Les sources d’énergie renouvelables sont de plus en plus populaires. Cependant, une telle énergie peut être gaspillée si un excédent est disponible alors qu’il n’est pas encore nécessaire. Un exemple particulièrement pertinent est l’énergie solaire; Les panneaux solaires fournissent l’essentiel de leur production pendant la journée, tandis que la plus grande consommation d’énergie d’un ménage est souvent la nuit.

Une façon de contourner ce problème est de stocker l’énergie excédentaire afin qu’elle puisse être utilisée plus tard. La méthode la plus courante consiste à utiliser de grosses batteries, mais ce n’est pas le seul jeu en ville. Les matériaux à changement de phase s’avèrent être un outil utile pour stocker l’énergie excédentaire et la récupérer plus tard – en stockant l’énergie non pas sous forme d’électricité, mais sous forme de chaleur. Jetons un coup d’œil au fonctionnement de la technologie et à certaines de ses applications les plus utiles.

Tout est question de chaleur

La courbe de chauffe de l’eau. Notez les lignes plates sur la courbe où la chaleur latente doit être surmontée pour changer de phase.

Contrairement aux batteries ou aux condensateurs, les matériaux à changement de phase ne stockent pas l’énergie sous forme d’électricité, mais de la chaleur. Cela se fait en utilisant les propriétés physiques uniques des changements de phase – dans le cas d’un matériau faisant la transition entre les phases solide et liquide, ou liquide et gazeux. Lorsque l’énergie thermique est appliquée à un matériau, tel que l’eau, la température augmente. Cependant, lorsque l’eau liquide atteint des températures proches du point d’ébullition, quelque chose d’étrange se produit.

Au fur et à mesure que l’énergie est investie, la température commence à se stabiliser. C’est parce qu’il faut mettre suffisamment d’énergie pour surmonter ce qu’on appelle le la chaleur latente de vaporisation – l’énergie nécessaire pour transformer le liquide en gaz. Finalement, une fois qu’il y a suffisamment de chaleur, l’eau se transforme en vapeur et la température est à nouveau libre de monter. Cette chaleur latente peut stocker une quantité importante d’énergie dans un matériau lors d’un changement de température relativement faible. Cette chaleur latente existe également dans les changements de phase solide à liquide, où elle est connue sous le nom de chaleur latente de fusion. En tirant parti de la chaleur latente, de grandes quantités d’énergie peuvent être stockées dans un changement relativement petit de la température réelle, et accessibles en manipulant le changement de phase d’un matériau.

Le chauffe-mains en acétate de sodium est peut-être la forme la plus courante de stockage de chaleur à changement de phase sur le marché. Ces chauffe-mains contiennent un gel d’acétate de sodium dans une pochette en plastique. Lorsque le gel reçoit un point de nucléation en ajustant un disque métallique dans le gel, il change rapidement de phase d’un liquide sursaturé à un solide. Un gel soudain comme celui-ci libère la chaleur latente que le matériau retenait sous sa forme liquide et réchauffe bien les mains de l’utilisateur. Le matériau peut ensuite être rechargé en chauffant le chauffe-mains pour faire fondre à nouveau l’acétate de sodium, avant de le laisser refroidir doucement à température ambiante. La chaleur latente sera alors piégée dans le liquide jusqu’à ce qu’il soit à nouveau perturbé, le faisant geler à nouveau.

Une grande variété de matériaux a été étudiée pour le stockage de chaleur par effet de changement de phase. La cire de paraffine est peut-être l’une des plus étudiées, grâce à son changement de phase se produisant dans une plage de température utile. Cependant, sa faible conductivité thermique limite la vitesse à laquelle l’énergie peut être échangée, ce qui nuit aux performances. Les sels hydratés ont été un autre matériau d’un intérêt significatif, bien qu’ils soient confrontés à leurs propres problèmes. Souvent, ces matériaux subissent un sous-refroidissement. Au fur et à mesure que la chaleur est extraite du matériau liquide, sa température diminue en dessous du point de congélation sans que le matériau ne devienne réellement solide. Sans subir de changement de phase, la chaleur latente reste piégée dans le liquide, et ne peut pas être extraite. De plus, comme de nombreuses chimies de batterie, des cycles répétés peuvent causer des problèmes. Le matériau à changement de phase doit conserver ses propriétés sur de nombreux cycles, sans que les produits chimiques ne tombent de la solution ou que la corrosion n’endommage le matériau ou son enceinte au fil du temps. De nombreuses recherches sur le stockage d’énergie à changement de phase sont centrées sur le raffinage de solutions et l’utilisation d’additifs et d’autres techniques pour résoudre ces défis fondamentaux. Souvent, les spécificités de ces matériaux restent un secret commercial alors que les entreprises tentent de récupérer les coûts de recherche par les ventes.

