DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Refroidissement radiatif passif – RADCOOL

Des super-refroidisseurs économes en énergie : la climatisation passive, une solution à la surconsommation énergétique

En raison de la demande croissante de confort des logements et de l'augmentation de la température due au réchauffement climatique, la consommation d'énergie pour la climatisation augmente, impactant fortement l'environnement. Limiter les dépenses pour la climatisation devient un véritable enjeu. Parmi les différentes options pour atteindre cet objectif, la conception d’un revêtement innovant permettant un refroidissement radiatif pourrait être une solution.

Conception de super-refroidisseurs radiatifs passifs

Très souvent en thermodynamique, pour avoir un bon rendement de conversion, il est nécessaire d'avoir une source de chaleur à haute température et un puit de chaleur à basse température. Or l'espace qui a une température autour de 3 K est un puits de chaleur très intéressant... si l'on est capable d'interagir avec lui. Or, l'atmosphère terrestre a une fenêtre de transparence pour les ondes électromagnétiques entre 8 et 13 µm. Cette fenêtre de transparence coïncide avec les longueurs d'onde du rayonnement thermique à des températures ambiantes typiques. En utilisant ce phénomène, un corps peut être refroidi simplement parce que sa chaleur est évacuée par rayonnement vers l'espace. C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif passif. L'utilisation de ce genre de mécanismes permettra de concevoir un système de refroidissement passif parfait pour les applications terrestres, c'est-à-dire sans apport d'énergie. <br /> <br />L'objectif de ce projet est de concevoir et d'optimiser des refroidisseurs radiatifs passifs diurnes, d'abord d'un point de vue numérique, puis de prouver expérimentalement la faisabilité du concept. Le but final est de concevoir des démonstrateurs. Les systèmes de refroidissement radiatif nocturne ont été largement étudiés. Cependant, la demande de refroidissement est beaucoup plus importante le jour, et si le refroidissement radiatif se produit naturellement la nuit car la température ambiante est basse, cela devient très compliqué le jour car le refroidisseur radiatif est chauffé par le soleil. Le refroidisseur radiatif doit donc à la fois réfléchir parfaitement le rayonnement solaire et être un émetteur quasi parfait dans la fenêtre de transparence de l'atmosphère terrestre.

Design des propriétés radiatives de métamatériaux pour le refroidissement radiatif passif

La première étape porta sur la conception théorique et numérique de métamatériaux (i.e matériaux artificiels aux propriétés radiatives innovantes) en utilisant des outils numériques d'optimisation développés par le coordinateur. La deuxième partie concerna la fabrication de ces métamatériaux. Des échantillons composés d’empilements de couches minces et/ou de gravure de réseaux micrométriques à la surface ont été fabriqués à l'Institut Pprime ainsi qu’à l’ESIEE Paris, prestataire de service identifié en amont du projet pour son expertise en termes de nanostructuration. La troisième partie concerna les mesures des propriétés optiques et radiatives des échantillons. Simulations numériques et mesures expérimentales ont alors été confrontées afin de valider la démarche scientifique de ce projet. Les indices optiques de chaque matériau ont notamment été mesurés à l’institut Pprime afin d’avoir les caractéristiques exactes de chaque couche constituant le système : le risque d'avoir des différences entre les propriétés optiques des matériaux issus de la littérature et les propriétés réelles des couches minces synthétisées n'est en effet pas négligeable. Ces mesures ont ainsi permis de réaliser de nouvelles simulations numériques avec des paramètres d'entrée plus proches de la réalité et d’améliorer considérablement le design des propriétés radiatives de ces super-refroidisseurs. Des échantillons de plus grande taille ont alors été fabriqués à l’institut Pprime et à l’ESIEE Paris pour permettre de mesurer le pouvoir de refroidissement de ces systèmes en conditions réelles.

