Nouvelles conceptions de pompes à chaleur éliminent les réfrigérants au profit des aimants

Amélioration de la génération de chaleur

Parmi toutes les demandes d’énergie possibles, la chaleur représente la plus grande consommation finale (y compris, par exemple, l’électricité transformée en chaleur). Il est donc logique que la décarbonisation ne se produise que si la génération de chaleur est réalisée de la manière la plus écologique possible et très efficacement.

Cela est loin d’être accompli, les combustibles fossiles représentant 63: % de la consommation énergétique mondiale pour le chauffage des bâtiments, soit une diminution de seulement 4 points de pourcentage depuis 2010.

Source: IEA

C’est un obstacle majeur à tout scénario net zéro, nécessitant au moins autant d’efforts que le passage des modes de transport individuels aux véhicules électriques.

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

Même si elles sont plus efficaces, les pompes à chaleur peuvent encore être améliorées. C’est ce sur quoi travaillent les chercheurs du Ames National (ATLO ) Laboratory (États‑Unis) et de l’Iowa State University, avec un nouveau type de pompe à chaleur appelé « 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 chaleur traditionnelles ?

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

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

Comme aucune chaleur n’est réellement générée, mais simplement déplacée, elle peut afficher des rendements supérieurs à 100 % lorsqu’on les mesure 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 climatisation pendant les mois d’été.

Source: The Heat Pump Warehouse

La pompe à chaleur typique utilise un système de compression de gaz pour déplacer la chaleur, les gaz absorbant ou libérant de la chaleur lorsqu’ils sont comprimés ou décompressés.

La compression de 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 très différents de ceux employés il y a plusieurs décennies.

Cependant, il se peut que ce ne soit pas la meilleure conception possible de pompe à chaleur, les aimants devenant un concurrent sérieux.

Types de pompes à chaleur

Les différents conceptions de pompes à chaleur diffèrent à plusieurs égards, notamment où elles extraient l’énergie, où elles la délivrent, et si elles sont adaptées aux climats froids ou non.

Sources d’énergie

• Source géothermique: Également appelées pompes à chaleur géothermiques, elles exploitent la chaleur du sol et sont reconnues pour leur haute efficacité.
• Source d’air: Le type le plus répandu, elles extraient la chaleur de l’air et sont plus faciles à installer que les pompes à source géothermique.
• Source d’eau: Elles utilisent des sources d’eau proches, comme des lacs ou des puits, pour l’échange thermique.

Installation

• Canalisée: Intégrées au réseau de conduits d’une maison, elles offrent un chauffage et une climatisation centralisés.
• Mini-split: Idéales pour les maisons sans conduits, elles permettent un contrôle individuel des températures des pièces.

Climat

• Climat froid: Conçues spécifiquement pour les régions aux hivers rigoureux, ces pompes à chaleur maintiennent leur efficacité même à des températures extrêmement basses grâce à des fonctionnalités avancées comme les compresseurs à vitesse variable.
• Climat tempéré: Idéales pour les climats modérés, ce sont des pompes à chaleur standard adaptées aux besoins typiques de chauffage et de climatisation.

Méthode de transfert de chaleur

• Compression de gaz: Fonctionne raisonnablement bien, avec une technologie simple et connue.
• Aimants: Une sous‑catégorie de la plus grande « pompe à chaleur calorique à état solide », qui ne nécessite aucun fluide frigorigène.

Technologie de pompe à chaleur magnétocalorique (MCHP)

La MCHP utilise les principes des effets magnétocaloriques, c’est‑à‑dire le refroidissement ou le chauffage de matériaux magnétiques par la variation d’un champ magnétique appliqué extérieurement.

Source: DST

En théorie, il peut s’agir d’un système bien meilleur, car il élimine le besoin de fluides frigorigènes, généralement toxiques et/ou nocifs pour l’environnement, qui fuient souvent des pompes à chaleur traditionnelles, surtout lorsque l’équipement vieillit.

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

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

Ces systèmes ont démontré une efficacité supérieure à celle des meilleurs systèmes à compression de vapeur. Leur plage de température et leur puissance thermique étaient également bien adaptées.

Cependant, il reste à démontrer que ces systèmes peuvent égaler les pompes à chaleur traditionnelles en termes de coûts, de masse et de taille, tous des critères importants pour un succès commercial potentiel.

Performance variable

Les chercheurs ont mesuré la densité de puissance du système (SPD) des différentes conceptions de MCHP proposées, c’est‑à‑dire la puissance thermique en watts divisée par la masse de l’appareil en kilogrammes.

