Domaines d'applications des MCP

1.4. Domaines d'applications des MCP

L'utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) pour le stockage d’énergie thermique a suscité un regain d’intérêt ces dernières années [20]. Cela est dû au fait que les MCP ont de fortes densités de stockage (quantité d'énergie stockée par unité de masse). En outre, ces matériaux peuvent être appliqués dans plusieurs domaines.

1.4.1 Transport de produits alimentaires

Les MCP sont utilisés dans l’industrie agroalimentaire, pharmaceutique et médicale pour limiter au maximum les variations de température que subissent les aliments, les médicaments ou les composants sensibles par exemple le cas du transport du sang. Ils se présentent principalement sous la forme de petits sacs en plastiques contenant le matériau choisi disposé au plus près du produit à conserver, voir figure 1.6.

Figure 1.6 : MCP dans le transport de produits alimentaires [20] 1.4.2 Applications médicales

Dans le secteur médical, une des applications principales est le transport de sang et d’organes Figure 1.7. D'autres applications médicales peuvent être des coussinets chauds ou froids pour traiter la douleur locale dans le corps.

Figure 1.7 : Récipient pour transporter le sang et les organes contenant du MCP [20]

1.4.3. MCP dans Textile

Dès l’introduction des vêtements perméables et imperméables, la fonctionnalité des textiles a pris de plus en plus d’importance. Par exemple, les vêtements de ski utilisent un MCP

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incorporé dans le textile. Quand le sportif est en phase active, le MCP absorbe la chaleur de sa peau et le refroidit, alors que lorsqu’il n’est plus en phase active, le MCP émet de la chaleur et réchauffe le sportif. Les matériaux MCP sont utilisés sous forme de microcapsules placées au cœur des fibres, qui absorbent, stockent et libèrent l'énergie de façon réactive afin de réchauffer lorsqu'il fait froid ou de rafraichir lorsqu'il fait chaud. Les MCP interviennent pour réguler les transferts de chaleur entre le corps humain et l'extérieur figure 1.8.

Figure 1.8: Principe du textile avec MCP [20]

1.4.4. MCP en réfrigérateur domestique

Actuellement des réfrigérateurs fonctionnant en permanence ont des médiocres performances énergétiques (coefficient de performance de l'ordre de 1)[20]. Ces appareils consomment 18 milliards de kWh ce qui équivaut à 20% de la consommation résidentielle d’électricité et contribuent ainsi à l'effet de serre à hauteur de 2,25 milliards de tonnes de CO2/an. L'intégration de matériaux à changement de phase dans un réfrigérateur domestique est une solution technologique innovante et économique pour réduire cette consommation d'énergie et limiter les pics de puissance en électricité.

L’effet de la plus grande inertie thermique apportée par ces matériaux aura également pour conséquence de limiter le nombre d'arrêt démarrage (chaque démarrage étant caractérisé par une surconsommation électrique), de privilégier certaines heures de fonctionnement dans la journée et de stabiliser la température pour une meilleure conservation des aliments.

Afin d'estimer le comportement et la performance du nouveau système et établir un dimensionnement optimal d'un prototype qui permettra de démontrer la faisabilité de ce concept, ils ont développé une modélisation du fonctionnement du cycle à compression de vapeur en régime non établi couplé à un dispositif de stockage de froid. La figure 1.9montre un exemple d’un réfrigérateur domestique contenant le matériau à changement de phase.

Symboles Grecs

Symboles Notation Unités

s diffusivité du solide

s diffusivité du liquide

 Angle d'ouverture rad

α absorptivity of the receiver

η efficacité thermique instantanée

ηo efficacité optique

θ incidence angle of the solar radiation

ρ reflectivity

τ transmitivity of the receiver

ᵝ

μ viscosité dynamique Kg.m-1.s-1 𝜆 conductivité thermique W.m-1.K-1 Indice : s : Solide ℓ : Liquide Abbreviations

HTF heat transfer fluid PCM phase change material PTC parabolic through collector

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surfaces en contact. La figure 1.10 montre un exemple d’un matériel électronique refroidi en utilisant un MCP.

.

