Les alliages eutectiques améliorent le stockage saisonnier de l’énergie thermique
Cela fait plus de deux décennies que l’UE est à l’avant-garde du déploiement mondial des énergies renouvelables. L’adoption d’objectifs à long terme et de mesures de soutien a entraîné une forte croissance de ces dernières, qui devraient passer d’une part de 9 % de la consommation d’énergie finale brute en 2005 à environ 20 % en 2020. Le déploiement des énergies renouvelables doit toutefois être combiné avec une forme de stockage de l’énergie permettant de gérer les fluctuations de la production d’énergie. Le stockage d’énergie thermique peut équilibrer la demande d’énergie entre le jour et la nuit, et stocker la chaleur estivale pour le chauffage en hiver ou le froid en hiver pour la climatisation en été. Le concept de stockage de l’énergie thermique semble simple à première vue, mais une analyse plus poussée révèle une situation plus complexe. Les problèmes liés aux matériaux à changement de phase (MCP) commerciaux «Les techniques de stockage de l’énergie thermique qui exploitent la chaleur latente ont suscité beaucoup d’intérêt ces derniers temps parce que leur niveau de préparation devrait bientôt permettre un usage commercial pour les systèmes d’utilisation de l’énergie solaire», note le professeur Khamid Mahkamov, responsable du projet THERMOSTALL, une initiative financée par l’UE bénéficiant d’une bourse individuelle Marie Skłodowska-Curie. Il faut relever plusieurs défis avant de pouvoir exploiter les MCP. Ces matériaux accumulent ou relâchent des quantités énormes d’énergie au cours de leur transformation de phase en absorbant et en libérant de l’énergie thermique, respectivement lors de la fusion et de la congélation. Ils présentent certaines caractéristiques attrayantes, notamment une chaleur de fusion latente élevée, une forte conductivité thermique, une chaleur et une densité spécifiques élevées ainsi qu’une grande durabilité quand ils sont soumis à des cycles répétés. «Les sels organiques et hydratés comptent parmi les MCP les plus connus utilisés dans les systèmes d’énergie solaire. Toutefois, leur faible conductivité thermique, leur faible densité et, selon les cas, leur instabilité chimique et leur tendance à surchauffer constituent un obstacle à une adoption généralisée dans les systèmes d’utilisation de l’énergie solaire», explique le professeur Mahkamov. En raison des propriétés thermophysiques inférieures de ces MCP, les systèmes de stockage de l’énergie doivent avoir de grandes dimensions et ne disposent pas d’une efficacité élevée en termes de charge/décharge. Les alliages eutectiques s’imposent dans le domaine du stockage de l’énergie thermique THERMOSTALL a trouvé une solution possible à ces problèmes: les alliages métalliques eutectiques. En d’autres termes, les chercheurs ont utilisé un mélange d’alliages de faible pureté constitué de métaux à bas point de fusion. Ces nouvelles formulations de MCP devaient être utilisées dans les systèmes de stockage saisonnier de l’énergie thermique dans les logements et les petits bâtiments commerciaux. «Les propriétés favorables des alliages métalliques à bas point de fusion en font des options idéales dans divers secteurs, notamment dans le domaine de l’électronique. Pourtant, c’est la première fois qu’on s’en sert pour l’accumulation d’énergie thermique», note le professeur Mahkamov. Les matériaux eutectiques présentent plusieurs caractéristiques intéressantes: ils sont stables, la conduction thermique est deux fois plus élevée que pour les MCP classiques, tandis que leur capacité de stockage thermique est trois fois plus grande. Les alliages eutectiques commerciaux sont généralement d’une grande pureté et s’avèrent donc relativement coûteux. Pour minimiser les coûts, les chercheurs se sont concentrés sur les alliages de faible pureté et leurs échantillons ont été frittés en laboratoire. Ils ont expérimenté un large éventail de métaux avec des points de fusion compris entre 70 et 230 degrés Celsius afin d’identifier les mélanges possédant les propriétés thermophysiques les plus appropriées. En utilisant la calorimétrie différentielle à balayage, l’équipe a déterminé les valeurs de chaleur latente et de chaleur spécifique des alliages préparés. «Dans l’ensemble, les alliages eutectiques peuvent réduire considérablement la complexité de conception ainsi que les coûts de fabrication des systèmes de stockage d’énergie thermique», ajoute le professeur Mahkamov. Les travaux du projet ont abouti à la conception d’un prototype pré-commercial pour le stockage saisonnier de l’énergie thermique pour les bâtiments résidentiels et ceux des petites entreprises.
Mots‑clés
THERMOSTALL, matériau à changement de phase (MCP), alliages eutectiques, stockage saisonnier d’énergie thermique, chaleur latente, fusion à basse température, prototype
