Matériau à changement de phase

On nomme matériau à changement de phase - ou MCP - tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte.


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  • ... Les matériaux à changement de phase ont un rôle clé à jouer dans le maintien d'une température de confort au sein des bâtiments.... (source : cstb)
  • Les matériaux à changement de phase, selon ALCIMED, présentent des atouts écologiques et économiques pour la climatisation des bâtiments, ... (source : actualites-news-environnement)

On nomme matériau à changement de phase - ou MCP - tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. Cette plage est grossièrement localisée entre 10 et 80 degrés. Dans cet intervalle de température, le changement de phase prépondérant reste la fusion/solidification. Ces températures sont accessibles naturellement et sont omniprésentes dans notre vie quotidienne (température d'ambiance d'une maison, température d'un corps humain, de l'eau chaude sanitaire... )

Dans la suite de l'article, nous n'aborderons que les MCP dont le changement d'état se situe entre les phases liquides et solides.

Principe du changement de phase : chaleur sensible et chaleur latente

Tout matériau, solide ou liquide (ou gazeux) possède une capacité à stocker ou céder de l'énergie sous forme de chaleur. On peut distinguer 2 types de transfert de chaleur (ou transfert thermique)  :

Intérêts des matériaux à changement de phase

Compacité ou densité énergétique

Il est important de noter que les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de changement de phase sont énormément plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles (étant donné qu'on travaille sur des intervalles restreints de températures). C'est grâce à ces transferts latents qu'il est actuellement envisageable de diminuer énormément le volume d'un élément de stockage d'énergie (Compacité), ou encore d'augmenter particulièrement fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage (Densité énergétique ).

On notera, d'autre part, qu'un MCP peut cumuler les 2 types de transferts thermiques décrits auparavant.

Exemple :

Nom Acétate trihydrate de sodium
Tfusion 55-58 °C
Lf 242, 85.103 J/kg
Cpsolide 3, 31.103 J/ (kg. K) à 30 °C
Cpliquide 3, 06.103 J/ (kg. K) à 70 °C
ρ liquide 1279 kg/m3 à 30 °C
ρ solide 1392 3 kg/m3 à 70 °C

L'énergie E30-70 accumulée par 1 m3 de ce MCP entre 30 °C et 70 °C vaut :

E_{MCP_{∼30-70}}={V}\times{\rho_{solide}}\times{C_{p_{∼MCP∼solide}}}\times{\Delta T_{solide}}∼+∼{V}\times{\rho}\times{L_f}∼+∼{V}\times{\rho_{liquide}}\times{C_{p_{∼MCP∼liquide}}}\times{\Delta T_{liquide}}

=[{1}\times{1392}\times{C_{p_{∼MCP∼solide}}}\times{(55-30)}]∼+∼[{1}\times{1392}\times{L_f}]∼+∼[{1}\times{1279}\times{C_{p_{∼MCP∼liquide}}}\times{(70-58)}]

\mathrm{=∼5,00ˆ8\, joules∼=∼139\, kWh}

Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau (1 m3) accumulerait une quantité Eeau30-70 :

E_{MCP_{∼30-70}}={1}\times{1000}\times{C_{p_{∼eau∼liquide}}}\times{(70-30)}

\mathrm{=∼1,67ˆ8\, joules∼=∼46,4\, kWh}

Le MCP reconnu a par conséquent permis de stocker plus de 3 fois plus d'énergie pour un même volume. Il possède par conséquent une plus grande densité énergétique.


De la même manière, pour stocker 100 kWh de 55 °C à 58 °C, nous avons besoin des volumes Veau et VMCP suivants :

V_{∼eau}= \frac{{100000}\times{3600}}{{C_{p_{∼eau}}}\times{(58-55)}\times{\rho_{∼eau}}}= 28,7\, \mathrm{mˆ3}

V_{∼MCP}=\frac{{100000}\times{3600}}{{L_{f_∼MCP}}\times{\rho_{∼MCP}}}= 1,1\, \mathrm{mˆ3}

Le volume du MCP utilisé pour stocker 100 kWh entre 55 °C et 58 °C est par conséquent plus de 26 fois plus petit que celui de l'eau. Il possède par conséquent une plus grande compacité.

Régulation Thermique Passive ou Rôle Tampon

Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en temps que régulateur de température : en effet, si on intègre ce dernier à l'enveloppe (murs extérieurs, plancher, plafond, ... ) d'un bâtiment, il devient alors envisageable de stocker de la chaleur quand celle-ci est surabondante (été) ou présente au mauvais moment (dans la journée l'hiver).

D'autre part, tout MCP peut servir de déphaseur thermique : tout apport ou perte énergétique (variation de température, rayonnement solaire, ... ) en provenance du milieu ambiant peut provoquer la fusion ou la cristallisation du matériau à température quasi constante. Par conséquent, le milieu localisé de l'autre côté du MCP ne ressent pas aussitôt l'effet de cet apport ou de cette perte, mais ne commencera à le ressentir qu'après la fusion ou la cristallisation totale du matériau.

