L'effet électrocalorique ECE

Le cycle thermique concernant l'effet électrocalorique est plutôt simple, et est résumé dans le diagramme suivant :

Le cycle de température est le suivant :

Ceci implique qu'il va falloir échanger de la chaleur une première fois entre le matériau électrocalorique et une première masse thermique, puis qu'il va falloir les séparer pour ensuite échanger du froid avec une seconde masse thermique, et recommencer.

On pressent que cela ne va pas être si simple, et que ça prendra un certain temps.

Concernant les échanges thermiques, il n'y a aucun miracle. On devra suivre bêtement les règles concernant l'entropie thermodynamique, sinon cela signifie que nous devrons injecter de l'énergie = ajouter une machine frigorifique à la machine frigorifique que l'on cherche à faire, ça ferait désordre.

Il faut impérativement mettre en contact le matériau électrocalorique avec un autre matériau qui possèdera une certaine masse thermique, et surtout nous serons limité par la résistance thermique entre les deux qui ralentira les échanges.

Par exemple, dans le cas où un matériau électrocalorique s'est échauffé à la température Tc, de la chaleur Q ira du chaud vers une masse thermique froide (initialement à la température ambiante Tf), qui augmentera de température sans jamais atteindre Tc, et dans le même temps Tc diminuera, vu la perte de chaleur, mais sans atteindre Tf.

Certes, la température est un élément important, mais le transfert de chaleur l'est encore plus pour faire une machine frigorifique.

En prenant deux masses thermiques Mc et Mf, à la température initiale respectivement Tc et Tf, lorsqu'elles sont rassemblées, après un certain temps qui dépend de la conductivité thermique, la température d'équilibre finale T1 et la chaleur qui est allée de Mc vers Mf valent :

Le rapport de capacités calorifiques du matériau électrocalorique et du média en contact est d'une importance cruciale. En posant  :

Qmax est le maximum de chaleur qu'il serait possible de récupérer si on arrivait à tout extraire, ce qui est impossible thermodynamiquement parlant. Mais cela nous permet de voir ce que l'on récupère dans divers cas de rapport de masses thermiques.

On obtient :

Autrement dit, le rapport k/(1+k) est ce que l'on récupère en termes de température, et 1/(1+k) en termes de chaleur.

• Pour rapport 50/50 ─masses thermiques identiques k=1─, on récupère la moitié de la température générée et la moitié de la chaleur générée.
• Pour un rapport k = 90/10 ─une grosse masse chaude─, on récupère 9/10 soit 90% de température et 1/10 soit 10% de la chaleur : un rendement énergétique «bas».
• Pour un rapport 10/90 ─une petite masse chaude─, on observe l'inverse du cas précédent : on récupère 1/10 soit 10% de température et 9/10 soit 90% de la chaleur : un rendement énergétique «haut».

Par exemple, si la température chaude vaut 100°C et la température froide 0°C, on obtient :

Cela soulève la question : faut-il échanger de la chaleur ou de la température ? Autrement dit, le beurre ou l'argent du beurre ? La réponse n'est pas si évidente car les ΔT obtenu avec de l'électrocalorique sont faibles, trop faibles même géants, donc on veut profiter au maximum de la variation de température, mais à la fin il faudra transférer des frigories, car c'est la puissance frigorifique qui compte...

Un problème secondaire concerne les masses thermiques des électrodes ➖ et ➕ et du matériau constituant les parois du matériau électrocalorique, inévitables, et qu'il faudra réduire au maximum car c'est forcément une perte de chaleur/froid, qu'on ne sait pas rendre utile. C'est une masse thermique parasite.

Idéalement, il faudrait que le matériau électrocalorique soit autoporteur, autrement dit que le support mécanique soit également du matériau électrocalorique qui soit actif. Facile à dire.

Alors effectivement, cascader les systèmes et d'autres idées plus ou moins subtiles ont été proposées.

Mais vu la variété des propositions, et les résultats pas toujours probants, on peut déjà se douter qu'il n'existe pas de solution miracle. De plus, ces propositions impliquent moteurs ou pompes, alors que l'on souhaiterait se débarrasser non seulement des fluides frigorigènes pas toujours bons pour notre climat, mais également du compresseur...

Un tri des solutions a émergé, et voici un tableau résumant les différents types de réfrigérateurs électrocaloriques, ainsi que les principaux résultats obtenus.

Voici une brève description des premiers niveaux, histoire de voir de quoi il retourne.

La dénomination cascade provient de la mise en cascade de plusieurs blocs de matériau électrocalorique.

C'est une technique rarement proposée car elle est un peu compliquée à mettre en œuvre.

Cette méthode consiste à utiliser un ou plusieurs blocs de matériau électrocalorique, qui seront mis en contact thermique avec des diodes thermiques (par ex. un Peltier) ou des interrupteurs thermiques (en déplaçant les éléments), de manière à transporter chaleur et froid aux extrémités.

Il s'agira d'appliquer les champs électriques et manœuvrer les interrupteurs d'une manière appropriée.

La dénomination régénération provient de ... eh bien franchement, on ne comprend pas. On en reparlera plus loin, mais bon, c'est le terme utilisé.

Séparer le chaud du froid implique l'utilisation de deux masses thermiques d'échange, qui peut être plus ou moins la même si on utilise un fluide. De fait, il existe deux catégories :

On appelle ces deux catégories ainsi :

1. Régénération passive : le matériau électrocalorique est déplacé mécaniquement
2. Régénération active : un fluide circule autour du matériau électrocalorique

Le déplacement mécanique du matériau électrocalorique pose divers problèmes :

• Un déplacement mécanique implique une sorte de moteur, ce qui consommera de l'énergie et ne va pas dans le sens de la fiabilité.
• L'idée à la base est de modifier drastiquement la conductivité thermique entre les deux masses. Deux solutions :
  1. L'isolation est assurée par de l'air, bon isolant thermique. Ce ne sera pas d'une fiabilité exemplaire, car cela implique un contact mécanique avec le receveur.
  2. L'isolation est assurée par la distance. Un fluide caloporteur pourra faire l'affaire, mais cela ajoute une masse thermique supplémentaire dans le circuit, et des pertes thermiques.
• Il faudra aussi assurer la connexion électrique permettant d'appliquer le champ électrique. Ou alors générer un champ localement, ce qui implique d'augmenter drastiquement les tensions. Et considérer le coût énergétique de conserver un champ électrique qui ne sert pas la moitié du temps, ce qui n'est pas forcément rédhibitoire.

Ou le retour des pompes. Encore et toujours un moteur.

Un fluide caloporteur sera mis en circulation, de manière opportune avec l'application du champ électrique, dans un sens après le chauffage, et dans l'autre après le refroidissement. Le fluide va emporter (un peu) de la chaleur ou du froid produit, et l'amener d'un côté ou de l'autre où d'autres échanges de chaleur auront lieu pour stocker ce chaud et ce froid.