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

Fait intéressant, deux des conceptions présentant la plus haute SPD adoptaient des approches complètement différentes: l’une utilisait des champs magnétiques élevés à haute fréquence, l’autre des champs faibles à basse fréquence. Il existe donc probablement plusieurs approches chacune techniquement viable.

Concurrencer les compresseurs

Les chercheurs ont étudié plusieurs moyens d’augmenter la SPD, un domaine de recherche négligé jusqu’à présent, avec l’efficacité absolue comme principal objectif des chercheurs en sciences des matériaux.

Cependant, c’est la SPD qui comptera probablement le plus 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 une variété de méthodes:

• Variation de 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 matériaux à base de LaFeSi seuls.
• Différentes conceptions du matériau magnétique, des plaques aux billes.
• Différents impulsions magnétiques, variant en fréquence et en intensité.

Grâce à ces tests systématiques, les chercheurs ont constaté qu’à partir d’une base technique de 5,9 W/kg, les systèmes MCHP peuvent être portés à 81,3 W/kg, soit une augmentation d’environ 14 fois de la densité de puissance du système.

D’après ces résultats, il semble que les MCHP puissent presque égaler la SPD de certaines pompes à chaleur à base de compresseurs actuellement utilisées, notamment pour des puissances de refroidissement faibles ou modérées (< 200 W).

Entreprises de pompes à chaleur magnétocaloriques

La suivante ne semble pas encore être une société cotée en bourse vendant des MCHP. C’est toutefois un domaine très actif avec de nombreuses startups, souvent issues de recherches de pointe menées dans les meilleures universités. Par exemple:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, est une filiale du groupe allemand HYDAC Group(également privé).
• Camfridge

Ainsi, bien que difficile d’accès, cela peut constituer une idée intéressante pour les investisseurs accrédités disposant d’un tel accès.

Entreprise de gadolinium

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

Il est intéressant de noter que le métal a actuellement peu d’applications en dehors d’utilisations de niche comme l’absorption de neutrons dans certains réacteurs nucléaires ou les agents de contraste magnétiques pour l’IRM, ce qui en ferait donc une ressource idéale à exploiter à la place du fluide frigorigène polluant actuellement utilisé dans les pompes à chaleur.

Alors que les tensions commerciales entre les États‑Unis et la Chine ont continuellement augmenté depuis la première présidence de Trump, il est probable que les investisseurs occidentaux prêts à miser sur les terres rares, y compris le gadolinium, privilégieront des sources alternatives.

Une entreprise potentielle dans ce domaine est Neo Materials.

Neo Materials se spécialise dans la production de terres rares et de matériaux critiques. Cela comprend le gadolinium, mais aussi d’autres terres rares et matériaux critiques actuels, comme le hafnium, le niobium, le gallium et les aimants de terres rares.

Source: Neo Materials

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

L’entreprise tire la majeure partie de ses revenus de « Magnequench » : poudres et aimants magnétiques néodyme‑fer‑bore (NdFeB) utilisés dans les moteurs électriques (y compris les véhicules électriques).

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

Source: Neo Materials

Les revenus de Neo sont également très diversifiés géographiquement, ce qui la rend plus sûre face aux tempêtes géopolitiques que la plupart des entreprises du secteur. Elle fabrique certains produits en Chine et a même transformé AsiaMag, une acquisition de 2019, en l’un des cinq plus grands fabricants d’aimants liés en Chine en multipliant son volume de ventes par cinq.

Mais elle diversifie également son risque géographique. Par exemple, l’entreprise prévoit de construire dans l’UE (Estonie) la première usine de fabrication d’aimants frittés hors de Chine pour les véhicules électriques, avec une première production attendue en 2025.

Source: Neo Materials

Dans l’ensemble, Neo Materials possède la présence la plus intégrée dans la chaîne de valeur des aimants permanents et des terres rares hors de Chine, à l’exception de l’extraction du minerai brut qui n’est pas intégrée verticalement.

L’entreprise compte également davantage de diplômés avancés en terres rares et d’experts techniques dans les produits magnétiques à base de terres rares que toute autre société hors de Chine ou du Japon. Et même au Japon, elle peut devancer les concurrents locaux pour signer des contrats avec des entreprises comme Honda ou Daido Steel.

Source: Neo Materials

Cette forte présence dans les matériaux essentiels à la transition verte, ainsi que dans de nombreuses applications haute technologie allant de la fabrication de semi-conducteurs aux alliages spéciaux et aux catalyseurs, fait de Neo un bon choix d’action pour les investisseurs cherchant 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). Un examen complet des applications de l’apprentissage automatique dans les systèmes d’énergie renouvelable. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124696}