Éventail de températures

Les MCP, grâce à leur grande variété possèdent des températures de fusion différentes. Ces dernières balayent la totalité de la zone de température restrictive dans laquelle nous nous sommes positionnés originellement. Cela permet, par exemple, de choisir des températures de fusion proches de 19°C et 27°C, respectivement températures limites de confort hivernal et estival. Le paragraphe suivant présente un tableau non exhaustif de différents matériaux à changement de phase, accompagnés de leur température de fusion et autres données techniques.

Exemples et types de matériaux à changement de phase

Il existe de nombreux types de matériaux à changement de phase, de nature physico-chimique particulièrement différentes les unes des autres. Ce sont leurs caractéristiques de fusion-cristallisation qui les rendent intéressants pour le stockage de chaleur latente. Parmi ces matériaux, on distingue les 3 grandes familles suivantes :

Nom Tfusion (°C) Lf (kJ/kg) Cpsolide (kJ/ (kg. K) ) Cpliquide (kJ/ (kg. K) ρ solide (kg/m³) ρ liquide (kg/m³)
Composés Organiques
Acide formique 8, 3 247 ? 0, 099 ? 1220
Acide acétique 16, 7 194 ? ? 1266 1049
Phénol 40, 8 120 ? ? 1070 ?
Acide dodécanoïque 41-43 211, 6 1, 76 2, 27 1007 862
Acétate trihydrate de sodium 55-58 242, 85 3, 31 à 30°C 3, 06 à 70°C 1392 à 30°C 1279 à 70°C
Hydroxyde de Sodium 64, 3 272, 15 1, 88 à 30°C 2, 18 à 70°C 1720 à 30°C 1670 à 70°C
Composés Inorganiques
H2O (Eau) 0 330 2, 06 à 0°C 4, 186 à 20°C 917 à 0°C 998 à 20°C
H2SO4 (Acide Sulfurique) 10, 4 100 ? ? ? 1838
SO3 (Trioxyde de soufre) 16, 9 108 ? 0, 024 ? 1920
H3PO4 (Acide Phosphorique) 26, 0 147 ? ? 1834 1685
Ga (Gallium) 29, 8 80 0, 370 ? 5904 ?

Applications

Amélioration de la stratification d'un ballon d'eau chaude sanitaire (ECS) solaire

Stockage solaire thermique classique

Schéma de principe d'un Chauffe-eau solaire pourvu d'un échangeur de chaleur tubulaire côté ECS

Le principal problème lié à l'utilisation de l'énergie solaire thermique concerne son stockage : la production d'Eau Chaude Sanitaire (ECS) via la circulation d'eau au-travers de panneaux solaires est directement dépendante de l'ensoleillement. Cet apport énergétique a lieu qu'on en ait besoin (bénéfique) ou non (perte énergétique par surabondance). L'utilisation de MCP pour le stockage de cette énergie par chaleur latente permettrait de résoudre en partie ce problème :

La société Kaplan Energy est le premier fabricant a équiper ses CESI et SSC avec des batteries solaires thermiques constituées de MCP. Ces batteries thermiques permettent ainsi aux chauffe-eau solaires de stocker en continu la surproduction solaire de certains jours pour la restituer les jours sans soleil.

Stockage solaire thermique avec utilisation de MCP

Schéma de principe d'un Chauffe-eau solaire à stratification

Le principal problème de stockage de l'énergie au sein d'un ballon d'ECS solaire est l'absence de stratification (l'intégralité du volume d'eau chaude contenue dans le ballon n'est que rarement prélevée en une seule fois)  : le volume d'eau à l'intérieur du ballon a tendance à homogénéiser sa température lors de son retour et de son départ vers les panneaux. Une fois une température trop basse atteinte (par exemple 40°C), il n'est plus envisageable d'utiliser cette eau pour le circuit d'ECS. Pourtant, il suffit que cette chaleur soit "mieux répartie" pour qu'on puisse toujours puiser de l'eau à une température convenable (un ballon de 100L à 40°C contient la même quantité d'énergie que 2 ballons de 50L aux températures respectives de 30 et 50°C).

L'utilisation de MCP permet alors la création de "couches stratifiées" dont les températures se situeront aux environs des températures de fusion des différents matériaux utilisés. Ainsi, un puisage intermittent ou ponctuel d'ECS entraîne la baisse de température de la partie haute du ballon (cf. schéma) dépourvue de nodules (=capsules) de MCP. Par contre, un puisage plus long entraîne l'utilisation de l'énergie contenue dans les couches inférieures du ballon, c'est-à-dire de la chaleur latente contenue dans les nodules. Ceux-ci fondent si indispensable et cèdent ainsi leur énergie à l'eau de ville en la réchauffant.

