Isolation domestique programmable qui pourrait remplacer les systèmes de climatisation

L’énergie est rare et, comme toutes les choses rares, elle a un prix. C’est pourquoi l’Allemagne doit réduire considérablement sa consommation d’énergie. Il existe un potentiel important pour cela dans le domaine de l’énergie de chauffage et de refroidissement, qui représente une grande partie de la consommation d’énergie de l’Allemagne. Les matériaux innovants qui peuvent être programmés pour contrôler la transition thermique peuvent être un outil précieux dans ce scénario. L’utilisation de matériaux comme ceux-ci pourrait, par exemple, économiser jusqu’à 40 % de l’énergie utilisée pour refroidir les maisons unifamiliales.

Alors que les prix de l’électricité continuent de grimper, économiser de l’électricité est à l’ordre du jour. Mais où peut-on économiser de l’énergie ? Une possibilité réside dans le refroidissement – les jours humides, de nombreuses personnes ont recours à des systèmes de climatisation pour rester au frais entre leurs quatre murs. Mais ces appareils dévorent beaucoup d’énergie, contribuant ainsi au CO₂ les émissions et l’intensification du changement climatique. S’agit-il alors d’un cercle vicieux sans fin ?

Économiser 40 % sur l’énergie de refroidissement

Les chercheurs du Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM ont maintenant pour mission de briser ce cycle en se concentrant sur l’isolation programmable des maisons qui pourrait remplacer les systèmes de climatisation à l’avenir. “Il y a ici un énorme potentiel : jusqu’à 40 % de l’énergie de refroidissement peut être économisée de cette manière”, explique le Dr Susanne Lehmann-Brauns, dont le groupe de recherche travaille sur ce développement et sur d’autres au Fraunhofer CPM.

Le principe de la recherche est que, lorsque le soleil tape et qu’il fait très chaud, les éléments en mousse se dilatent, scellant ainsi les fentes de ventilation entre le mur du bâtiment et le revêtement pare-pluie pour empêcher le bâtiment de se réchauffer. La nuit, la mousse se contracte et ouvre les fentes d’aération, permettant à l’air frais de circuler derrière le bardage et de rafraîchir efficacement la maison.

“L’enveloppe extérieure de la maison est donc capable de détecter les températures et de réagir en conséquence”, explique le Dr Lehmann-Brauns. Mais comment tout cela fonctionne-t-il ? L’isolation programmable est basée sur une mousse qui change de forme en fonction de la température : à des températures élevées, par exemple, ses pores s’ouvrent (voir Fig. 1). Le processus de fabrication est utilisé pour ajuster la façon dont la mousse change de forme et à quelle température. Voici ce qui le rend si spécial : Le processus est réversible : la mousse est capable d’ouvrir et de refermer ses pores encore et encore. En revanche, les mousses à mémoire de forme conventionnelles ne peuvent changer de forme qu’une seule fois.

Une combinaison intelligente de trois blocs de construction

De plus, les matériaux programmables peuvent également être bénéfiques pour la gestion thermique d’autres manières. Lorsqu’il s’agit de questions difficiles en particulier, les chercheurs répondent en combinant trois éléments de base.

Le premier bloc de construction est l’isolation programmable susmentionnée. Le deuxième bloc de construction implique le transport de grandes quantités de chaleur. Les appareils techniques tels que les piles à combustible émettent beaucoup de chaleur. Si cette chaleur s’élève au-dessus de la température de fonctionnement, elle doit être dissipée – et en quantités beaucoup plus importantes que ce qui peut être dissipé à l’aide de mousse avec des trous de ventilation commutables.

Bien que les caloducs soient capables de transporter de grandes quantités de chaleur (voir Fig. 2), ils transportent ces quantités dans pratiquement toutes les conditions possibles, puisant la chaleur de la pile à combustible ou d’autres systèmes techniques même lorsque cela n’est pas souhaité. Les caloducs sont des tuyaux remplis d’eau qui sont chauffés à une extrémité, provoquant l’évaporation de l’eau puis la condensation à l’autre extrémité du tuyau. Dans certains cas, la conductivité thermique effective des caloducs est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du cuivre.

“Nos matériaux adsorbent l’eau et ne la libèrent qu’à une température définie dans le caloduc. Cela signifie qu’en dessous de cette température, le caloduc est éteint. Au-dessus de cette température, il y a suffisamment d’eau pour le fonctionnement qui peut transporter d’énormes quantités de chaleur “, explique Christian Teicht, porte-parole adjoint du groupe de recherche. Les chercheurs ont déjà déposé un brevet sur cette innovation.

Le troisième bloc de construction implique un stockage de chaleur programmable. Après tout, la chaleur s’accumule généralement à des moments et à des endroits où elle n’est pas nécessaire. Il peut être stocké dans un matériau à changement de phase surréfrigérable, puis libéré de nouveau de manière ciblée. Ces matériaux seront familiers dans des applications telles que les coussinets chauffants en gel, qui sont activés en tordant une puce intégrée. Cependant, il n’y a que quelques matériaux surrefroidissables comme ceux-ci disponibles jusqu’à présent, ce qui signifie qu’il n’y a que quelques températures de changement de phase différentes.

« Nous sommes donc en train de développer d’autres matériaux pouvant être surfondus bien en dessous de leur température de fusion et activés de manière très ciblée pour libérer leur chaleur (voir Fig. 3) », décrit Christian Teicht.

Un exemple d’une telle utilisation concerne les batteries qui sont exposées aux fluctuations naturelles de température, par exemple dans les voitures électriques. L’excès de chaleur généré pendant la charge et le fonctionnement de la batterie peut être stocké dans les matériaux commutables, ce qui signifie que la batterie est efficacement protégée contre la surchauffe. De plus, la chaleur peut être stockée pendant pratiquement n’importe quelle période de temps sans perte car le matériel programmable peut être refroidi à température ambiante lorsqu’il est chargé. La chaleur peut être à nouveau libérée si nécessaire, par exemple lors du démarrage à froid de la batterie en activant le matériau de manière ciblée.