Les pompes à chaleur pourront bientôt stocker et distribuer la chaleur selon les besoins.
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Des chercheurs ont mis au point un système de stockage de chaleur plus compact qu'un chauffe-eau classique. Il se recharge lorsque l'électricité est bon marché et restitue la chaleur en cas de besoin.
Les pompes à chaleur sont de plus en plus courantes dans les habitations. Mais jusqu'à présent, il était impossible de stocker la chaleur qu'elles produisent. Les chercheurs de SINTEF et de la société suisse COWA Thermal Solutions collaborent pour trouver une solution.
« Imaginez une batterie thermique qui stocke la chaleur produite par la pompe à chaleur et peut être utilisée ultérieurement. Concrètement, cela signifie que l'on tire davantage d'énergie de la chaleur stockée. Son utilisation devient plus simple et plus confortable, et l'énergie est également utilisée de manière plus intelligente », explique Galina Simonsen, chercheuse principale chez SINTEF.
Galina Simonsen est membre de l'équipe qui a développé les nouvelles batteries thermiques.
« Les batteries sont très performantes ; elles se chargent et diffusent la chaleur rapidement, ce qui permet de répondre plus facilement aux besoins. Par exemple, lorsque plusieurs personnes prennent une douche l’une après l’autre, ou lorsqu’on a besoin d’eau chaude tôt un matin froid », explique Simonsen.
Cette solution sera également avantageuse pour votre portefeuille car elle permet de stocker la chaleur excédentaire lorsque l'électricité est bon marché ou produite de manière écologique, et de l'utiliser lorsque le besoin de chaleur se fait sentir.
Les chercheurs Martin Fossen et Galina Simonsen devant le système de stockage de la chaleur excédentaire des pompes à chaleur. Crédit : Silje Grytli Tveten
Les propriétés résident dans les hydrates de sel
Les pompes à chaleur extraient l'énergie de l'environnement (air, sol ou eau) et transportent cette chaleur à l'intérieur de la maison.
Cependant, dans les habitations et autres bâtiments, les besoins en chauffage varient en fonction des habitudes d'utilisation, de l'heure, de la température extérieure et des conditions météorologiques. Les chercheurs de ce projet se sont efforcés de répondre à ces fluctuations de manière plus efficace.
« Une pompe à chaleur fonctionnant en continu est coûteuse, énergivore et peut entraîner une surcharge du réseau électrique . Grâce aux nouvelles batteries, les pompes à chaleur combinent stockage et distribution intelligente de la chaleur », explique Simonsen.
Tout d'abord, une solution pour les particuliers
L'équipe de recherche de SINTEF a collaboré étroitement avec la société suisse COWA Thermal Solutions pour développer sa solution. Bien que le stockage d'énergie thermique existe déjà, cette équipe est parmi les premières à avoir réussi à créer une solution si performante qu'elle présente un intérêt certain pour les habitations privées.
Le secret réside dans une combinaison de solutions techniques et de matériaux appelés hydrates de sel.
« Contrairement au sel que nous saupoudrons sur les aliments, les hydrates de sel emprisonnent l'eau dans leur structure et se comportent de manière unique lorsqu'ils sont exposés à la chaleur », explique Simonsen.
Les substances qui peuvent subir cette transformation physique, de la fusion à la solidification, appartiennent à un groupe plus large de matériaux appelés « matériaux à changement de phase ».
Vous pouvez ici en apprendre davantage sur la société Cartesian, qui a créé une solution similaire pour le chauffage et la climatisation des grands bâtiments, basée sur l'énergie solaire ou éolienne :
« Imaginez les batteries thermiques comme des éponges : chauffées à une certaine température, elles passent de l’état solide à l’état liquide et peuvent emmagasiner de la chaleur. En refroidissant, elles reprennent leur forme solide et libèrent à nouveau de la chaleur », explique Simonsen.
« Elles peuvent stocker beaucoup plus d'énergie thermique que l'eau, par exemple, et elles conservent la chaleur plus longtemps, même si la température ne varie pas beaucoup. »
En d'autres termes : plus de chaleur et des températures plus stables.
