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. Des 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 sa valeur en tant que vecteur de chaleur, par exemple lorsqu'il s'agit de transférer la chaleur d'une chaudière à un radiateur ou de maintenir les plafonds réfrigérants au frais. Mais il y a un nouveau concurrent sur la scène : Dans le cadre du projet Optimus, des chercheurs du Fraunhofer ISE de Fribourg collaborent avec des partenaires de l'industrie pour développer des émulsions de MCP 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 de paraffine émulsifiées ultrafines
Les émulsions de MCP 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 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 entre le solide et le liquide. "Comme nous émulsifions 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 dans les tuyaux. Pendant le changement de phase, les MCP absorbent ou libèrent de grandes quantités de chaleur, même si leur température reste constante", explique Stefan Gschwander, chercheur au 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 vecteur de chaleur dans les réseaux de chauffage et de refroidissement conventionnels - dans la plage de fusion des MCP, tout en conservant le même volume.
Outre leur densité de stockage élevée, les émulsions de MCP présentent également un certain nombre d'autres avantages. Grâce à leur capacité élevée de stockage de la chaleur, les systèmes utilisant des MCP peuvent être conçus pour occuper moins d'espace. Ils offrent une capacité thermique élevée, en particulier lorsque le différentiel de température est faible. "L'utilisation des MCP est particulièrement intéressante pour les applications qui n'autorisent que des différences de température minimes, comme le refroidissement ou la climatisation des bâtiments. Les systèmes de climatisation classiques qui utilisent l'eau comme vecteur de chaleur nécessitent des débits volumétriques élevés et de grands volumes de stockage. C'est là que les MCP brillent vraiment", explique M. Gschwander.
Des MCP personnalisés avec différentes températures de fusion
Dans le cadre du projet, les partenaires mettent au point des émulsions de MCP 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 essais thermomécaniques dans un circuit d'essai hydraulique comprenant une pompe centrifuge, diverses vannes, un vase d'expansion à membrane et un échangeur de chaleur à plaques. Ils 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 de l'usine pilote, produisant des volumes allant jusqu'à 100 litres.
Il est prévu d'augmenter encore l'échelle des émulsions PCM, jusqu'au mètre cube, en collaboration avec le partenaire industriel H&R Wax & Specialties GmbH. L'objectif est de produire les émulsions en plus grandes quantités pour démontrer leur utilisation dans les réservoirs froids utilisés pour la climatisation intérieure ou le refroidissement des processus. Les émulsions de MCP seront initialement fournies pour deux démonstrations. Dans la première, la chaleur résiduelle des salles de serveurs d'un tribunal sera stockée pendant le chauffage actif, puis transférée à l'air par l'intermédiaire de l'émulsion, ce qui rendra cette énergie thermique disponible pour contribuer au chauffage du bâtiment. Dans la seconde 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 frais extérieur (free cooling) pendant la nuit. "Actuellement, nous optimisons nos formules pour obtenir une stabilité et une densité de stockage encore plus grandes", explique M. Gschwander.
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