On estime que diverses formes de pompes à chaleur (réfrigérateurs, climatiseurs, chauffages) consomment environ 30 % de l’électricité mondiale. Et ce chiffre va presque certainement augmenter, car les pompes à chaleur jouent un rôle très important dans les efforts visant à électrifier le chauffage afin de réduire l’utilisation de combustibles fossiles.
La plupart des versions existantes de ces systèmes reposent sur la compression d’une classe de produits chimiques appelés hydrofluorocarbures, des gaz choisis parce qu’ils ont un impact bien moindre sur la couche d’ozone que les réfrigérants précédents. Malheureusement, ce sont aussi des gaz à effet de serre extrêmement puissants, avec un impact à court terme plusieurs milliers de fois supérieur à celui du dioxyde de carbone.
Des technologies alternatives ont été testées, mais toutes présentent au moins un inconvénient majeur par rapport à la compression des gaz. Cependant, dans un article publié dans le numéro d’aujourd’hui de Science, les chercheurs décrivent les progrès réalisés sur une forme de pompe à chaleur construite autour d’un condensateur qui change de température lorsqu’il est chargé et déchargé. Étant donné que l’énergie dépensée lors du chargement peut être utilisée lors de la décharge, le système a le potentiel d’être très efficace.
Pompage de chaleur
Les pompes à chaleur sont un excellent choix pour le chauffage, car il est possible de déplacer la chaleur entre un puits et une source en utilisant beaucoup moins d’énergie qu’il n’en faut pour simplement chauffer la source, par exemple en brûlant du gaz naturel. Et comme les processus utilisés à cet effet fonctionnent tout aussi bien à l’envers, la même approche de base peut être utilisée pour le refroidissement.
Il peut sembler contre-intuitif de pouvoir extraire la chaleur d’un environnement à température ambiante et l’exporter dans l’air brûlant du désert. Mais le processus repose sur la création d’une différence de température entre un matériau de travail (comme ces hydrofluorocarbones) et l’environnement. Tant que les hydrofluorocarbures peuvent être rendus plus chauds que l’air extérieur, ils peuvent y exporter de la chaleur. De la même manière, ils doivent simplement devenir plus froids que l’explosion arctique contre laquelle ils travaillent lorsqu’ils sont utilisés pour le chauffage.
Pour les hydrofluorocarbures, la différence de contenu calorifique peut être contrôlée en modifiant la pression. Comprimer un gaz le réchauffe tandis que baisser la pression le refroidit. Cependant, divers autres matériaux subissent un chauffage et un refroidissement similaires en réponse à d’autres influences externes, notamment des contraintes physiques, des champs magnétiques ou des champs électriques. Dans de nombreux cas, ces matériaux restent solides malgré des changements de température importants, ce qui pourrait potentiellement simplifier l’équipement de support nécessaire au chauffage et au refroidissement.
Dans le nouveau travail, réalisé par des chercheurs principalement basés au Luxembourg, les chercheurs se sont concentrés sur les matériaux qui changent de température en réponse à des champs électriques, génériquement appelés électrocaloriques. Bien qu’une variété de configurations aient été testées pour ces matériaux, les chercheurs ont opté pour une structure de condensateur en couches, le champ électrique du matériau changeant à mesure qu’une plus grande charge y est stockée. Au fur et à mesure que la charge est stockée, un matériau électrocalorique se réchauffe. Lorsque la charge est épuisée, ils absorbent la chaleur de l’environnement.
Cela présente un avantage significatif en ce qui concerne la puissance nécessaire au fonctionnement de l’appareil, puisque le courant généré lors de la vidange du condensateur peut simplement être utilisé pour alimenter quelque chose. Il y a un peu d’énergie perdue lors des allers-retours vers et hors du stockage, mais cela peut potentiellement être limité à moins de 1 %.
Ce qui consomme de l’énergie est le fait que les condensateurs sont entièrement à l’état solide : à eux seuls, ils resteront simplement dans l’environnement de la source ou du puits. Ainsi, vous devez soit dépenser de l’énergie pour déplacer physiquement l’appareil entre les environnements, soit transférer la chaleur de l’appareil électrocalorique vers un autre matériau qui effectue le déplacement. Dans ce cas, les chercheurs ont simplement échangé de la chaleur avec la source et le puits en pompant un liquide à travers le matériau électrocalorique.