Cinq effets pour du froid plus vert

Thermoacoustique

Un générateur thermoacoustique est constitué d’une structure poreuse – un empilement de films fins en céramique – disposée dans un résonateur contenant un gaz confiné. Un haut-parleur crée des ondes sonores stationnaires entraînant la compression et la détente du gaz et produisant un gradient de température le long de l’empilement. La chaleur ou le froid sont extraits à l’aide d’échangeurs. L’intérêt de ces systèmes ? Ils n’utilisent pas de fluide frigorigène, peuvent produire du froid ou du chaud et n’ont aucune pièce d’usure. Ils reposent sur le cycle thermodynamique de Stirling. Les premiers prototypes ont été réalisés dans les années 1980.

Aujourd’hui, quelques entreprises aux Pays-Bas et en France s’y intéressent. Le hollandais BlueHeart Energy a conçu un prototype d’une capacité de 3 kW. D’ici à 2024, il vise la commercialisation d’un système de 6 kW destiné à être intégré dans une pompe à chaleur (PAC) pour le résidentiel. Le français Equium annonce une pré-industrialisation d’un système similaire début 2024, avec une mise sur le marché au second semestre. « Nous n’avons plus de verrous scientifiques, indique Cédric François, son directeur général. Notre PAC thermoacoustique est facile à installer, avec une durée de vie de plus de trente ans et une consommation électrique réduite de 20 % par rapport à une PAC classique grâce à la possibilité de moduler la puissance. » Côté académique, un pôle de recherche est constitué au Mans (CTTM et Laum). Le Limsi et l’Institut Pprime de l’université de Poitiers travaillent aussi sur le sujet.

Électrocalorique

Les systèmes électrocaloriques reposent sur le couplage entre la polarisation d’un matériau diélectrique et un champ électrique. Quand le matériau est isolé thermiquement, l’imposition (ou l’annulation) d’un champ électrique aligne (ou désaligne) les dipôles, ce qui réduit (ou augmente) l’entropie et, vu qu’il n’y a pas d’échange de chaleur, augmente (ou réduit) la température du matériau. Un cycle thermodynamique utilisant ces deux étapes plus la mise en contact à champ constant avec les sources chaude et froide permet le refroidissement de la source froide. Les premiers prototypes à température ambiante remontent aux années 1990. Des systèmes à base de céramiques ou de polymères en couches minces ont atteint un écart de température entre sources froide et chaude de 6,6 K.

Un niveau doublé en 2020, avec un condensateur multicouche plomb-scandium-tantale. « Ce système a un volume important de matériau actif, qui rendrait théoriquement possible un passage à l’échelle pour des applications comme les réfrigérateurs domestiques », analyse Gaël Sebald, professeur à l’Insa Lyon. L’électrocalorique permet de couvrir de nombreuses gammes de température, selon les matériaux employés. Les propriétés intrinsèques des systèmes de réfrigération électrocaloriques « sont prometteuses, avec des pertes diélectriques faibles et un rendement théorique intéressant. » Mais « de nombreux verrous existent : fatigue du matériau actif, rendement, coût élevé des matériaux… Des applications à très petite échelle pourront être visées dans un premier temps, comme celles assurées par l’effet Peltier ou le refroidissement des puces électroniques. »

Magnétocalorique

Les systèmes magnétocaloriques (MC) sont semblables aux électrocaloriques et utilisent le couplage entre les moments magnétiques d’un matériau paramagnétique et un champ magnétique. L’effet calorique est maximum quand le matériau est proche de la transition paramagnétique-ferromagnétique, donc proche de sa température de Curie. Le premier prototype de réfrigérateur à température ambiante a été mis au point en 1976. Ces systèmes – sans GES mais utilisant parfois des terres rares – pourraient trouver des applications dans la climatisation, la réfrigération, le froid industriel et les pompes à chaleur.

Près de 100 prototypes sont répertoriés. Il existe deux prototypes commerciaux de cave à vin. « Grâce aux techniques d’impression 4D et à l’optimisation des écoulements des fluides caloporteurs, les échanges thermiques peuvent être fortement améliorés à moindre coût, commente Thierry de Larochelambert, chercheur associé à l’Institut Femto-ST. J’ai bon espoir d’une industrialisation d’ici à cinq ans. » En 2021, la société Magnoric finalisait son prototype de conversion.

Barocalorique 

Comme l’électrocalorique, l’effet barocalorique se fonde sur la modification du degré d’ordre (donc d’entropie) d’un matériau solide sous l’influence d’un facteur externe, ici la pression. Sa particularité : être présent dans un grand nombre de matériaux, contrairement aux autres effets caloriques. Il a déjà été observé dans les conducteurs super-ioniques ou le caoutchouc naturel. Il n’existe pas de prototype de démonstrateur de refroidissement barocalorique à ce jour, et les publications scientifiques sont peu nombreuses : sur la plateforme ScienceDirect, le terme « barocaloric » renvoie à moins de 10 publications par an jusqu’en 2013, puis jusqu’à 55.

En 2019 dans « Nature », une équipe de recherche internationale a mis en évidence un effet important dans des cristaux plastiques, une classe de matériaux à la structure désordonnée. Ils mesurent un changement d’entropie de 389 J/kg/K à température ambiante, et en caractérisent les mécanismes microscopiques. Les rendements des systèmes barocaloriques sont en théorie élevés, et ils n’utilisent pas de fluides frigorigènes synthétiques.

Sorption solide-gaz

Les machines à sorption exploitent les réactions thermochimiques. Un système à sorption solide-gaz comprend un cylindre renfermant le réactif solide et un évaporateur contenant le réfrigérant liquide. Leur mise en contact provoque l’adsorption du liquide, générant du froid. Le système nécessite d’être régénéré : un apport de chaleur (électrique, solaire, chaleur fatale) condense le réfrigérant pour sa réutilisation.

Coldway commercialise des groupes de réfrigération utilisant de l’ammoniac et un mélange de sels et de graphite. Ils sont assemblés sur des conteneurs intégrés dans des solutions de transport sous température dirigée. « Nous réfrigérons des conteneurs jusqu’à 3 m3 et travaillons sur des démonstrateurs (TRL 5-6) jusqu’à 20 m3 », détaille Gilles Labranque, son président. Ces systèmes sont destinés à des transporteurs de produits pharmaceutiques ou de repas. « Ils sont régénérés par branchement électrique. Mais dans le cadre d’un projet européen dédié au BTP, nous allons utiliser la chaleur fatale. Cela nous permettrait d’atteindre un coefficient de performance (COP) de 10, voire plus. »