Énergie
Faire progresser les solutions CVC avec des matériaux électrocaloriques
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La demande massive d’énergie du CVC
La société industrielle moderne consomme beaucoup d’énergie. Une application que nous avons tendance à sous-estimer en matière de consommation d’énergie est le refroidissement et le chauffage. Elle représente plus de la moitié de la consommation totale d'énergie mondiale, devant l'électricité (20 %) et les transports (30 %)..
Donc, peut-être encore plus que les véhicules électriques, l’électrification du CVC (chauffage, ventilation et climatisation) et le rendre plus efficace sont essentiels pour réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone. D'autant plus que la demande de froid pur devrait tripler d'ici 2050 en raison du développement économique des pays chauds et peuplés, comme par exemple l'Inde et l'Indonésie.
Source: Daikin
Jusqu’à présent, la technologie privilégiée pour obtenir un CVC à haut rendement était les pompes à chaleur utilisant le refroidissement par compression.
Une nouvelle technologie vient désormais remettre en question le statu quo, basée sur un principe physique appelé « refroidissement électrocalorique ».
Comment fonctionnent les pompes à chaleur
Tous Les pompes à chaleur, des pompes à chaleur à compression aux futures pompes à chaleur électrocaloriques, fonctionnent sur un principe de base : déplacer la chaleur au lieu de la générer.
Il s’agit d’un principe très différent des systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles et autres systèmes de chauffage électriques, dans lesquels de l’électricité ou du gaz/charbon/mazout est consommé pour produire de la chaleur.
Une pompe à chaleur, quant à elle, capte la chaleur d’un côté d’un mur et la transfère de l’autre côté. En hiver, il absorbe la chaleur de l’extérieur et la renvoie dans le bâtiment. En été, il inverse ce processus pour rafraîchir le bâtiment et fonctionne comme une climatisation.
Déplacer la chaleur est bien plus efficace que la générer. Cela permet à une pompe à chaleur basée sur la compression de générer 2 à 4 W de chaleur/froid pour chaque W d'énergie consommée.
Source: RMI
La chaleur entre et sort de l’environnement, les deux principales options étant d’utiliser l’air extérieur ou le sol environnant via des canalisations souterraines.
Les pompes à chaleur sont le plus souvent utilisées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments tels que des bureaux, des espaces commerciaux et des habitations. Cependant, il peut également être utilisé dans un environnement industriel, en réutilisant les sources d'énergie d'un processus industriel à un autre, conduisant ici également à des économies d'énergie massives.
Source: Sintef
Les pompes à chaleur électrocaloriques vont au-delà de la compression
Progrès dans la technologie électrocalorique
Les pompes à chaleur traditionnelles utilisent l’effet thermique de compression et de décompression pour déplacer la chaleur d’un point à un autre. Cela nécessite des agents réfrigérants comme les hydrofluorocarbures ou l'ammoniac qui ont des effets de serre directs ou indirects sur le climat.
Le principe électrocalorique est différent. Un système électrocalorique chauffe lorsqu’il est exposé à des champs électriques, car il provoque l’alignement des atomes dans une seule direction, réduisant ainsi l’entropie. L’inverse se produit, provoquant un refroidissement lorsque les champs électriques s’arrêtent.
Source: IPM de Fraunhofer
Les effets électrocaloriques sont connus depuis les années 1960, mais à l’époque, la plus forte différence de température pouvant être obtenue n’était que de 2.5°C.
Certains progrès ont été réalisés en 2006, lorsqu'un mince film de plomb-titane-oxygène-zirconium a atteint une capacité de refroidissement de 12°C.
Cependant, la récente avancée d'un changement de température de près de 21°C, réalisée par les chercheurs du Institut luxembourgeois des sciences et technologies de Belvaux, montre que la technologie devient suffisamment puissante pour des applications commerciales.
Prototype électrocalorique
L’équipe a utilisé un polymère et des condensateurs multicouches (MLC) plomb-scandium-tantale-oxygène (PST).
Source : UPCommons
Les chercheurs luxembourgeois ont créé un prototype qui atteint un refroidissement maximal à une puissance inférieure à 10 V par micromètre, créant un refroidissement maximal de 4.2 W.
Source: TechSpot
Il s'agit d'une amélioration radicale par rapport à toutes les méthodes développées précédemment, avec une plage de température et une puissance de refroidissement respectivement 50 % et 15 fois supérieures à celles des meilleurs appareils électrocaloriques précédents.
Cela place les ligues prototypes en avance sur tous les concepts électrocaloriques testés précédemment.