Cellules à changement de phase précoce de Sunamp pour le chauffage domestique – notez les ports de fluide d’entrée et de sortie qui alimentent l’échangeur de chaleur interne.

L’effet de changement de phase peut être utilisé de différentes manières pour stocker et économiser de l’énergie de manière fonctionnelle. La chaleur peut être appliquée à un matériau à changement de phase, le faisant fondre et stockant ainsi de l’énergie en son sein sous forme de chaleur latente. L’énergie électrique excédentaire, provenant par exemple de sources renouvelables, peut facilement être stockée dans de tels matériaux à changement de phase, car il est possible de transformer l’énergie électrique en chaleur de manière assez efficace. L’inverse n’est cependant pas si simple.

Au lieu de cela, de tels dispositifs à changement de phase sont souvent utilisés pour produire de la chaleur plus directement – soit en étant utilisés comme chauffe-eau ou pour fournir de l’énergie thermique aux processus de réfrigération. Ceci est souvent réalisé en faisant simplement passer un fluide de travail, comme de l’eau ou un réfrigérant, à travers un échangeur de chaleur en contact avec le matériau à changement de phase. Le premier a beaucoup d’applicabilité aux ménages, réduisant les coûts de chauffage et d’eau chaude résidentiels. Ce dernier est plus pertinent pour les grandes installations commerciales et industrielles. Particulièrement dans les industries telles que la vinification et l’entreposage frigorifique, la réfrigération peut être une dépense importante et essentielle pour les opérations. Même un petit pourcentage de gains d’efficacité ou une réduction de la consommation d’énergie peut avoir des retombées considérables au fil du temps.

Différents matériaux à changement de phase gèlent à différentes températures, ce qui les rend adaptés à différentes applications. Les matériaux à basse température sont utiles pour les applications de réfrigération comme dans ce projet de l’Université d’Australie du Sud.

Une autre utilisation intéressante des matériaux à changement de phase est une solution de gestion passive de la chaleur pour les bâtiments. L’idée est d’utiliser un matériau à changement de phase avec un point de fusion autour d’une température ambiante confortable – telle que 20-25 degrés Celsius. Le matériau est encapsulé dans un tapis en plastique et peut être installé dans un bâtiment dans les murs et les plafonds avec l’isolation. Le matériau agit alors comme une sorte de tampon thermique. L’énergie thermique accumulée dans une pièce peut être absorbée par le matériau à changement de phase, ce qui maintient les températures plus basses. Au fur et à mesure que le bâtiment se refroidit, le matériau peut libérer sa chaleur, agissant pour stabiliser les températures. Il peut s’agir d’un moyen léger d’augmenter la masse thermique d’un bâtiment et de réduire la dépendance au refroidissement actif ou au chauffage des systèmes CVC.

Matériau à changement de phase de marque BioPCM installé dans un plafond. Ceci est utilisé comme un moyen léger d’ajouter de la masse thermique à un bâtiment, aidant à maintenir des températures stables et confortables sans avoir besoin de chauffage et de refroidissement continus.

En regardant vers l’avenir, il se peut que le stockage d’énergie à changement de phase reste d’une utilisation limitée dans l’espace résidentiel. Bien qu’il puisse avoir des avantages, son application limitée de chauffage uniquement le rend moins attrayant que le stockage sur batterie qui peut faire fonctionner toute une maison. Cependant, pour les processus industriels, tels que la réfrigération et le chauffage de processus, il existe de nombreuses possibilités d’utilisation des technologies à changement de phase comme réserve d’énergie bon marché et efficace. Avec la recherche en cours dans le domaine, il est probable que nous verrons une plus grande adoption de cette technologie à l’avenir, à mesure que la conservation de l’énergie deviendra plus pertinente dans les années à venir.

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