Les nouvelles conceptions de pompes à chaleur remplacent les réfrigérants par des aimants

Améliorer la production de chaleur

Parmi toutes les demandes possibles en énergie, la chaleur est la principale utilisation finale (y compris, par exemple, l’électricité transformée en chaleur). Il est donc logique que la décarbonisation ne puisse avoir lieu que si la production de chaleur est réalisée de la manière la plus écologique possible et de manière très efficace.

C’est loin d’être terminé, puisque les combustibles fossiles représentent 63 % de la consommation énergétique mondiale pour le chauffage des bâtiments, soit une baisse de seulement 4 points de pourcentage depuis 2010.

Source: AIE

Il s’agit d’un obstacle majeur à tout scénario de zéro émission nette, qui nécessite au moins autant d’efforts que le passage aux véhicules électriques, qui constituent des moyens de transport individuels.

Pour l’instant, la principale méthode a été de se tourner vers les pompes à chaleur, qui, au lieu de brûler des objets pour produire de la chaleur, la déplacent d’un point à un autre.

Même si elles sont plus efficaces, les pompes à chaleur pourraient encore être améliorées. C’est ce à quoi travaillent des chercheurs du laboratoire national Ames (États-Unis) et de l’université d’État de l’Iowa, avec un nouveau type de pompe à chaleur appelée « pompe à chaleur magnétocalorique ».

Ils ont récemment publié leurs derniers résultats dans la revue Applied Energy, sous le titre «Technologie de pompe à chaleur magnétocalorique évolutive et compacte¹ ».

Comment fonctionnent les pompes à tas traditionnelles ?

Le concept clé d’une pompe à chaleur est de « capter » l’énergie à un endroit et de la transporter vers un autre.

En général, il extrait la chaleur de l’environnement autour d’une maison ou d’autres bâtiments et la réinjecte à l’intérieur.

Parce qu'aucune chaleur n'est réellement générée, mais simplement déplacée, elle peut afficher des taux d'efficacité supérieurs à 100 % lorsqu'ils sont mesurés en wattheures (Wh) d'électricité consommée.

Ce système est également plus polyvalent qu'un système de chauffage traditionnel, car il peut également fonctionner en sens inverse. Ainsi, dans la plupart des cas, il peut également servir de système de refroidissement pendant les mois d'été.

Source: L'entrepôt des pompes à chaleur

La pompe à chaleur typique utilise un système de compression de gaz pour déplacer la chaleur, car les gaz absorbent ou libèrent de la chaleur lorsqu'ils sont comprimés/décompressés.

La compression du gaz est la méthode la plus couramment utilisée, car il s’agit d’une technologie très connue, reposant sur des vannes, des tuyaux et des compresseurs pas si différents de ceux utilisés il y a des décennies.

Cela pourrait cependant ne pas être la meilleure conception de pompe à chaleur possible, l’aimant devenant un concurrent sérieux.

Types de pompes à chaleur

Les différentes conceptions de pompes à chaleur diffèrent de plusieurs manières, notamment d'où ils extraient l'énergie, où ils l'envoient et s'ils sont adaptés aux climats froids ou non.

ESources d'énergie

• Source terrestre : Également connues sous le nom de pompes à chaleur géothermiques, elles captent la chaleur du sol et sont connues pour leur grande efficacité.
• Source d'air: Le type le plus courant, celles-ci extraient la chaleur de l’air et sont plus faciles à installer que les pompes géothermiques.
• Source d'eau: Ceux-ci utilisent des sources d’eau à proximité comme des lacs ou des puits pour l’échange de chaleur.

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• Canalisé : Intégrés aux conduits d’une maison, ils assurent un chauffage et un refroidissement centralisés.
• Mini-split : Idéals pour les maisons sans conduits, ils permettent un contrôle individuel de la température ambiante.

Climat

• Climat froid: Spécialement conçues pour les régions aux hivers rigoureux, ces pompes à chaleur maintiennent leur efficacité même par temps extrêmement froid grâce à des fonctionnalités avancées telles que des compresseurs à vitesse variable.
• Climat normal : Idéales pour les climats modérés, ce sont des pompes à chaleur standard adaptées aux besoins typiques de chauffage et de refroidissement.

