L’ajout de sel sur une route avant une tempête hivernale modifie le moment où la glace se formera. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’énergie ont appliqué ce concept de base pour mettre au point une nouvelle méthode de chauffage et de refroidissement. Cette technique, qu’ils ont baptisée « refroidissement ionocalorique », est décrite dans un article publié le 23 décembre dans la revue Science.
Le refroidissement ionocalorique tire parti de la manière dont l’énergie, ou la chaleur, est stockée ou libérée lorsqu’un matériau change de phase, par exemple lorsqu’il passe de la glace solide à l’eau liquide. La fonte d’un matériau absorbe la chaleur de l’environnement, tandis que sa solidification libère de la chaleur. Le cycle ionocalorique provoque ce changement de phase et de température grâce au flux d’ions (atomes ou molécules chargés électriquement) qui proviennent d’un sel.
Les chercheurs espèrent que cette méthode pourrait un jour permettre un chauffage et un refroidissement efficaces, qui représentent plus de la moitié de l’énergie utilisée dans les foyers, et contribuer à éliminer progressivement les systèmes actuels de « compression de vapeur« , qui utilisent des gaz à fort potentiel de réchauffement planétaire comme réfrigérants. La réfrigération ionocalorique éliminerait le risque de voir ces gaz s’échapper dans l’atmosphère en les remplaçant par des composants solides et liquides.
« Le paysage des réfrigérants est un problème non résolu : personne n’a réussi à mettre au point une solution alternative qui rende les choses froides, fonctionne efficacement, est sûre et ne nuit pas à l’environnement« , a déclaré Drew Lilley, assistant de recherche diplômé au Berkeley Lab et candidat au doctorat à l’UC Berkeley qui a dirigé l’étude. « Nous pensons que le cycle ionocalorique a le potentiel d’atteindre tous ces objectifs s’il est réalisé de manière appropriée.«
Trouver une solution qui remplace les réfrigérants actuels est essentiel pour que les pays atteignent les objectifs en matière de changement climatique, tels que ceux de l’amendement de Kigali (accepté par 145 parties, dont les États-Unis en octobre 2022). Cet accord engage les signataires à réduire la production et la consommation d’hydrofluorocarbures (HFC) d’au moins 80 % au cours des 25 prochaines années. Les HFC sont de puissants gaz à effet de serre que l’on trouve couramment dans les réfrigérateurs et les systèmes de climatisation, et qui peuvent piéger la chaleur des milliers de fois aussi efficacement que le dioxyde de carbone.
Le nouveau cycle ionocalorique s’ajoute à plusieurs autres types de refroidissement « calorique » en cours de développement. Ces techniques utilisent différentes méthodes – notamment le magnétisme, la pression, l’étirement et les champs électriques – pour manipuler des matériaux solides afin qu’ils absorbent ou libèrent de la chaleur. Le refroidissement ionocalorique diffère en utilisant des ions pour provoquer des changements de phase solide-liquide. L’utilisation d’un liquide présente l’avantage supplémentaire de rendre le matériau pompable, ce qui facilite l’entrée et la sortie de la chaleur du système, ce qui n’est pas toujours le cas pour le refroidissement à l’état solide.
Lilley et l’auteur correspondant, Ravi Prasher, chercheur affilié au département des technologies énergétiques du Berkeley Lab et professeur auxiliaire en génie mécanique à l’université de Berkeley, ont exposé la théorie qui sous-tend le cycle ionocalorique. Ils ont calculé qu’il a le potentiel de concurrencer, voire de dépasser, l’efficacité des réfrigérants gazeux présents dans la majorité des systèmes actuels.
Ils ont également démontré la technique de manière expérimentale. Lilley a utilisé un sel composé d’iode et de sodium, ainsi que du carbonate d’éthylène, un solvant organique commun utilisé dans les batteries lithium-ion.
« Il est possible d’avoir des réfrigérants dont le PRG (potentiel de réchauffement planétaire) est non seulement nul, mais aussi négatif« , a déclaré M. Lilley. « L’utilisation d’un matériau comme le carbonate d’éthylène pourrait en fait être neutre en carbone, car il est produit en utilisant du dioxyde de carbone comme intrant. Cela pourrait nous permettre d’utiliser le CO2 issu de la capture du carbone.«
Le passage du courant dans le système déplace les ions, ce qui modifie le point de fusion du matériau. Lorsqu’il fond, le matériau absorbe la chaleur de l’environnement, et lorsque les ions sont retirés et que le matériau se solidifie, il restitue la chaleur. La première expérience a montré un changement de température de 25 degrés Celsius en utilisant moins d’un volt, une élévation de température plus importante que celle démontrée par d’autres technologies caloriques.
« Il y a trois choses que nous essayons d’équilibrer : le PRG du réfrigérant, l’efficacité énergétique et le coût de l’équipement lui-même« , a déclaré Prasher. « Dès le premier essai, nos données semblent très prometteuses sur ces trois aspects. »
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Si les méthodes caloriques sont souvent évoquées sous l’angle de leur pouvoir de refroidissement, les cycles peuvent également être exploités pour des applications telles que le chauffage de l’eau ou le chauffage industriel. L’équipe ionocalorique poursuit ses travaux sur des prototypes afin de déterminer comment la technique pourrait être mise à l’échelle pour supporter de grandes quantités de refroidissement, améliorer la quantité de changement de température que le système peut supporter, et améliorer l’efficacité.
« Nous avons ce tout nouveau cycle et cadre thermodynamique qui rassemble des éléments de différents domaines, et nous avons montré qu’il peut fonctionner« , a déclaré Prasher. « Maintenant, il est temps de procéder à des expériences pour tester différentes combinaisons de matériaux et de techniques afin de relever les défis techniques. »
Lilley et Prasher ont reçu un brevet provisoire pour le cycle de réfrigération ionocalorique, et la technologie est maintenant disponible pour l’octroi de licences en contactant ipo@lbl.gov.
Ce travail a été soutenu par le programme de technologies de construction de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE.
Légende : La photo représente des éléments liés au refroidissement ionocalorique, un cycle de réfrigération récemment développé qui, selon les chercheurs, pourrait aider à éliminer progressivement les réfrigérants qui contribuent au réchauffement de la planète.
Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 16 prix Nobel. Aujourd’hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l’informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l’univers. Des scientifiques du monde entier s’appuient sur les installations du Berkeley Lab pour leurs propres découvertes scientifiques. Le Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l’Université de Californie pour le compte de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie.
L’Office of Science du DOE est le plus important soutien à la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez consulter le site energy.gov/science.
