L’ajout de sel à une route avant une tempête hivernale change le moment où la glace se formera. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’Énergie ont appliqué ce concept de base pour développer une nouvelle méthode de chauffage et de refroidissement. La technique, qu’ils ont nommée « refroidissement ionocalorique », est décrite dans un papier publié le 23 décembre dans la revue Science.
Le refroidissement ionocalorique tire parti de la façon dont l’énergie, ou la chaleur, est stockée ou libérée lorsqu’un matériau change de phase, comme le passage de la glace solide à l’eau liquide. La fusion d’un matériau absorbe la chaleur de l’environnement, tandis que sa solidification libère de la chaleur. Le cycle ionocalorique provoque ce changement de phase et de température par le flux d’ions (atomes ou molécules chargés électriquement) qui proviennent d’un sel.
Les chercheurs espèrent que la méthode pourrait un jour fournir un chauffage et un refroidissement efficaces, qui représentent plus de la moitié de l’énergie utilisée dans les maisons, et aider à éliminer progressivement les systèmes actuels de « compression de vapeur », qui utilisent des gaz à fort potentiel de réchauffement climatique comme réfrigérants. La réfrigération ionocalorique éliminerait le risque que ces gaz s’échappent dans l’atmosphère en les remplaçant par des composants solides et liquides.
« Le paysage des réfrigérants est un problème non résolu : personne n’a réussi à développer une solution alternative qui rende les choses froides, fonctionne efficacement, soit sûre et ne nuise pas à l’environnement », a déclaré Drew Lilley, assistant de recherche diplômé au Berkeley Lab et doctorat candidat à l’UC Berkeley qui a dirigé l’étude. « Nous pensons que le cycle ionocalorique a le potentiel d’atteindre tous ces objectifs s’il est réalisé de manière appropriée. »
Cette animation montre le cycle ionocalorique en action. Lorsqu’un courant est ajouté, les ions circulent et transforment le matériau de solide en liquide, ce qui fait que le matériau absorbe la chaleur de l’environnement. Lorsque le processus est inversé et que les ions sont éliminés, le matériau se cristallise en un solide, libérant de la chaleur. Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
Trouver une solution qui remplace les réfrigérants actuels est essentiel pour que les pays atteignent les objectifs en matière de changement climatique, tels que ceux de l’Amendement de Kigali (accepté par 145 parties, dont les États-Unis en octobre 2022). L’accord engage les signataires à réduire la production et la consommation d’hydrofluorocarbures (HFC) d’au moins 80 % au cours des 25 prochaines années. Les HFC sont de puissants gaz à effet de serre couramment présents dans les réfrigérateurs et les systèmes de climatisation, et peuvent piéger la chaleur des milliers de fois aussi efficacement que le dioxyde de carbone.
Le nouveau cycle ionocalorique rejoint plusieurs autres types de refroidissement « calorique » en cours de développement. Ces techniques utilisent différentes méthodes, notamment le magnétisme, la pression, l’étirement et les champs électriques, pour manipuler des matériaux solides afin qu’ils absorbent ou libèrent de la chaleur. Le refroidissement ionocalorique diffère en utilisant des ions pour entraîner des changements de phase solide-liquide. L’utilisation d’un liquide a l’avantage supplémentaire de rendre le matériau pompable, ce qui facilite l’entrée ou la sortie de chaleur du système, ce avec quoi le refroidissement à l’état solide a eu du mal.
Lilley et l’auteur correspondant Ravi Prasher, chercheur affilié au domaine des technologies énergétiques du Berkeley Lab et professeur auxiliaire en génie mécanique à l’UC Berkeley, ont exposé la théorie sous-jacente au cycle ionocalorique. Ils ont calculé qu’il a le potentiel de concurrencer ou même de dépasser l’efficacité des réfrigérants gazeux que l’on trouve dans la majorité des systèmes aujourd’hui.
Ils ont également démontré la technique expérimentalement. Lilley a utilisé un sel à base d’iode et de sodium, ainsi que du carbonate d’éthylène, un solvant organique couramment utilisé dans les batteries lithium-ion.
« Il est possible d’avoir des réfrigérants qui ne sont pas seulement GWP [global warming potential]-zéro, mais GWP négatif », a déclaré Lilley. « L’utilisation d’un matériau comme le carbonate d’éthylène pourrait en fait être négative en carbone, car vous le produisez en utilisant du dioxyde de carbone comme intrant. Cela pourrait nous donner un endroit où utiliser le CO2 issu du captage du carbone. »
Le passage du courant dans le système déplace les ions, modifiant le point de fusion du matériau. Lorsqu’il fond, le matériau absorbe la chaleur de l’environnement, et lorsque les ions sont éliminés et que le matériau se solidifie, il restitue de la chaleur. La première expérience a montré un changement de température de 25 degrés Celsius en utilisant moins d’un volt, une augmentation de température plus importante que celle démontrée par d’autres technologies caloriques.
« Il y a trois choses que nous essayons d’équilibrer : le GWP du réfrigérant, l’efficacité énergétique et le coût de l’équipement lui-même », a déclaré Prasher. « Dès le premier essai, nos données semblent très prometteuses sur ces trois aspects. »
Alors que les méthodes caloriques sont souvent discutées en termes de puissance de refroidissement, les cycles peuvent également être exploités pour des applications telles que le chauffage de l’eau ou le chauffage industriel. L’équipe ionocalorique poursuit ses travaux sur des prototypes pour déterminer comment la technique pourrait évoluer pour supporter de grandes quantités de refroidissement, améliorer la quantité de changement de température que le système peut supporter et améliorer l’efficacité.
« Nous avons ce tout nouveau cycle et cadre thermodynamique qui rassemble des éléments de différents domaines, et nous avons montré que cela peut fonctionner », a déclaré Prasher. « Maintenant, il est temps d’expérimenter pour tester différentes combinaisons de matériaux et de techniques pour relever les défis d’ingénierie. »
Lilley et Prasher ont reçu un brevet provisoire pour le cycle de réfrigération ionocalorique, et la technologie est maintenant disponible pour une licence.
Plus d’information:
Drew Lilley et al, cycle de réfrigération ionocalorique, Science (2022). DOI : 10.1126/science.ade1696