La première année de ce projet a été consacrée au design numérique de structures mutlicouche+réseau de surface dont les propriétés radiatives permettront l’obtention d’un pouvoir de refroidissement optimal. La première campagne d’élaboration a permis la réalisation de l’empilement de couches minces sans réseau de surface. Des couches minces de chaque matériau ont aussi été fabriquées et caractérisées optiquement et thermiquement par ellispométrie et par FTIR. Les indices optiques de chaque matériau obtenu par ellipsométrie sur l’ensemble du spectre considéré ont été utilisés comme nouveaux paramètres d’entrée des codes de calculs. Les nouvelles simulations numériques ont alors été comparées avec les spectres de réflectance mesurés et une grande convergence entre résultats numériques et expérimentaux a été observée.
En parallèle, un modèle théorique pour calculer le pouvoir de refroidissement de ces structures a été réalisé. Ces résultats préliminaires étant très prometteurs, un banc de mesure expérimental a aussi été mis en place afin de pouvoir évaluer en conditions réelles la puissance de refroidissement de différents échantillons ainsi que les variations de températures des différents éléments du système.
L’utilisation du refroidissement radiatif dans les systèmes thermophotovoltaïques (TPV) a aussi été étudié. De nouvelles structures ont aussi été fabriquées et caractérisées optiquement et thermiquement.
En parallèle, une étude sur l’utilisation de nanofibres de silice comme super-refroidisseur a été entreprise. La silice, élément naturel qui permet de fabriquer le verre émet très bien dans l’infrarouge, et laisse passer le rayonnement dans le visible et donc ne l’absorbe pas. Néanmoins, il fallait également que le matériau envisagé puisse rejeter la chaleur ou réfléchir le rayonnement : si on prend l’exemple de l’eau, on sait qu’elle est transparente dans le visible, mais si on la transforme en gouttelettes, la lumière est renvoyée dans d’autres directions. On dit que le rayonnement est diffusé. C’est ce que l’on peut voir en avion au-dessus des nuages : les gouttelettes les composant sont très diffusants et au final les nuages sont très réfléchissants. Le principe est le même pour la silice avec un revêtement composé de fibres enchevêtrées pouvant se maintenir toutes seules dans l’air en formant un matelas. Ce principe est bien connu puisqu’il est utilisé dans la conception de la laine de verre. Pour d’obtenir des puissances de refroidissement optimisées, cette laine de verre doit être constituée de fibres extrêmement fines de silice (200 nanomètres de diamètre).

L’année 2020 a été consacrée essentiellement à de nouvelles études sur la conception de refroidisseurs radiatifs colorés. Le problème se complexifie alors encore un peu plus : obtenir une couleur signifie absorber une partie du rayonnement solaire et donc échauffer le revêtement et dégrader le pouvoir de refroidissement. Trois types de revêtements différents ont été proposés.

Les perspectives à ce projet sont nombreuses. De nombreuses études complémentaires seront nécessaires pour envisager un développement à grande échelle de cette technologie de production de froid : fabrication de tels revêtements pour de grandes surfaces, durabilité face aux conditions extérieures (pluie, poussières…). Le coordinateur a déjà engagé ces études qui vont au-delà des objectifs initiaux de ce projet. Un banc de test en conditions réelles d’échantillons de taille intermédiaire a été développé et permet de mesurer les variations de températures des échantillons sur des périodes de 24 à 48h en extérieur. Le coordinateur travaille aussi sur la possible association de tels refroidisseurs radiatifs aux panneaux solaires photovoltaïques afin de limiter leur échauffement et donc garantir un rendement de conversion photoélectrique élevé. De nombreuses études initiés pendant le projet sont aussi toujours en cours : Conception de refroidisseurs radiatifs colorés, meilleure prise en compte des interactions du rayonnement avec la couche atmosphérique,...

6 articles dans des revues internationales avec comité de lecture (ACL) ont été publiées à ce jour : 1 en 2018, 2 en 2019, 2 en 2020 et 1 en 2021. Les résultats obtenus au cours de ce projet ont été présentés dans de nombreuses conférences nationales et internationales : 15 présentations au total dont 3 présentations invitées. Une infographie sur ce projet est parue dans le journal « Le Monde » en 2020 et le coordinateur a partagé son expertise pour une publication dans la revue scientifique « science&avenir » en mai 2020. Enfin, un article dans la revue Microscoop, éditée par le CNRS Centre-Limousin Poitou-Charentes, est parue dans le numéro de juillet 2021.