Solution gain de place
Les hydrates de sel ouvrent ainsi des possibilités totalement nouvelles pour des systèmes de chauffage intelligents et plus équilibrés, car le chauffage peut être déplacé vers les périodes de faible demande énergétique.
« Les hydrates de sel ne sont ni toxiques, ni inflammables, et leur coût est relativement faible. Ils constituent donc un choix sûr et judicieux pour une utilisation dans les habitations. De plus, le stockage de chaleur avec des hydrates de sel occupe moins d'espace qu'un ballon d'eau chaude traditionnel, souvent jusqu'à quatre fois moins », précise Galina Simonsen.
À propos du projet Sure2Coat
Ces travaux sont menés dans le cadre du projet Sure2Coat, en étroite collaboration avec la société suisse COWA Thermal Solutions et des partenaires de recherche. COWA a œuvré au développement et à l'amélioration des hydrates de sel grâce à de nouveaux additifs, afin de garantir la stabilité des matériaux et leur fonctionnement pendant des décennies sans altérer leurs propriétés spécifiques. SINTEF, quant à elle, a travaillé à l'amélioration du rendement des batteries.
Les systèmes traditionnels présentent souvent un faible rendement, un temps de charge long et un fort dégagement de chaleur. Grâce à l'utilisation d'ailettes de refroidissement fines, les chercheurs sont parvenus à augmenter le rendement des nouvelles batteries de 65 % à 85 %. Parallèlement, le temps de charge a été réduit de plus de 70 % et le temps de dissipation de la chaleur de plus de 80 %.
Le projet Sure2Coat est une collaboration entre 14 partenaires industriels et de recherche répartis dans sept pays européens. Il vise à développer et à mettre en œuvre des méthodes nouvelles ou améliorées de traitement et de revêtement de surfaces pour différents types de métaux. Ces méthodes sont illustrées par trois applications concrètes : les boîtes de vitesses, les chauffe-eau à gaz et le stockage de chaleur latente.
Ce projet permettra aux utilisateurs finaux de réduire efficacement leur consommation d'énergie et de matières premières, ainsi que leurs émissions de CO₂ et la pollution liée à la production. L'objectif est de contribuer positivement à l'industrie européenne et à la stratégie de croissance de l'UE en intégrant des méthodes de traitement de surface dans les chaînes de production.
Aluminium recyclé utilisé
La mission de SINTEF dans ce projet consistait à améliorer l'efficacité même du système, c'est-à-dire la manière dont la chaleur est stockée et libérée dans les batteries.
« Plus précisément, nous avons conçu et testé un type de dissipateur thermique qui améliore le transfert de chaleur dans les batteries thermiques », explique Simonsen.
Les ailettes de refroidissement sont de fines structures métalliques en aluminium recyclé qui sont d'excellents conducteurs de chaleur. Ainsi, la chaleur est répartie rapidement et uniformément dans l'hydrate de sel.
« L’aluminium est un matériau léger, doté d’une bonne conductivité thermique et facile à mettre en forme. L’utilisation d’aluminium recyclé permet également de réduire l’impact environnemental et les coûts, et contribue à promouvoir une utilisation plus circulaire des matériaux. »
Parallèlement, l'aluminium recyclé pose un problème : il peut contenir des impuretés qui le rendent plus vulnérable à la corrosion.
« La corrosion est particulièrement critique car les hydrates de sel sont agressifs pour l'aluminium, surtout en présence d'impuretés. Sans protection, les ailettes de refroidissement peuvent se dégrader avec le temps, réduisant ainsi les performances et la durée de vie de l'ensemble du système », assure Galina Simonsen.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé un type de revêtement appelé oxydation électrolytique par plasma (PEO), qui forme une fine couche céramique à la surface de l'aluminium.
« Ce revêtement est similaire à celui utilisé sur les poêles antiadhésives et offre une barrière très durable et résistante à la corrosion », explique le chercheur.