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, il y a le fait que l’utilisation directe de l’électricité rend les refroidisseurs EC compacts en volume et adaptés à la miniaturisation. Ainsi, outre les futures pompes à chaleur, il pourrait également être utilisé dans les petits appareils électroniques et les batteries.
Il présente également un rendement très élevé, potentiellement bien supérieur à celui que le système de pompe à chaleur à compression peut espérer atteindre.
Poursuite de l'amélioration
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 présente des propriétés thermiques médiocres par rapport à l'eau.
Ainsi, le développement de condensateurs multicouches étanches (MLC) pourrait améliorer considérablement la vitesse et la capacité de refroidissement du système.
L’augmentation du nombre et de la densité des MLC pourrait également entraîner un potentiel de refroidissement accru.
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
Il n’existe actuellement aucune entreprise commercialisant des pompes à chaleur ou des systèmes de refroidissement électrocaloriques. Il s’agit encore d’un domaine de physique académique et appliqué.
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 de s’intéresser aux leaders du secteur des pompes à chaleur qui pourraient bénéficier d’une licence de propriété intellectuelle pour les appareils électrocaloriques.
Il est également probable que la création de systèmes électrocaloriques de qualité commerciale et leur distribution aux utilisateurs finaux seront un processus à très forte intensité de capital, favorisant les plus grands acteurs du secteur.
1. Transporteur Global
(CARR )
Carrier est un leader dans HVAC (commercial et résidentiel), la chaîne du froid et incendie et sécurité, avec plus de 58,000 XNUMX employés. Bien qu’elle ne vende pas uniquement des thermopompes, il s’agit d’une catégorie de produits qui est au centre de l’entreprise et qu’elle considère comme l’avenir de l’industrie.
Elle se concentre principalement sur le continent américain, où le secteur HVAC réalise plus de la moitié de son chiffre d'affaires.
Source : Carrier Global
Elle dispose d'une base installée de plus de 330,000 33 systèmes CVC commerciaux, 1.8 millions de systèmes CVC résidentiels, 90 million d'équipements de réfrigération et plus de XNUMX 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 proviennent des liquides de refroidissement à base d'ammoniac, la possibilité de passer à un système électrocalorique à l'avenir offre à l'industrie une voie à suivre où ses seules émissions sont liées à la consommation d'énergie et à l'extraction de métaux, qui seront alimentées par des énergies renouvelables.
Source : Carrier Global
2. Industrie Daikin
L'entreprise japonaise fondée en 1924 peut se targuer d'être le numéro 1 mondial de la climatisation.
L'entreprise est active dans le secteur des pompes à chaleur depuis 2006 et a établi dès 2008 une alliance commerciale avec Appareil électrique Gree, premier fabricant chinois de systèmes de climatisation.
Il se vend principalement sur le continent américain, en Europe et en 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 liquide de refroidissement R32, dont l’effet sur le réchauffement climatique est bien moindre que celui de ses concurrents.
Cela signifie que l’émergence de systèmes électrocaloriques pourrait constituer à court terme une menace pour la position concurrentielle de l’entreprise.
Source: Daikin
Mais en même temps, cela reflète l'attention préexistante de l'entreprise sur l'impact environnemental des systèmes de refroidissement et sur ses capacités d'innovation (elle a investi 300 millions de dollars dans un nouveau centre de R&D en 2015) et en ferait un bon candidat pour développer ces systèmes à l'échelle commerciale.
Une forte indication de l'engagement de Daikin en faveur de l'innovation respectueuse de l'environnement est l'accès gratuit dans le monde entier aux brevets de base pour le R32 depuis 2015 et l'accès gratuit en 2019 à tous les brevets du groupe depuis 2011.
3. Groupe NIBE
Les investisseurs intéressés par les perspectives des pompes à chaleur et des systèmes électrocaloriques pourraient vouloir une entreprise entièrement dédiée au secteur, sans les distractions et les risques associés aux autres technologies.
Dans ce cas, ils pourraient être intéressés par Nibe, un fabricant européen de Les pompes à chaleur, aussi bien que poêles à bois (une autre source de chaleur neutre en carbone).
L'entreprise est originaire de Suède et réalise toujours une grande partie de ses ventes dans les pays nordiques ainsi qu'en Europe. Elle comptait 21,333 2022 salariés en XNUMX.
Source: Nibe
Les pompes à chaleur de l'entreprise ont évité les émissions de 360,000 2 tonnes de COXNUMX en seulement un an.
En tant qu'entreprise plus ciblée, Nibe est aussi grande que Daikin ou Carrier lorsqu'il s'agit uniquement de pompes à chaleur.
Les recherches sur les matériaux électrocaloriques étant en cours 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.
