POMPES À CHALEUR
Install Magazine 994 – novembre 2023
Avancées des pompes à chaleur électrocaloriques
Un projet de recherche allemand développe une commande performante
Dans le cadre du projet ElKaWe, divers instituts au sein du centre d’expertise allemand Fraunhofer mènent des recherches sur les pompes à chaleur électrocaloriques en tant qu’alternative au cycle de compresseur usuel. Les pompes à chaleur électrocaloriques présentent deux avantages importants par rapport aux variantes entraînées par compresseur : elles peuvent atteindre des rendements beaucoup plus élevés et ne nécessitent aucun réfrigérant. L’institut de recherche a franchi une étape importante vers une application pratique du principe électrocalorique, à savoir le développement d’une électronique de commande à haute performance.
Alternative prometteuse
Les pompes à chaleur basées sur l’effet électrocalorique constituent une alternative prometteuse à la génération actuelle d’appareils à entraînement par compresseur. Alors que ces derniers ne peuvent atteindre qu’un rendement de 50 % par rapport à la limite théorique de Carnot, les électrocaloriques peuvent monter jusqu’à 85 %. En outre, aucun réfrigérant n’est nécessaire ; il est fait usage de l’effet électrocalorique. Il s’agit d’une propriété de matériaux spécifique à base de céramique ou de polymère ; ils s’échauffent lorsqu’ils sont placés sous tension électrique. Cette chaleur peut ensuite être évacuée par un transfert thermique refroidissant le matériau alors qu’il reste sous tension électrique. Si la tension électrique est ensuite coupée, le matériau se refroidira davantage et atteindra donc une température inférieure à la température de départ. Cela permet au matériau d’extraire la chaleur d’une source de chaleur externe, créant ainsi un cycle de pompe à chaleur.
Le projet ElKaWe regroupe des chercheurs de six instituts Fraunhofer et vise à mettre au point des technologies sans émission pour le refroidissement et le chauffage. Un élément clé dans l’application pratique du principe électrocalorique réside dans l’électronique de commande. Elle doit garantir que les éléments électrocaloriques soient chargés et déchargés plusieurs fois par seconde, sans perte de rendement.
Électronique de commande performante
Dans ce contexte, Fraunhofer IAF travaille sur des composants basés sur le nitrure de gallium semi-conducteur (GaN) pour accroître la densité de puissance et le rendement. Les chercheurs ont réussi à réaliser une topologie de commutation ultra-efficace basée sur des transistors GaN atteignant un rendement électrique dans le circuit de 99,74 %, là où les techniques actuelles restent inférieures à 90 %.
Ce gain de rendement a une influence majeure sur le COP de l’ensemble du système. Jusqu’à présent, les pertes dans l’électronique ont constitué un frein majeur au succès de l’application des pompes à chaleur électrocaloriques. Selon le groupe de recherche, une nouvelle génération d’appareils est désormais à l’horizon avec un rendement nettement supérieur à 50 % par rapport au maximum théorique. Cependant, des recherches supplémentaires sont requises avant de pouvoir parvenir à un moyen de refroidissement et de chauffage exempt d’émissions.
Par Alex Baumans
