POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 967 – février 2020

Sans compresseur ni réfrigérant

Des principes de fonctionnement alternatifs pour les pompes à chaleur

Offrir une réponse au changement climatique exige de s’intéresser à des procédés alternatifs permettant d’appréhender autrement la technique des pompes à chaleur. Si les effets magnétocaloriques et élastocaloriques sont connus depuis longtemps, ils génèrent aujourd’hui un regain d’intérêt suite à leurs avantages par rapport aux principes de fonctionnement conventionnels. Les appareils, basés sur des caractéristiques de certains métaux, n’ont pas besoin de compresseur. Une journée d’étude DKV à Ulm (Allemagne) a abordé cette question. Comme on arrive aujourd’hui à développer des matériaux adéquats, la branche s’attend à ce que ce principe soit aussi appliqué dans une production de masse.

Un intérêt croissant pour les alternatives

Felix Welsch, collaborateur scientifique dans le domaine des systèmes de matériaux intelligents et spécialiste en chauffage élastocalorique à l’Université de la Sarre, le confirme : « L’intérêt est immense. Nous recevons des demandes pour le conditionnement d’air dans les bâtiments et les véhicules, principalement combiné à l’électromobilité. Cela va des systèmes de conditionnement d’air mobiles, par des application pour la maison ou le bureau en été, jusqu’aux installations de chauffage. La prise de conscience est là. Nous travaillons actuellement sur des concepts pour le marché de masse. »

A l’instar de la technique magnétocalorique qui a donné lieu dans les années ’70 à des publications sur les applications potentielles en technique de refroidissement, la technique électrocalorique a connu une existence assez discrète. Les problèmes de matériaux étaient trop complexes et le marché potentiel était trop petit pour que les producteurs d’acier investissent dans cette branche de la métallurgie. Le paysage de la pompe à chaleur était dominé par les systèmes traditionnels et un cycle à compression.

La situation a entretemps complètement changé. Des thèmes comme le changement climatique, les émissions de CO₂, l’efficacité énergétique, le GWP et la suppression progressive de l’énergie nucléaire et des centrales à charbon poussent à rechercher des alternatives zéro émission pour remplacer à terme la technologie de chauffage actuelle.

Une pompe à chaleur, pas un générateur de chaleur

Dans le cas de ces concepts, tout tourne autour du transfert de chaleur. Ce principe est davantage appliqué dans le secteur des énergies renouvelables. Une pompe à chaleur conventionnelle n’est pas un générateur de chaleur au sens strict; aucune énergie chimiquement liée dans le mazout, le charbon ou le gaz n’est convertie en chaleur. La pompe à chaleur ne fait que transférer de la chaleur provenant notamment du sol, vers le salon où la température est plus élevée. L’élévation de la température, par exemple de 283 K à 303 K, et l’absorption et le dégagement de chaleur ont classiquement lieu avec un compresseur qui alimente un cycle de changement de phase du réfrigérant. L’évaporation et la condensation assurent la conversion de l’énergie.

Cependant, il est possible de réaliser cela sans composants spécifiques. Une transition de phase à forte intensité énergétique peut également avoir lieu dans des solides comme le métal ou la céramique, et nous ne parlons pas ici de phénomènes connus comme la fusion ou la solidification. Les phénomènes en question ne se produisent pas naturellement à température ambiante. Les producteurs d’acier sont aujourd’hui parvenus à faire baisser la température – à laquelle la transition a lieu – jusqu’à un niveau qui permet de l’utiliser dans des applications de chauffage. Cette transition de phase exige cependant une mise en route. Il faut donc générer soit un champ magnétique (magnétocalorique) soit une tension mécanique (élastocalorique).

Changement du spin des électrons

Les matériaux magnétocaloriques s’échauffent sous l’influence d’un champ magnétique et refroidissent lorsque le champ disparaît. Ce qui est remarquable ici, c’est que ces matériaux refroidissent jusqu’à une température plus basse que la température initiale du procédé. Cela a à voir avec les modifications apportées aux électrons dans le matériau, en quelque sorte une transition de phase dans le spin des électrons. L’effet est activé par le champ magnétique. L’énergie utile à cela est extraite de l’environnement. Ce qui explique l’effet de refroidissement. Dès que le champ magnétique disparaît, l’énergie absorbée est libérée. Elle peut être utilisée pour le chauffage. Les pertes, typiques à chaque procédé, sont couvertes par l’électricité. Sans le courant du champ magnétique, le matériau ne pourrait donc pas refroidir jusqu’en deçà de la température initiale. Pour obtenir un effet utile, le chauffage et le refroidissement ne peuvent pas avoir lieu dans le même espace. Dans la pratique, le matériau subit une rotation qui l’amène et le retire du champ magnétique.

La difficulté consiste à trouver un alliage qui génère des températures élevées en utilisant des faibles champs magnétiques générés par les aimants permanents. Des éléments comme le lanthane, le gadolinium, le nickel, le manganèse ou le fer entrent en considération. Pour un obtenir un effet maximal, l’alliage doit être très pur. De plus, le changement dans le spin des électrons doit avoir lieu à des températures très précises. Une pompe à chaleur absorbe l’énergie de l’environnement, via le côté sous-refroidi du matériau où l’énergie est stockée de manière latente suite au changement de la structure des électrons. Dans la pratique, la température source n’est jamais exactement la même. Dès lors, seuls les matériaux où cet effet se produit dans une zone de température relativement large sont pris en considération pour les applications commerciales.