Figure 1.10: Exemple d’un processeur refroidi par un MCP [21]

Une autre application concerne essentiellement les industries de l’informatique et des télécommunications dans lesquelles il est crucial de ne pas interrompre l’alimentation en énergie électrique. En cas de rupture de l’alimentation, un dispositif vient se substituer au secteur. La transition se passe généralement avec production d’un pic d’intensité de courant lors de la connexion et/ou du démarrage du dispositif de substitution (groupe électrogène, batterie d’accumulateurs, pile à combustible, etc.). La puissance dissipée lors de ce pic est alors absorbée par le MCP qui se resolidifiera progressivement lors du retour au régime normal. Cette gestion de la puissance se fait soit au niveau du système soit au niveau du composant lui-même. Ce problème de pics thermiques se retrouve sur les transistors de puissances servant de commutateurs. Par exemple dans certains transistors de puissance en carbure de silicium le MCP est placé directement en contact avec le matériau du composant voir figure 1.11 [21].

Matériaux à changement de phase et leurs applications dans les capteurs solaires

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1.4.6 Rafraichissement d’air à l’aide de MCP

Une autre voie explorée est celle des échangeurs air/MCP sous forme de plaque. Zalba et al [22] ont expérimenté des caissons contenant des plaques de MCP et dans lesquelles l’air de ventilation est forcé pour être rafraichi au contact des plaques. Le schéma du dispositif est montré dans figure1.12.

Figure 1.12: Echangeur de chaleur à MCP [22]

1.4.7. Stockage de l’énergie solaire par MCP

Actuellement l’énergie solaire est appelée à fournir une contribution importante au bilan énergétique mondiale spécialement dans les pays tropicaux, cela par la conversion de l’énergie noble (énergie solaire) en énergie thermique spontanément à température basse, moyenne ou élevée [23]. Cette énergie dépend du temps durant la journée qui est fonction de la saison, alors une énergie d’appointe est nécessaire pour assurer la continuité de fonctionnement des installations solaire. L’utilisation des matériaux à changement de phase pour stocker l’énergie est l’utilisée dans les périodes critiques était une solution inadéquate. L’une des applications les plus importantes de l’énergie solaire est le chauffage de l’eau. Cette application requiert deux composants : un capteur solaire et une unité de stockage thermique. Dans le but d’augmenter la capacité de stockage thermique, l’eau peut être remplacée par un matériau à changement de phase (MCP), caractérisé par une chaleur latente de fusion relativement élevée voir figure 1.13.

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MCP

Figure 1.13:Stockage de l’énergie dans un capteur solaire utilisant un MCP [23]

1.4.8. Isolation des bâtiments

Une autre application des MCP est l'isolation des bâtiments [24]. L'énergie stockée dans les parois (enthalpie de fusion) n'est pas transmise à l'intérieur de l'édifice. En période de surchauffe, le MCP fond et la chaleur est emmagasinée ; lorsque le bâtiment se refroidi, le MCP se solidifie et l'énergie stockée est restituée. Dans une certaine gamme de température, le MCP accroît donc l'inertie thermique du bâtiment. Les MCP utilisés en isolation sont emprisonnés dans des briques, placés dans l'enveloppe du bâtiment voir figure 1.14.

Figure 1.14 : Exemple d’utilisation d’un MCP dans les bâtiments [24]

1.4.9. Préchauffer les moteurs à combustion

Parmi les autres applications des MCP, préchauffer les moteurs à combustion interne comme les moteurs diesel avant l'allumage figure 1.15,[25]. Ce système fonctionne avec le

Matériaux à changement de phase et leurs applications dans les capteurs solaires

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dégagement de la chaleur pendant le changement de l'état de liquide au solide du MCP. Cette opération évite un grand nombre d'effets négatifs dus au démarrage à froid du moteur comme l'augmentation de la consommation du gazole. Cette batterie est connectée au radiateur, où elle stocke une chaleur supplémentaire quand le moteur tourne à sa température de fonctionnement. Cette chaleur est utile pour le démarrage à froid suivant et pour une mise en température rapide du moteur. L’énergie peut être gardée pendant deux jours à une température de -20°C à l’extérieur.

Figure 1.15: Préchauffer des moteurs à combustion utilisant un MCP [25]