Réduire la consommation d'énergie grâce aux matériaux à changement de phase

Nouvelles émulsions à base de matériaux à changement de phase comme vecteurs de chaleur

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent un élément important pour une gestion thermique efficace. Ils peuvent être utilisés pour conserver l’énergie. Les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (ISE) se sont associés à des partenaires industriels pour mettre au point des émulsions composées de MCP et d’eau ou de mélanges d’eau et de glycol pour des applications telles que la climatisation à l’intérieur des bâtiments et le refroidissement des machines industrielles. Les nouvelles émulsions de MCP ont une densité de stockage deux fois supérieure à celle de l’eau.

L’eau a prouvé son efficacité en tant que caloporteur, par exemple pour transférer la chaleur d’une chaudière vers un radiateur ou pour maintenir la fraîcheur des plafonds rafraîchissants. Mais un nouveau concurrent fait son apparition : dans le cadre du projet Optimus, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer ISE de Fribourg collaborent avec des partenaires industriels pour développer des émulsions PCM à haute densité de stockage destinées à être utilisées dans les bâtiments et l’industrie, mais aussi dans les systèmes de pompes à chaleur et pour refroidir les batteries des véhicules à moteur.

Les tensioactifs stabilisent les gouttelettes ultrafines de paraffine émulsionnées

Les émulsions PCM sont un mélange de paraffines et d’eau ou de mélanges eau-glycol, qui sont principalement utilisés dans le secteur de la mobilité, où l’ajout de glycol empêche le mélange de geler. Les chercheurs utilisent des paraffines dispersées ou émulsionnées dans l’eau ou dans les mélanges eau-glycol. Les tensioactifs stabilisent les gouttelettes ultrafines de paraffine réparties dans l’eau, ce qui confère au mélange une stabilité thermique et mécanique. Les émulsions utilisent la densité énergétique élevée des paraffines lors de la transition de phase de l’état solide à l’état liquide.

« Comme nous émulsionnons les paraffines dans l’eau, elles peuvent rester liquides quel que soit leur état de phase dans l’émulsion créée et être utilisées comme liquides caloporteurs dans les réseaux de chauffage et de refroidissement, ce qui signifie que les mélanges peuvent être pompés à travers des tuyaux. Pendant le changement de phase, les PCM absorbent ou libèrent de grandes quantités de chaleur même si leur température reste constante », précise Stefan Gschwander, chercheur à l’Institut Fraunhofer ISE. Cela permet aux chercheurs d’obtenir une densité de stockage deux fois supérieure à celle de l’eau, qui est actuellement utilisée comme caloporteur dans les réseaux conventionnels de chauffage et de refroidissement, dans la plage de fusion des PCM, tout en conservant le même volume.

Outre leur densité de stockage élevée, les émulsions PCM présentent également un certain nombre d’autres avantages. Grâce à leur grande capacité de stockage de chaleur, les systèmes qui utilisent des PCM peuvent être conçus pour occuper moins d’espace. Ils offrent une capacité thermique élevée, en particulier lorsque la différence de température est faible.

« L’utilisation des PCM est particulièrement intéressante pour les applications qui ne permettent que des différences de température minimes, telles que le refroidissement des bâtiments ou la climatisation. Les systèmes de climatisation conventionnels qui utilisent l’eau comme caloporteur nécessitent des débits volumétriques élevés et de grands volumes de stockage. C’est là que les PCM excellent vraiment », ajoute M. Gschwander.

PCM personnalisés avec différentes températures de fusion

Dans le cadre du projet, les partenaires développent des émulsions PCM adaptées avec des températures de fusion comprises entre 12 et 18 degrés Celsius, 20 et 28 degrés Celsius et 45 et 50 degrés Celsius pour toutes les applications, de la climatisation des bâtiments aux installations industrielles, en passant par le refroidissement des batteries et les pompes à chaleur. Toutes les émulsions développées ont déjà été soumises à des tests thermomécaniques dans un circuit d’essai hydraulique équipé d’une pompe centrifuge, de diverses vannes, d’un vase d’expansion à membrane et d’un échangeur de chaleur à plaques. Elles peuvent supporter jusqu’à 100 000 cycles.

Les chercheurs ont d’abord développé, caractérisé et testé les émulsions PCM à l’échelle du laboratoire, en utilisant des volumes de production allant jusqu’à cinq litres. Les formules ont ensuite été transposées à l’échelle d’une usine pilote, avec des volumes pouvant atteindre 100 litres.

Il est prévu d’augmenter encore la production des émulsions PCM, pour atteindre un volume d’un mètre cube, en collaboration avec le partenaire industriel H&R Wax & Specialties GmbH. L’objectif est de produire les émulsions en plus grands volumes afin de démontrer leur utilisation dans des réservoirs froids utilisés pour la climatisation intérieure ou le refroidissement des processus. Les émulsions PCM seront initialement fournies pour deux démonstrations. Dans la première, la chaleur résiduelle des salles de serveurs d’un bâtiment judiciaire sera stockée pendant le chauffage actif, puis transférée à l’alimentation en air via l’émulsion, rendant cette énergie thermique disponible pour aider à chauffer le bâtiment.

Dans la deuxième application, il est prévu de refroidir les machines de moulage par injection et de libérer la chaleur stockée aux heures de pointe dans l’air extérieur frais (refroidissement naturel) pendant la nuit. « À l’heure actuelle, nous optimisons nos formules afin d’obtenir une stabilité et une densité de stockage encore plus élevées », poursuit M. Gschwander.

Le projet Optimus : Développement, optimisation et application d’émulsions PCM à haute densité de stockage thermique

Durée : Mai 2021 à avril 2026

Projet financé par : Ministère fédéral allemand de l’Environnement, de l’Action climatique, de la Protection de la nature et de la Sûreté nucléaire