Méthode de transfert de chaleur

• Compression de gaz:Fonctionne assez bien, avec une technologie simple et connue.
• Aimants: Un sous-ensemble de la plus grande pompe à chaleur calorifique « à semi-conducteurs », qui ne nécessite aucun liquide de refroidissement.

Technologie de pompe à chaleur magnétocalorique (MCHP)

Le MCHP utilise les principes des effets magnétocaloriques, ou le refroidissement ou le chauffage de matériaux magnétiques avec la variation d'un champ magnétique appliqué de l'extérieur.

Source: DST

En théorie, cela peut être un système bien meilleur, car il élimine le besoin de matériaux réfrigérants, qui sont généralement toxiques et/ou nocifs pour l'environnement, et qui fuient très souvent des pompes à chaleur traditionnelles, en particulier lorsque l'équipement vieillit.

Au fil des années, de nombreuses conceptions différentes de pompes à chaleur magnétocaloriques ont été proposées en utilisant différentes configurations :

• Différentes forces de champs magnétiques.
• Différents matériaux magnétocaloriques, comme le gadolinium pur, les alliages de gadolinium et les alliages LaFeSi (lanthane-fer-silicium).
• Différentes formes pour le matériau magnétocalorique.

Ces systèmes ont démontré une efficacité supérieure aux meilleurs systèmes à compression de vapeur. Leur plage de température et leur puissance thermique étaient également en bonne adéquation.

Cependant, il restait encore à démontrer que ces systèmes pouvaient égaler les pompes à chaleur traditionnelles en termes de coûts, de masse et de taille, autant de considérations importantes pour un succès commercial potentiel.

Performances variables

Les chercheurs ont mesuré la densité de puissance du système (SPD) de différentes conceptions MCHP proposées, ou la puissance thermique en watts divisée par la masse de l'appareil en kg.

La littérature scientifique existante montre une grande variété de SPD, allant d'environ 1 à 40 W/kg.

Il est intéressant de noter que deux des conceptions présentant le SPD le plus élevé avaient des approches complètement différentes : l'une utilisait des champs magnétiques élevés à des fréquences élevées, et l'autre utilisait des champs faibles à des fréquences basses. Il existe donc probablement plusieurs approches qui sont chacune techniquement viables.

Concurrence avec les compresseurs

Les chercheurs ont étudié plusieurs façons d'améliorer le SPD, un domaine de recherche négligé jusqu'à présent, avec une efficacité absolue et davantage au centre des préoccupations des chercheurs en sciences des matériaux.

Cependant, c’est le SPD qui sera probablement le plus important pour l’adoption massive de ces pompes à chaleur, car aucun utilisateur final, qu’il s’agisse de consommateurs ou de constructeurs, n’acceptera des pompes à chaleur de la taille d’une pièce entière ou trop lourdes pour être manipulées facilement.

Ils ont utilisé diverses méthodes :

• Variante sur l'alliage magnétique utilisé :
  • La puissance par masse était de 374 W/kg pour le gadolinium seul.
  • Elle était de 854 W/kg pour les seuls matériaux à base de LaFeSi.
• Différents modèles de matériaux magnétiques, des plaques aux perles.
• Différentes impulsions magnétiques, variant en fréquence et en intensité.

Grâce à ces tests systématiques, les chercheurs ont découvert qu'à partir d'une base technique de 5.9 W/kg, les systèmes MCHP peuvent être augmentés jusqu'à 81.3 W/kg, soit une augmentation de près de 14 fois de la densité de puissance du système.

D'après ces résultats, il apparaît que les MCHP peuvent presque égaler le SPD de certaines pompes à chaleur à compresseur actuellement utilisées, en particulier pour les puissances de refroidissement faibles ou modérées (< 200 W).

