Énergie
Faire progresser les solutions CVC avec des matériaux électrocaloriques
La demande énergétique massive du CVC
Modern industrial society uses a lot of energy. One application we tend to underestimate when it comes to energy usage is cooling and heating. Elle représente plus de la moitié de la consommation énergétique totale du monde, devant l’électricité (20 %) et le transport (30 %).
Ainsi, peut-être même plus que les véhicules électriques, l’électrification du CVC (chauffage, ventilation et climatisation) et son amélioration en efficacité sont cruciales pour réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone. En particulier, la demande de refroidissement seul devrait tripler d’ici 2050 en raison du développement économique dans les pays à climat chaud avec de grandes populations, comme par exemple l’Inde et l’Indonésie.
Source : Daikin
Jusqu’à présent, la technologie privilégiée pour atteindre une haute efficacité du CVC était les pompes à chaleur utilisant le refroidissement par compression.
Une nouvelle technologie vient maintenant remettre en cause le statu quo, basée sur un principe physique appelé « refroidissement électrocalorique ».
Comment fonctionnent les pompes à chaleur
All heat pumps, from compression heat pumps to future electrocaloric heat pumps, function on a basic principle: moving heat instead of generating it.
C’est un principe très différent de celui des systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles et d’autres systèmes de chauffage électriques, dans lesquels l’électricité ou le gaz/charbon/pétrole est consommé pour produire de la chaleur.
Une pompe à chaleur, en revanche, prélève la chaleur d’un côté d’un mur et la transfère à l’autre côté. En hiver, elle absorbe la chaleur de l’extérieur et la dirige vers le bâtiment. En été, elle inverse ce processus pour refroidir le bâtiment et fonctionne comme un climatiseur.
Déplacer la chaleur est beaucoup plus efficace que la générer. Cela permet à une pompe à chaleur à compression de produire 2 à 4 W de chaleur/froid pour chaque watt d’énergie consommée.
Source : RMI
La chaleur se déplace dans et hors de l’environnement, les deux options principales étant l’utilisation de l’air extérieur ou du sol environnant via des tuyaux souterrains.
Les pompes à chaleur sont le plus souvent utilisées pour chauffer et refroidir des bâtiments tels que des bureaux, des espaces commerciaux et des habitations. Cependant, elles peuvent également être utilisées dans un contexte industriel, réutilisant les sources d’énergie d’un processus industriel dans un autre, ce qui entraîne également d’énormes économies d’énergie.
Source : Sintef
Pompes à chaleur électrocaloriques pour aller au-delà de la compression
Progrès dans la technologie électrocalorique
Traditional heat pumps use the thermal effect of compression & decompression to move the heat from one point to another. This requires refrigerant agents like hydrofluorocarbons or ammonia which have either direct or indirect greenhouse effects on the climate.
Le principe électrocalorique est différent. Un système électrocalorique se réchauffe lorsqu’il est exposé à des champs électriques, car cela aligne les atomes dans une même direction, réduisant l’entropie. L’inverse se produit, entraînant un refroidissement lorsque les champs électriques cessent.
Source : Fraunhofer IPM
Les effets électrocaloriques sont connus depuis les années 1960, mais à l’époque, la plus grande différence de température pouvant être obtenue n’était que de 2,5 °C.
Some progress was made en 2006 lorsqu’un film mince de plomb-titane-oxygène-zirconium a atteint une capacité de refroidissement de 12 °C.
Cependant, la récente percée d’un changement de température de près de 21 °C, réalisée par des chercheurs de l’Institut luxembourgeois des sciences et technologies à Belvaux, montre que la technologie devient suffisamment puissante pour des applications commerciales.
Prototype électrocalorique
The team used a polymer and lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).
Source : UPCommons
Les chercheurs luxembourgeois ont créé un prototype qui a atteint un refroidissement maximal sous 10 V par micromètre de puissance, générant un refroidissement maximal de 4,2 W.
Source : Techspot
Il s’agit d’une amélioration radicale par rapport à toutes les méthodes précédemment développées, avec une plage de température et une puissance de refroidissement respectivement 50 % et 15 fois supérieures aux meilleurs dispositifs électrocaloriques précédents.
Cela place le prototype loin devant tous les concepts électrocaloriques précédemment testés.
Source : UPCommons
Source : UPCommons
Le matériau a également été testé pour des cycles répétés de chauffage et de refroidissement et n’a montré aucun signe de dégradation.
Parmi les nombreux avantages des systèmes électrocaloriques, l’utilisation directe de l’électricité rend les refroidisseurs EC compacts en volume et adaptés à la miniaturisation. Ainsi, en plus des futures pompes à chaleur, il pourrait également être utilisé dans les petits appareils électroniques et les batteries.
Il possède également une très haute efficacité, potentiellement bien supérieure à ce que le système de pompe à chaleur à compression peut espérer atteindre.
Améliorations supplémentaires
La recherche publiée dans la revue Science décrit un prototype. Certaines améliorations supplémentaires sont également discutées.
