deux maisons individuelles). Toutes les sources d’énergie peuvent convenir pour satisfaire ces besoins : gaz, fioul, énergie solaire, biomasse mais depuis le début de notre projet nous souhaitons voir le procédé alimenté par des chaudières biomasse :
- Il y a une vraie "intelligence globale" à utiliser les sous-produits de la filière bois pour alimenter le procédé en énergie
- L'usage d'une énergie renouvelable permet d’atténuer ses impacts énergétiques (qui sont modérés, comme nous l'avons vu)
- Le procédé CoolWood® peut contribuer à optimiser l’usage des chaudières biomasse (besoins en saison chaude)
Les calculs montrent que l'énergie contenue dans les produits connexes issus du sciage de 100 m3 de grumes permet de stocker de l'ordre de 2 000 à 3 000 m3 de grumes !
Energie de séchage des débits
L'aspersion des bois augmente la durée de séchage des sciages. Le CTBA et l'AFOCEL nous précisent que l’allongement du temps de séchage entre les bois conservés sous aspersion et ceux fraîchement exploités fluctue suivant la période d’analyse : à l’automne l’allongement de la durée des cycles de séchage est d’environ 20 % ; en hiver cet écart monte jusque 50 % puis il redescend à 40 % au printemps (voir le document complet : Revue Forestière Française LVIII, 2006).
Capacité de stockage
Avec le procédé CoolWood®, la capacité de stockage n'est pas limitée par la nature des sites d'installation (nature du sol, bassin à proximité...) ni par les les intrants (eau, énergie, matériaux de recouvrement...) mais seulement par la capacité des enceintes et les moyens de production d'énergie et de froid.
On peut donc, suivant les besoins, stocker de quelques m3 jusqu'à plusieurs centaines de milliers de m3 et une modularité est possible, soit par la compartimentation de "grandes" cellules de stockage unitaires, soit par l'addition de "petites" cellules de capacité standard.
Flexibilité, adaptabilité, polyvalence
Le procédé CoolWood® permet de stocker des bois ronds (grumes et billons) et des sciages, là où l'aspersion ne permet de conserver que des bois ronds.
Sur le plan des installations industrielles, les matériels nécessaires pour créer des installations CoolWood® peuvent déjà être trouvés sur le marché car notre procédé consiste en un assemblage innovant de technologies existantes : chaudières, groupes de froid, enceintes... Cela a pour conséquences, d'une part que les autorisations (ICPE et autres) correspondent à des situations déjà connues, d'autre part que les technologies utilisées sont disponibles, largement éprouvées et que l'on dispose d'un savoir-faire important sur leur mise en œuvre.
Sur le plan des autorisations administratives, pour la conservation par aspersion elles peuvent être difficiles voire impossibles à obtenir, à cause des prélèvements en eau, à cause de la nature du terrain ou bien encore à cause du traitement et du rejet des eaux usées. Souvenons nous que depuis 2000, du fait de l'urgence due aux tempêtes, des dérogations ont été accordées aux industriels afin de ne pas freiner l’implantation des sites de stockage, et que sans ce caractère exceptionnel l'implantation d'une partie des sites n'aurait pas été possible. Il faut noter que l'aspersion demande de prélever de grandes quantités d'eau dans les périodes où elle est le moins disponible (saison chaude), c'est d'ailleurs la raison pour laquelle le Pôle de Compétitivité Hydreos a labellisé notre projet en 2014.
Pertinence en commercialisation
Pouvoir examiner et évaluer les bois durant leur stockage se révèle extrêmement important si l'on veut commercialiser des bois après leur mise en stock. Par exemple, après la tempête de 1999 l'ONF avait expérimenté le stockage sous bâche hermétique et avait dû pré-vendre les bois avant leur mise en stock car par la suite ils n'étaient plus du tout visibles à moins d'ouvrir les bâches et de modifier l'atmosphère dans l'enceinte.
Avec la technique d'aspersion les bois peuvent être examinés durant leur stockage mais, quelles que soient les essences, l'aspect extérieur des grumes apparaît comme très dégradé : les bois sont fortement noircis et de l'herbe, voire parfois des arbres, peuvent venir se développer sur les tas de grumes arrosés.
Avec le procédé CoolWood® en revanche les bois ne changent pas d’aspect, ils peuvent donc être examinés aisément et avec un niveau de précision élevé pendant toute la durée de leur stockage.
Imprégnation des bois
Avec des bois arrosés, dans le cas d'une imprégnation par trempage les produits de préservation pénètrent plus facilement et rendent le traitement plus efficace. Mais en contrepartie la consommation de produits de traitement serait plus élevée d'environ 25 % d'après certains industriels.
Dans le cas d'une imprégnation en autoclave (procédés vide et pression), le fait d'extraire une quantité d'eau importante à l'intérieur du bois avant de pouvoir l'imprégner avec un produit de traitement entraînerait un allongement de la durée du cycle de l'ordre de 50 % (3 heures au lieu de 2 heures).
Surveillance et maintenance des installations
L'aspersion demande un suivi attentif et permanent car un mauvais arrosage des bois peut entraîner rapidement des conséquences catastrophiques. En effet, avec cette technique on cherche à garder les bois au dessus d'un taux d'humidité de 100 % et alors les risques d’attaques d’insectes ou de champignons sont considérablement limités, mais si l'humidité des bois descend en dessous de ce seuil le remède s'avère pire que le mal puisqu'on crée involontairement les conditions idéales de développement des agents dégradateurs.
Citons ici la Revue Forestière XXXIX de 1987 : "De l'avis de tous les promoteurs de dépôts de conservation de grumes, la surveillance et la maintenance des ensembles d'aspersion posent les principaux problèmes. En effet, la variation de direction des vents, la présence d'impuretés dans l'eau qui bouchent les buses des arroseurs, le colmatage des filtres en amont des pompes qui diminue le débit des pompes, les dégradations ainsi que les vols de matériel sont autant d'éléments qui imposent une surveillance attentive et régulière des dépôts".
A contrario, exploiter une unité de stockage des bois CoolWood® revient à exploiter une installation frigorifique dont l'inertie thermique, liée à l'isolation des enceintes et au fait que la masse des bois stockés emmagasine du froid, permet un temps de réaction plus important.
Intégration logistique et sécurité des personnels
Avec la technique d'aspersion, les bois sont alourdis : ils pèsent environ 150 % du poids des bois frais. Par ailleurs, ils sont rendus glissants car gorgés d'eau et se révèlent donc plus difficiles à manipuler que des bois "secs" ; leur manipulation peut se révéler dangereuse et demande de prendre des précautions.
Avec le procédé CoolWood®, les bois restent quasiment identiques à des bois frais, que ce soit sur le plan de l'humidité ou du poids des grumes.
Coût de mise en œuvre du procédé CoolWood®
A ce jour, le coût du procédé CoolWood® reste encore élevé par rapport à celui de l’aspersion, il est donc à réserver en priorité aux bois qui ont la plus forte valeur économique : essences précieuses et semi-précieuses, qualités de produits élevées, produits semi-transformés...
Pour chaque projet de stockage, l'estimation du coût de mise en œuvre du procédé CoolWood® doit faire l'objet d'une étude précise prenant en compte l'activité du maître d'ouvrage dans son contexte technique et commercial ainsi que ses motivations.
Pour plus de détails sur les éléments qui constituent une étude de faisabilité du stockage, voir "Nos études de faisabilité".