Entreprises de pompes à chaleur magnétocaloriques

La prochaine entreprise ne semble pas être cotée en bourse, mais vend actuellement du MCHP. Il s'agit néanmoins d'un secteur très actif avec de nombreuses startups, souvent issues de recherches de pointe menées dans les meilleures universités. Par exemple :

• Magnéto
• Magnotherm
• CoolTech, est une filiale du groupe allemand Groupe HYDAC(également détenue en privé).
• Réfrigérateur de Cam

Ainsi, même si ce n’est pas très facile d’accès, cela peut être une idée intéressante pour les personnes qui sont des investisseurs accrédités et qui ont accès à de tels investissements.

Société de Gadolinium

Le gadolinium est une terre rare et 97 % de la production mondiale (dioxyde de gadolinium) est produite par la Chine.

Il est intéressant de noter que le métal a actuellement peu d’applications en dehors d’une utilisation de niche comme l’absorption de neutrons dans certains réacteurs nucléaires ou les agents de contraste magnétique pour l’IRM, et serait donc une ressource parfaite à utiliser à la place du réfrigérant polluant actuellement utilisé dans les pompes à chaleur.

Alors que les tensions commerciales entre les États-Unis et la Chine n’ont cessé d’augmenter depuis la première présidence Trump, il est probable que les investisseurs occidentaux désireux de parier sur les terres rares, y compris le gadolinium, préféreront des sources alternatives.

Neo Materials est une entreprise présentant un tel potentiel.

Neo Materials est spécialisé dans la production de terres rares et de matériaux critiques. Cela inclut le gadolinium, mais aussi d'autres terres rares et matériaux critiques tels que le hafnium, le niobium, le gallium et les aimants en terres rares.

Source: Matériaux Neo

Tous ces produits sont essentiels à la production de semi-conducteurs, d’aimants d’éoliennes, de véhicules électriques, etc. Et dans la plupart des cas, ils sont fournis à 90-99 % par la Chine.

L'entreprise réalise la majeure partie de ses revenus grâce à «Magnequench« : poudres magnétiques et aimants en néodyme-fer-bore (NdFeB) utilisés dans les moteurs électriques (y compris les véhicules électriques).

Le deuxième poste le plus important provient des produits chimiques et des oxydes utilisés dans les catalyseurs pétroliers et chimiques, les véhicules hybrides et électriques, la purification de l'eau, les écrans à haute efficacité, les lentilles optiques, l'électronique grand public, etc.

Source: Matériaux Neo

Les revenus de Neo sont également très diversifiés géographiquement, ce qui la rend plus à l'abri des tempêtes géopolitiques que la plupart des entreprises du secteur. Elle fabrique certains produits en Chine et a même fait d'AsiaMag, une acquisition de 2019, l'un des 5 plus grands fabricants d'aimants obligataires en Chine en multipliant par 5 son volume de ventes.

Mais elle diversifie également son risque géographique. L'entreprise va notamment construire dans l'UE (Estonie) la première usine de fabrication d'aimants frittés pour véhicules électriques hors de Chine, dont la première production est prévue en 2025.

Source: Matériaux Neo

Dans l’ensemble, Neo Materials a la présence la plus intégrée dans la chaîne de valeur des aimants permanents et des terres rares en dehors de la Chine, seule l’extraction du minerai brut n’étant pas intégrée verticalement.

L'entreprise possède également plus de diplômes avancés en terres rares et d'experts techniques dans le domaine des produits magnétiques à base de terres rares que toute autre entreprise en dehors de la Chine ou du Japon. Et même au Japon, elle peut battre ses concurrents locaux pour signer des contrats avec des entreprises comme Honda ou Daido Steel.

Source: Matériaux Neo

Cette forte présence dans les matériaux essentiels à la transition verte, ainsi que dans de nombreuses applications de haute technologie allant de la fabrication de semi-conducteurs aux alliages et catalyseurs spéciaux, fait de Neo un bon choix d'actions pour les investisseurs à la recherche d'une exposition au secteur, avec un potentiel de hausse en cas d'aggravation des guerres commerciales.

Référence de l'étude :

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Une étude complète des applications de l'apprentissage automatique dans les systèmes d'énergie renouvelable. Énergie appliquée, 350 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}