Par exemple, le prototype actuel utilise un fluide diélectrique plutôt que de l’eau pour éviter les courts-circuits. Cependant, ce fluide diélectrique possède de mauvaises propriétés thermiques comparées à l’eau.
Ainsi, développer des condensateurs multicouches (MLC) étanches pourrait améliorer de façon significative la vitesse et la capacité de refroidissement du système.
Augmenter le nombre et la densité des MLC pourrait également augmenter le potentiel de refroidissement.
Enfin, des modules électrocaloriques plus fins et plus plats seraient utiles, et il n’est pas clair si l’application de champs électriques plus élevés est possible et sûre.
Entreprises de pompes à chaleur avancées
There is currently no company commercializing electrocaloric heat pumps or cooling systems. It is still very much an academic and applied physics field.
Cependant, il est probable que maintenant que la technologie évolue à un niveau d’efficacité rendant la commercialisation viable, ces instituts de recherche chercheront à monétiser leurs brevets.
Il pourrait donc être intéressant d’examiner les leaders de l’industrie des pompes à chaleur qui pourraient bénéficier de la licence de la propriété intellectuelle pour les dispositifs électrocaloriques.
Il est également probable que la création de systèmes électrocaloriques de qualité commerciale et leur distribution aux utilisateurs finaux seront un processus très intensif en capitaux, favorisant les plus grands acteurs du secteur.
1. Carrier Global
(CARR )
Carrier est un leader dans le CVC (commercial et résidentiel), chaîne du froid, et incendie et sécurité, avec plus de 58 000 employés. Bien qu’elle ne vende pas uniquement des pompes à chaleur, c’est une catégorie de produits qui constitue le cœur de l’entreprise et qu’elle considère comme l’avenir du secteur.
Elle se concentre principalement sur les Amériques, le CVC représentant plus de la moitié de ses ventes.
Source : Carrier Global
Elle possède une base installée de plus de 330 000 systèmes CVC commerciaux, 33 millions de systèmes CVC résidentiels, 1,8 million d’équipements de réfrigération et plus de 90 millions de systèmes d’incendie et de sécurité.
L’entreprise est déterminée à réduire drastiquement ses émissions de gaz à effet de serre (GES) d’ici 2030.
Étant donné qu’une grande partie de ces émissions provient des fluides frigorigènes à base d’ammoniac, la possibilité de passer à un système électrocalorique à l’avenir offre à l’industrie une voie où ses seules émissions seraient liées à la consommation d’énergie et à l’extraction des métaux, qui seront alimentées par des énergies renouvelables.
Source : Carrier Global
2. Daikin Industry
The Japanese company founded in 1924 can claim to be the world’s number 1 air conditioning company.
L’entreprise est active dans le domaine des pompes à chaleur depuis 2006 et a établi dès 2008 une alliance commerciale avec Gree Electric Appliance, le principal fabricant de climatisation en Chine.
Elle vend principalement dans les Amériques, l’Europe et l’Asie de l’Est, mais a également connu une croissance explosive sur des marchés comme l’Inde, avec une multiplication par 23 de ses ventes entre 2009 et 2022.
Source : Daikin
L’un des atouts concurrentiels de Daikin est son fluide frigorigène R32, qui a un impact beaucoup plus faible sur le réchauffement climatique que ceux de ses concurrents.
Cela signifie que l’émergence de systèmes électrocaloriques pourrait, à court terme, constituer une menace pour la position concurrentielle de l’entreprise.
Source : Daikin
Mais en même temps, cela reflète l’accent déjà mis par l’entreprise sur l’impact environnemental des systèmes de refroidissement et ses capacités d’innovation (elle a investi 300 M$ dans un nouveau centre R&D en 2015) et ferait d’elle une bonne candidate pour développer ces systèmes à l’échelle commerciale.
Une indication forte de l’engagement de Daikin envers l’innovation écologique est l’accès gratuit mondial aux brevets de base pour le R32 depuis 2015 et l’accès gratuit en 2019 à tous les brevets du groupe depuis 2011.
3. NIBE Group
Investors interested in the prospect of heat pumps and electrocaloric systems might want a company fully dedicated to the sector, without the distractions and risks associated with other technologies.
Dans ce cas, ils pourraient s’intéresser à Nibe, un fabricant européen de pompes à chaleur, ainsi que de poêles à bois (une autre source de chaleur neutre en carbone).
L’entreprise est originaire de Suède et réalise encore une grande partie de ses ventes dans les pays nordiques ainsi qu’en Europe. Elle comptait 21 333 employés en 2022.
Source : Nibe
Les pompes à chaleur de l’entreprise ont évité les émissions de 360 000 tonnes de CO₂ en une seule année.
En tant qu’entreprise plus spécialisée, Nibe est aussi grande que Daikin ou Carrier en ce qui concerne uniquement les pompes à chaleur.
Avec la recherche sur les matériaux électrocaloriques avancée dans des pays comme le Luxembourg et l’Allemagne, cela pourrait ouvrir la voie à des entreprises européennes comme Nibe pour établir des relations privilégiées avec les chercheurs et être parmi les premières à élargir leur offre au-delà des pompes à chaleur à compression.
