Refroidir avec des céramiques électrocaloriques: approche globale vers la puissance ultime, écart de température, et le COP de la pompe à chaleur – CooliSH

Les systèmes conventionnels de réfrigération utilisent des gaz réfrigérants, dont le choix résulte d’un compromis entre efficacité, sécurité, disponibilité et impacts environnementaux. Notamment, la troisième génération de fluide réfrigérant (hydrofluorocarbons ou HFC) constitue un très puissant gaz à effet de serre (GES) responsable à lui seul d’environ 3% des émissions mondiales de GES. Même si de nouvelles alternatives à faible GES étaient mises en place, ces gaz ne peuvent pas être parfaitement confinés dans les systèmes de réfrigération, générant des fuites de gaz dans l’atmosphère dont les effets à long terme resteront à quantifier.
Les matériaux caloriques se comportent comme des réfrigérants solides, et pourraient constituer une autre voie - basée sur des principes physiques différents - et menant à des systèmes à haut rendement sans les inconvénients mentionnés plus haut. Dans ce cadre-là, les matériaux électrocaloriques, ainsi que les matériaux magnétocaloriques et élastocaloriques, ont conduit à de récentes preuves de concept expérimentales très prometteuses. Cependant, d’une part la rareté des matériaux pourrait constituer un problème majeur (terres rares par exemple), d’autre part cette alternative de réfrigération en est encore à un stade très précoce de développement et de nombreuses questions fondamentales demeurent.
La proposition CooliSH vise à étudier l'utilisation de matériaux électrocaloriques pour la réfrigération basée sur des formulations sans plomb utilisant des éléments abondants. Le projet se concentre notamment sur trois verrous scientifiques identifiés : (i) le problème complexe du transport de chaleur et de masse, (ii) la gestion de l'énergie électrique, et (iii) les difficultés de mise à l’échelle et d’intégration des fonctions nécessaires à la réfrigération dans une approche holistique.
Le premier point fait référence aux cycles thermodynamiques impliqués dans la réfrigération électrocalorique. Les processus physiques sous-jacents ne sont pas encore entièrement compris, ce qui conduit à un développement empirique par des équipes académiques. Par ailleurs, il est nécessaire d’améliorer les échanges thermiques pour permettre des dispositifs à puissance frigorifique plus élevée. Il est prévu d'étudier comment briser les flux axiaux pour améliorer l'échange de chaleur liquide-solide, par différents moyens comme par des obstacles ou une structuration des surfaces. Le projet CooliSH prévoit de développer des solutions innovantes d’échanges thermiques améliorés, validées par la modélisation et la visualisation expérimentale des écoulements et des gradients thermiques.
Le deuxième point traite de la prise en compte du problème de manière globale et rechercher des solutions pour maîtriser les processus de charge/décharge électrique des céramiques électrocaloriques, en tenant compte des effets d'échelle. Ce dernier aspect exploite l’avantage de l’actionnement des matériaux électrocaloriques par une tension électrique, qui nécessite de développer de nouvelles stratégies adaptées à un comportement capacitif hautement non-linéaire, stratégies de nature différente en fonction des gammes de puissance envisagées. Les matériaux électrocaloriques se comportent comme des capacités électriques, et convertissent une fraction de l’énergie électrique fournie en chaleur. La récupération de l’énergie électrique restante constitue un processus clé dans l’obtention d’un rapport puissance de réfrigération / consommation électrique au plus haut niveau, au-delà des systèmes actuels.
Enfin, au-delà des avancées dans chacune des disciplines susmentionnées, le projet CooliSH a pour objectif le développement d’une preuve de concept expérimentale basée sur des matériaux sans plomb, intégrant des solutions innovantes de maîtrise des transfert thermiques et de gestion de l’énergie électrique, avec des performances attendues au-delà de l’état de l’art en termes de puissance de réfrigération et de température de réfrigération.