Liste des publications :
1.Hervé A., Drévillon J., Ezzahri Y., Joulain K., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 221, 155, 2018.
2. Blandre E., Vaillon R., Drévillon J., Optics Express, 27, 25, 2019.
3.Yalcin R. A., Blandre E., Joulain K., Drévillon J., Solar Energy Materials And Solar Cells, 110320, 2019.
4. Yalcin R. A., Blandre E., Joulain K., Drévillon J., ACS Photonics, 7, 2020.
5. Blandre E., Ali Yalçin R., Joulain K., Drévillon J., Optics Express, 28, 20, 2020.
6. Yalcin R. A., Blandre E., Joulain K., Drévillon J., Journal of Photonics for Energy, 11(3), 2021.

L'atmosphère terrestre a une fenêtre de transparence comprise entre 8 et 13 µm. Cette fenêtre de transparence correspond aux longueurs d'onde d'émission thermique de corps à température ambiante. En utilisant ce phénomène, un corps peut être refroidi simplement parce que sa chaleur est rayonnée dans l'espace où la température est très faible. C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif passif. Ce mécanisme est très intéressant dans le contexte actuel où nous cherchons à améliorer l'efficacité énergétique. Cela peut par exemple être utilisé dans la climatisation : la gestion du confort thermique dans les bâtiments est incontournable de nos jours. On peut aussi citer l'exemple des Datacenters qui nécessitent une puissance de refroidissement colossale mais aussi le refroidissement de cellules photovoltaïques dont le rendement diminue drastiquement quand leur température augmente. L'objectif de ce projet est de concevoir et d'optimiser des systèmes de refroidissement radiatifs passifs, à l'aide des matériaux nano/microstructurés avec des propriétés radiatives spécifiques.
Ce projet sera divisé en trois parties. Une première partie concernera la conception et l'optimisation théorique et numérique de tels systèmes. Basé sur l'expertise du coordinateur dans le domaine du contrôle de l'émission thermique et sur les outils numériques d'optimisation qu'il a déjà développés, des systèmes hautement réfléchissants pour le rayonnement solaire et n'émettant que entre 8 et 13 µm seront développés. Le coordinateur a déjà développé des premiers modèles numériques basés sur des systèmes couplant des structures multicouches et des réseaux de surface pour obtenir les propriétés radiatives souhaitées. Ces modèles numériques seront améliorés tout au long du projet.
La deuxième partie portera sur la fabrication du système. Suite aux résultats numériques, des échantillons seront fabriqués. Tout d'abord, le coordinateur s'appuiera sur la technologie disponible dans son laboratoire. L'Institut Pprime a en effet un banc de recherche composé d'un FIB (focused ion beam) qui peut graver le réseau de surface. Le coordinateur utilisera aussi la technique DRIE (Deep Ion Etching Réactif) disponible à l'ESIEE Paris. Il collaborera avec l'équipe PPNa de l'Institut Pprime. Cette équipe possède une grande expérience dans le développement de matériaux nanostructurés. Deux techniques seront utilisées: le dépôts de couches minces par pulvérisation ou évaporation.
La troisième partie concernera les mesures des propriétés radiatives et l'indice de réfraction de chaque matériau. Pour caractériser les échantillons, l'équipe TNR dispose d'un banc de mesures optiques par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Il a déjà permis de caractériser les émetteurs thermiques sélectifs que le coordinateur a développés pour des applications thermophotovoltaïques. Les spectres de réflectivité des échantillons seront mesurés et comparés avec ceux obtenus numériquement. Des mesures seront aussi effectuées au LTEN (Laboratoire de Thermique et Energétique de Nantes) qui dispose d'un FTIR couplé à un microscope IR.
Pour calculer les propriétés radiatives du système, chaque matériau est défini par son indice de réfraction et dans un premier temps, le coordinateur utilisera les valeurs disponibles dans la littérature. Cependant, le risque d'avoir des différences entre ces données de la littérature et les propriétés réelles des couches minces synthétisées n'est pas négligeable. Par conséquent, pour réaliser des simulations numériques avec des paramètres d'entrée les plus proches de la réalité, des mesures d'indice de réfraction seront systématiquement réalisées. Ces mesures seront faite en interne à l'institut Pprime qui vient de se doter d'un ellipsomètre IR. Seuls deux laboratoires français possèdent un tel équipement.
L'objectif final est la réalisation d'un ou plusieurs prototypes de refroidisseurs radiatifs passifs à haut rendement.

Coordinateur du projet

Monsieur Jérémie DREVILLON (Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 236 520 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 36 Mois

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