PartagerRefroidissement calorique : état de l’art et perspectives
Dans leur article de synthèse (1) récemment publié dans la Revue Internationale du Froid, A. Greco et al. soulignent que depuis 1976, année du développement du premier réfrigérateur magnétique à température ambiante, jusqu’à il y a quelques années encore, le refroidissement magnétocalorique était parmi les technologies à l'état solide les plus étudiées comme alternative au froid à compression de vapeur. Pendant cette période, un nombre remarquable de prototypes de réfrigérateurs ou de pompes à chaleur magnétiques a été construit.
Au cours des dernières années, l'attention portée au refroidissement à l'état solide s'est progressivement étendue, au-delà de l’effet magnétocalorique, à trois autres effets caloriques à température ambiante applicables aux systèmes frigorifiques et aux pompes à chaleur, à savoir les effets électro-, élasto- et baro-caloriques. Comme le soulignent les auteurs, cela s’est traduit par le changement de sous-titre des conférences Thermag de l’IIF – lancées en 2005 pour rassembler la communauté scientifique et permettre de diffuser un panorama périodique des dernières évolutions concernant les matériaux et des prototypes magnétocaloriques – qui depuis 2018 s’intitule « Conférence internationale sur le refroidissement calorique » et regroupe le refroidissement magnétocalorique, électrocalorique, élastocalorique et barocalorique. La prochaine conférence Thermag IX se tiendra à College Park, Maryland aux États-Unis du 7 au 11 juin 2020. (2)
Dans leur article, les auteurs donnent un aperçu des progrès réalisés par la communauté scientifique du froid basé sur l’effet calorique à l'état solide dans la réalisation de dispositifs. En retraçant toute l’histoire du développement des prototypes, ils ont constaté à quel point la recherche se caractérisait par des étapes soudaines se traduisant par des avancées décisives. Par exemple, l’introduction de systèmes à aimants permanents rotatifs a radicalement changé la conception des dispositifs magnétocaloriques, alors que la découverte de? «?l’effet électrocalorique géant » a ouvert la voie à l’utilisation de ce phénomène pour des applications de refroidissement.
Des étapes importantes ont été franchies, en particulier dans le développement de prototypes magnétocaloriques avec la réalisation de dispositifs pouvant produire une puissance de refroidissement jusqu’à 3 042 W, ou une plage de température pouvant atteindre environ 40 K.
L’obstacle majeur au développement du froid élastocalorique est la résistance à la fatigue des matériaux élastocaloriques utilisés ; actuellement, elle ne permet pas la construction de dispositifs durables. Des travaux de recherche supplémentaires doivent être menés dans de domaine.
Des résultats moins remarquables ont été obtenus dans le développement de dispositifs électrocaloriques, basés sur la régénération active, en raison des pertes élevées liées à la génération de champs électriques qui réduisent considérablement les performances énergétiques des prototypes réalisés.
La technologie barocaloric semble être une option prometteuse sur laquelle la communauté scientifique jette actuellement les bases de la réalisation d’appareils de chauffage et de refroidissement.
De nos jours, les chercheurs s’orientent vers de nouvelles voies prometteuses, parallèlement à la régénération active. L'une d'elles concerne les commutateurs thermoélectriques utilisés pour les applications de refroidissement magnétocalorique et électrocalorique. Une telle technologie a l’avantage de ne pas présenter de pièces mobiles, ce qui permet la miniaturisation et le fonctionnement des appareils à des fréquences plus élevées.
Une perspective intéressante sur l'application synergique d'applications magnétocalorique et thermoélectrique pour le refroidissement a également été présentée récemment. De même, un modèle de pompe à chaleur à petite échelle basé sur des matériaux thermoélectriques et électrocaloriques a été introduit. Une autre solution consiste à utiliser simultanément plusieurs effets caloriques pour le refroidissement – effet multicalorique – générés par des champs de différentes natures.
La plupart des études publiées jusqu'à présent sont encore théoriques ; des chercheurs ont toutefois présenté des applications plus pratiques à des fins de refroidissement, qui ont permis de modéliser un refroidisseur à l’état solide efficace basé sur la technologie des multiferroïques en couches. D'autres chercheurs ont proposé une preuve de concept basée sur un cycle de refroidissement multicalorique dans lequel l'hystérésis thermique est également prise en compte.
Les auteurs concluent que la technologie du froid et des pompes à chaleur à l'état solide a fait de grands progrès au cours de la dernière décennie et espèrent que les travaux de recherche menés permettront une mise en œuvre à grande échelle ainsi qu’une amélioration de la compétitivité des prototypes à l'état solide basés sur les effets caloriques.
(1) A. Greco a , C. Aprea b , A. Maiorino b , C. Masselli; A review of the state of the art of solid-state caloric cooling processes at room-temperature before 2019: A télécharger dans la base de données Fridoc (gratuit pour les membres de l’IIF).