Les matériaux magnétocaloriques réagissent mal aux températures fluctuantes. Généralement, ils ne fonctionnent bien que dans une zone de température étroite de quelques degrés Celsius. Comme source de chaleur, la préférence va donc à un environnement stable comme la géothermie. L’air extérieur, où des différences de température peuvent se produire, est moins adapté.

Outre la qualité, la disponibilité du matériau joue un rôle. Le gadolinium est par exemple idéal comme matériau mais il est rare et donc toute production de masse est exclue.

Par ailleurs, ce principe ne permet de réaliser qu’une différence limitée de température. L’institut Fraunhofer des techniques de mesures physiques IPM travaille sur une cascade de pompes à chaleur: une commutation en série de cellules avec des matériaux ayant une température de réaction à chaque fois différente. Un fluide caloporteur interne chauffé de 2 à 5°C à chaque étape est utilisé à cet égard.

Applications concrètes

Des applications sont déjà disponibles sur le marché comme produit de série. BASF propose son Quice depuis cinq ans environ, un alliage métallique à base de fer et de manganèse, développé dans le cadre d’un projet avec la TU Delft néerlandaise. D’autres entreprises et établissements expérimentent divers alliages. D’après IPM, un COP variant entre 6 et 8 pour le chauffage devrait être possible avec les appareils matures.

Ce qui est intéressant avec les pompes à chaleur magnétocaloriques, c’est que l’on peut concevoir des appareils sans pièces rotatives ni liquides de refroidissement nocifs, dont le rendement est 30% supérieur à un système traditionnel. Cela génère de l’intérêt auprès des sociétés de logement. La Deutsche Wohnen a ainsi investi dans la start-up Wirmag et la production de pompes à chaleur magnétocaloriques. L’assortiment comprendra cinq modèles avec des puissances allant de 3 à 30 kW. Le COP serait de 5. Deutsche Wohnen est la deuxième société de logement en Allemagne avec un portefeuille de 163.000 logements et 2.600 bâtiments commerciaux.

Deux pourcents de dilatation suffisent

L’effet élastocalorique ressemble au principe magnétocalorique parce qu’il s’agit aussi d’une méthode de chauffage et de refroidissement qui utilise des solides au lieu de liquides. Cependant, au lieu d’un changement dans le spin des électrons, il se produit une modification de la structure cristalline du matériau. Prenons l’exemple du nickel-titane. Lors de températures inférieures à 360°C (la température Curie du nickel), les propriétés magnétiques changent. La structure austénitique cubique à faces centrées se transforme en une structure martensitique métastable. Via des alliages spéciaux et l’application d’un refroidissement rapide du matériau, on arrive aujourd’hui à réduire sensiblement cette température de 360°C. Il est ainsi possible de passer d’une structure austénitique à une structure martensitique à température ambiante, en utilisant les contraintes liées à la dilatation et à la contraction. L’énergie pour cette variation de structure est extraite de l’environnement. Lors de ce processus, vingt à trente fois plus d’énergie est extrait de l’environnement puis délivré que l’énergie mécanique requise pour lancer le processus. L’effet élastocalorique est ici clairement plus performant que l’effet magnétocalorique.

Autre avantage: dans une maison basse énergie à ventilation équilibrée, on peut utiliser le principe élastocalorique pour alimenter une pompe à chaleur sol-air ou air-air qui réchauffe l’air d’apport avant qu’il ne pénètre dans l’habitation. L’air extérieur peut être utilisé comme source de chaleur, sur une gamme de températures de l’air relativement large.

En route vers les applications pratiques

A l’heure actuelle, l’état de la technique ne permet pas encore de construire des pompes à chaleur élastocaloriques ou magnétocaloriques pouvant concurrencer les techniques traditionnelles présentes sur le marché. Des constructeurs connus suivent ces développements de près, voire expérimentent la technologie. La pompe à chaleur de demain doit satisfaire à quatre critères : offrir un rendement élevé, être respectueuse de l’environnement en termes de climat et de couche d’ozone, avoir un bon rapport qualité-prix et un montage plug & play. Les pompes à chaleur sans compresseur sont clairement efficaces, et comme il ne faut pas de réfrigérant, la problématique des émissions nocives n’entre pas en compte. Cette dernière caractéristique est importante. Aujourd’hui, on passe à des réfrigérants comme R32 qui ont toujours un GWP d’environ 700. Comme de plus en plus de pompes à chaleur sont vendues, les émissions globales restent considérables, calculées en équivalent CO₂, tandis que les quantités autorisées ne cessent de diminuer dans le cadre de la réglementation sur les gaz F. Si la vente des pompes à chaleur est par exemple quadruplée, et le GWP des liquides de refroidissement à peine divisé en deux, le plafond sera rapidement atteint. Voilà pourquoi on recherche des alternatives. Si on parvient à produire des appareils plug&play économiquement viables selon ce principe, ceux-ci seront promis à un bel avenir.

Traité par: Alex Baumans

www.ipm.fraunhofer.de

www.uni-saarland.de