Une nouvelle méthode de réfrigération très cool
Les chercheurs espèrent que le refroidissement ionocalorique pourrait un jour contribuer à remplacer les réfrigérants à fort potentiel de réchauffement planétaire et à assurer un refroidissement et un chauffage sûrs et efficaces des habitations.
L'ajout de sel sur une route avant une tempête hivernale modifie 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 mettre au point une nouvelle méthode de chauffage et de refroidissement. Cette technique, qu'ils ont baptisée "refroidissement ionocalorique", est décrite dans un article publié le 23 décembre dans la revue Science.
Ce collage représente des éléments liés au refroidissement ionocalorique, un cycle de réfrigération récemment mis au point qui, selon les chercheurs, pourrait aider à éliminer progressivement les réfrigérants qui contribuent au réchauffement de la planète.
Jenny Nuss/Berkeley Lab
Le refroidissement ionocalorique tire parti de la manière dont l'énergie, ou la chaleur, est stockée ou libérée lorsqu'un matériau change de phase, par exemple lorsqu'il passe de la glace solide à l'eau liquide. La fonte 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 grâce au flux d'ions (atomes ou molécules chargés électriquement) qui proviennent d'un sel.
Les chercheurs espèrent que cette méthode pourrait un jour permettre un chauffage et un refroidissement efficaces, qui représentent plus de la moitié de l'énergie utilisée dans les foyers, et contribuer à éliminer progressivement les systèmes actuels de "compression de vapeur", qui utilisent des gaz à fort potentiel de réchauffement planétaire comme réfrigérants. La réfrigération ionocalorique éliminerait le risque de voir ces gaz s'échapper 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 mettre au point une solution alternative qui rende les choses froides, fonctionne efficacement, est sûre et ne nuit pas à l'environnement", a déclaré Drew Lilley, assistant de recherche diplômé au Berkeley Lab et candidat au doctorat 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."
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). Cet 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 que l'on trouve couramment dans les réfrigérateurs et les systèmes de climatisation, et qui peuvent piéger la chaleur des milliers de fois aussi efficacement que le dioxyde de carbone.
Le nouveau cycle ionocalorique s'ajoute à 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 provoquer des changements de phase solide-liquide. L'utilisation d'un liquide présente l'avantage supplémentaire de rendre le matériau pompable, ce qui facilite l'entrée et la sortie de la chaleur du système, ce qui n'est pas toujours le cas pour le refroidissement à l'état solide.
Lilley et l'auteur correspondant, Ravi Prasher, chercheur affilié à l'Energy Technologies Area du Berkeley Lab et professeur adjoint en génie mécanique à l'université de Berkeley, ont exposé la théorie qui sous-tend le cycle ionocalorique. Ils ont calculé qu'il a le potentiel de concurrencer, voire de dépasser, l'efficacité des réfrigérants gazeux présents dans la majorité des systèmes actuels.
Ils ont également démontré la technique de manière expérimentale. Lilley a utilisé un sel composé d'iode et de sodium, ainsi que du carbonate d'éthylène, un solvant organique commun utilisé dans les batteries lithium-ion.
"Il est possible d'avoir des réfrigérants dont le PRG (potentiel de réchauffement planétaire) est non seulement nul, mais aussi négatif", a déclaré M. Lilley. "L'utilisation d'un matériau comme le carbonate d'éthylène pourrait en fait être neutre en carbone, car il est produit en utilisant du dioxyde de carbone comme intrant. Cela pourrait nous permettre d'utiliser leCO2 issu de la capture du carbone."
Le passage du courant dans le système déplace les ions, ce qui modifie le point de fusion du matériau. Lorsqu'il fond, le matériau absorbe la chaleur de l'environnement, et lorsque les ions sont retirés et que le matériau se solidifie, il restitue la chaleur. La première expérience a montré un changement de température de 25 degrés Celsius en utilisant moins d'un volt, une élévation de température plus importante que celle démontrée par d'autres technologies caloriques.
"Il y a trois choses que nous essayons d'équilibrer : le PRG 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."
Si les méthodes caloriques sont souvent évoquées sous l'angle de leur pouvoir 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 afin de déterminer comment la technique pourrait être mise à l'échelle 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 qu'il peut fonctionner", a déclaré Prasher. "Maintenant, il est temps de procéder à des expériences pour tester différentes combinaisons de matériaux et de techniques afin de relever les défis d'ingénierie."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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