Climatisation passive

Certaines entreprises comme Dupont de Nemours proposent d'ores et déjà des panneaux d'inertie thermique utilisant des MCP. Ceux-ci se présentent sous forme de panneaux rigides contenant un mélange MCP-polymère. Ces panneaux sont le plus souvent recouvert d'une feuille d'aluminium afin d'apporter de la rigidité structurelle, et eventuellement jouer le rôle de pare vapeur métallisé dans le cas ou ces panneaux seraient utilisés dans l'enveloppe du bâtiment. L'utilisation de tels matériaux présente un double intérêt :

Ainsi, en choisissant un MCP dont la température de fusion est de 20 ou 21°C, et en précisant que la température de consigne de chauffage pour un logement individuel est de 19°C maximum, nous pourrons accumuler de la chaleur dans les panneaux de MCP grâce au rayonnement solaire traversant les ouvertures (fenêtres, baies vitrées), sans pour tout autant consommer d'avantage de chauffage ni élever la température de la pièce. Cette chaleur pourra ainsi être restituée durant la nuit, dès que la température du bâtiment descendra en dessous de la température de solidification du MCP.

Intégration aux textiles : régulation thermique corporelle

Développés depuis désormais plusieurs années par la recherche spatiale aux États-Unis, les MCP font depuis peu leur apparition dans l'industrie textile. L'objectif recherché est de réguler de manière passive la température corporelle selon la température du milieu ambiant. Il devient alors spécifiquement important de trouver des matériaux dont les températures de fusion et de cristallisation sont particulièrement proches de la température superficielle du corps humain.

Les matériaux utilisés pour ce genre d'applications sont le plus souvent des paraffines, un matériau organique à chaîne carbonnée linéaire, contenant une combinaison d'eicosane, d'octadécane, de nonadécane, d'heptadécane et d'hexadécane. Ces différents composés possèdent tous des températures de changement de phase différentes mais, une fois mélangés et encapsulés, ils se maintiennent à une température moyenne de 30-34°C, ce qui devient particulièrement confortable pour le corps humain.

L'utilisation de ces textiles peut se faire dans des domaines tels que :

Inconvénients

Prix

Bien que présents dans le commerce depuis quelques années désormais, les MCP restent des technologies moins abordables que les isolants classiques, surtout en ce qui concerne leur utilisation dans l'habitat. Néanmoins, le surcoût généré à l'investissement peut se retrouver rapidement amorti grâce aux économies d'énergie réalisées, comme le démontre une étude de l'INSA de Lyon [4] sur un produit déjà commercialisé, dont le temps de retour sur investissement est d'environ 8 ans.

Surfusion

Solidification présentant une surfusion

La surfusion correspond à l'état liquide d'un corps tandis que sa température est inférieure à la température de cristallisation. Elle n'apparaît que pour certains types de MCP comme les matériaux inorganiques. Les solutions pour remédier à ce problème sont multiples :

La surfusion empêche l'utilisation de la chaleur latente de changement de phase à la température voulue.

Cinétique de cristallisation

Les vitesses de cristallisation des MCP sont assez faibles. S'il faut trop de temps au matériau pour accumuler ou libérer de l'énergie, ce dernier perd alors en efficacité dans les applications pratiques (incapacité à "lisser" les pics de températures par exemple).

Mais cette cinétique peut être perfectionnée par l'introduction de solvants à forte polarité ainsi qu'à forte constante diélectrique au sein du MCP. Ces solvants permettent d'abaisser les tensions superficielles au niveau des interfaces liquide/solide.

Résistance au transfert thermique

Lors du changement de phase du MCP, l'échange thermique a lieu à l'interface solide/liquide. Quand le front de solidification ou de fusion se déplace, il laisse derrière lui une nouvelle phase (solide ou liquide) que le flux thermique doit traverser avant d'atteindre le front en question. Plus l'épaisseur de cette phase est importante et plus la résistance thermique qu'elle génère est grande.

Malheureusement, les MCP ont une conductivité thermique assez faible (de l'ordre de 0, 15 W/m. K) ce qui empêche d'ores et déjà un bon transfert thermique. Ce phénomène est alors augmenté par l'épaisseur de la phase à traverser. Il faut par conséquent, si on souhaite limiter ces phénomènes de résistance dus au déplacement du front thermique, faire en sorte que l'épaisseur à traverser soit la plus petite envisageable. C'est pour cela qu'on utilise fréquemment des micro-capsules sphériques qui changent aisément de phase sur la totalité de leur volume.

Confinement

L'encapsulation semble être une bonne solution au confinement des MCP. En effet, quand ce dernier est à l'état liquide, il n'a plus de tenue physique et nécessite un contenant. La difficulté technologique consiste à maximiser les échanges thermiques par l'ensemble des moyens (en choisissant de bons conducteurs thermiques pour la fabrication des capsules par exemple).

Durée de vie ?

Selon le CSTB[5], les MCP utilisés dans l'habitat auraient une durée de vie égale ou supérieure à celle des bâtiments actuels.

Aspects sanitaires et sécuritaires

Les MCP étant particulièrement diversifiés et peu utilisés à l'heure actuelle, on comprend que peu d'études systématiques aient été faites au sujet de leur impact sanitaire et des risques qu'ils représentent.

Néanmoins, la commercialisation des premiers dispositifs intégrant des MCP ne semble pas soulever de problèmes sanitaires ou réglementaires : en effet, la majorité des MCP sont constitués de matière inerte et sans danger pour l'être humain ou pour l'environnement[6].

Références

Bibliographie

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



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