Faire du froid sans polluer

15 07 2021
Olivier Mary
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En captant le rayonnement solaire pour désorber l’eau, les adsorbants absorbent la chaleur associée et maintiennent ainsi le froid. Ils peuvent être utilisés dans les pompes à chaleur.

Des scientifiques de l’institut Charles Gerhardt de Montpellier et d’un laboratoire de recherche coréen ont élaboré un matériau hybride nanoporeux pour des systèmes de réfrigération solaire. Il pourrait permettre de remplacer des fluides frigorigènes polluants, par exemple présents dans les pompes à chaleur.

P our produire du froid, les fluides frigorigènes sont encore couramment utilisés. Après les chlorofluorocarbones (CFC) qui dégradent la couche d’ozone, les industriels ont mis au point les hydrofluorocarbures (HFC). Mais ils sont de puissants gaz à effet de serre (GES) et l’Union européenne tente de limiter leur usage (voir Énergie Plus n° 643/644). Une alternative existe à travers les systèmes solaires thermiques fonctionnant sur le principe d’adsorption d’eau. Comprendre l’adsorption L’adsorption est un phénomène de surface où des atomes, des ions ou des molécules (adsorbats) d’une phase gazeuse ou liquide se fixent sur une surface solide (adsorbant). Cette dernière est capable de fixer l’eau dans ses pores et de la libérer sous l’effet de la température. En captant le rayonnement solaire pour désorber l’eau, les adsorbants absorbent la chaleur associée et maintiennent ainsi le froid dans une enceinte. Ces matériaux peuvent aussi être utilisés dans les pompes à chaleur (PAC). « Actuellement, ce sont essentiellement des zéolithes appelées SAPO-34. Ils ont des capacités d’adsorption intéressantes pour l’eau mais nécessitent des températures de désorption de plus de 90 °C », explique Guillaume Maurin, chercheur à l’institut Charles Gerhardt. Cela consomme beaucoup d’énergie. En outre, ce composé nécessite l’utilisation de solvants polluants.

Une alternative peu couteuse

Pour pallier ces problèmes, des chercheurs de l’institut Charles Gerhardt de Montpellier viennent de mettre au point un nouveau matériau nanoporeux pour les systèmes de réfrigération à adsorption en collaboration avec une équipe coréenne. « Nous cherchons à découvrir des matériaux poreux qui adsorbent autant d’eau que le SAPO-34 mais qui fonctionneraient à des températures de 65 °C -70 °C », précise Guillaume Maurin. Ce matériau découvert par les scientifiques fait partie de la famille des Metal-Organic- Framework (MOF), formés par l’association d’un oxyde de métal et d’un ligand organique. Baptisé KMF-1, il est constitué de chaînes d’oxyde d’aluminium connectées par des cycles aromatiques formant des canaux microporeux. Il peut adsorber une quantité importante d’eau et la désorber à une température inférieure à 70°C. « À cette température, l’énergie solaire thermique peut mener le cycle à bien », ajoute Guillaume Maurin. En outre, sa capacité d’adsorption d’eau atteint 0,4 gramme par g d’eau adsorbée contre 0,3 g pour le SAPO-34, et son prix devrait être moins cher que ce composé car il ne nécessite ni métal ni solvant.
 

Propriétés modélisées

Pour découvrir ce matériau, les chercheurs du laboratoire montpelliérain spécialisé dans le design de matériaux ont simulé différentes tailles de pores ou de types de chimie du solide pour en déduire les propriétés d’adsorption du matériau. Une fois satisfaits de ses caractéristiques potentielles, ils ont transféré leurs informations à des expérimentateurs (ceux de l’équipe coréenne) pour qu’ils le synthétisent. Les Coréens ont pu confirmer que ce métal présente bien les propriétés modélisées par ordinateur. Pour l’instant, cette recherche reste fondamentale. « Nous envisageons ensuite une montée en échelle de la synthèse de ces matériaux. Au départ, ils sont seulement conçus à l’échelle du gramme. Il faudra atteindre le kilogramme. Ensuite, il serait pertinent de mener des tests plus longs sur des prototypes pour se rapprocher de l’échelle industrielle », note Guillaume Maurin. Si toutes les étapes intermédiaires sont validées, on pourrait envisager une commercialisation d’ici cinq ans. Mais cela dépendra de l’essor de technologies comme les PAC car leurs parts de marché restent relativement faibles.

 

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