L'effet électrocalorique ECE

6 mai 2024

Où on détaille la solution proposée par le LIST. Et que ce n'est pas si facile à comprendre, et qu'il reste plein de problèmes.


Le LIST (Luxembourg Institut of Sciences and Technology) a publié de récents et intéressants articles sur ce sujet, outre un état concret de développement de prototype et des perspectives, ils ont réalisés une série de prototypes de labos aux résultats apparemment prometteurs.

Références

Ce qui rend aussi intéressante leur démonstration - d'apparence très coin de labo - est le soin pris aux mesures, leur validation et reproduction, l'étude de différentes structures du module EC pour en sélectionner une "optimale", les presque exhaustifs détails des dispositifs et des essais au travers leur publication d'un supplementary ce n'est malheureusement pas courant dans les publications, aussi ça méritait d'être souligné. 👍

Descriptif

  • Le système est le principe du "régénérateur" à déplacement de fluide, avec un seul module EC. Deux montages ont été réalisés :
    • l'un avec une zone de stock à chaque extrémité et un simple aller-retour du fluide pour obtenir un ΔTspan élevé,
    • l'autre avec une boucle à sens forcé de circulation à chaque extrémité pour tester la puissance de refroidissement.

  • Le matériau ECE est du PST : PbSc0.5Ta0.5O3 (un oxyde de plomb dopé au Scandium et Tantale avec une structure perovskite comme le PZT). Son ΔTEC varie entre 1,5 et 2°K suivant les structures réalisées.
  • Ils ont fabriqué eux-mêmes des petites plaques de céramique à capacité multicouches. Ces petites plaques ont été assemblées en lames de 3 à 10 cm de long, puis empilées en plusieurs couches avec un espacement intermédiaire intercouche pour la circulation du fluide. Leurs essais portent sur différentes combinaisons de longueur, largeur et empilement de lames de ce matériau EC.

  • Le fluide est une huile silicone isolante électrique
  • Le rapport des capacités calorifiques est typiquement autour de 80/20 matériau EC/fluide.
  • Le volume déplacé à chaque aller ou retour varie de 100% du volume du fluide contenu dans le module EC à 37% de ce volume pour le cas où le plus grand ΔTspan a été obtenu.
  • Le temps de cycle est de 3 à 4 s, dont 1 s de charge ou décharge

Optimisation du ΔTspan

Le meilleur résultat ΔTspan = 20°C a été obtenu (et reproduit) avec un module EC d'environ 10x0.7x1.1 ≈ 8 cm³, donc une longueur importante pour favoriser le principe de "régénération" et optimisée vis-à-vis des pertes fuites thermiques.

La figure suivante, met spectaculairement en évidence par imagerie infrarouge le phénomène de stockage du froid sur environ ¼ du module à l'extrémité gauche et du chaud à l'opposé. La zone neutre au centre est d'environ 30 à 50% de la longueur totale.

Caractérisation avec une caméra infrarouge.
😲 Très joli, et carrément magique : dans un même matériau, on pousse le froid d'un côté et le chaud de l'autre, trop fort !
😅 Euh oui, mais bon y a quand même une limite, le chaud et le froid, si tu les mets à chaque bout d'un barreau conducteur, ils vont diffuser l'un vers l'autre d'autant plus vite que l'écart de température est élevé...
😭 Adieu Harry Potter

La figure suivante montre le bilan des essais :

figure 2
  • Optimisation de la taille de la structure
    • en nombre de plaques élémentaires de PST sur la longueur (columns)
    • en nombre de lames sur la hauteur (rows)
  • Courbes des températures des zones extrêmes et du ΔTspan, en fonction du temps
  • Comparaison avec d'autres études dans le monde, qui pointe un record de facteur de multiplication du ΔTEC. 💪💪

Arrêtons-nous sur la figure 2.B des courbes de température :

  • Le ΔTspan présente une montée rapide jusqu'à 15°C environ, puis un ralentissement et une saturation asymptotique.
  • Le temps étant proportionnel au nombre de cycles et à chaque cycle la même dépense d'énergie étant faite, cette échelle représente donc l'énergie dépensée.
  • Il faut 750 s pour atteindre 15°C et environ 4750 s pour 20°C, on peut en déduire que le facteur d'efficacité énergétique est 16 fois plus faible pour aller de 15° à 20°C que pour aller de 0 à 15°C.
🤕 Ouf, ça fait mal !
😞 Et oui comme attendu, passé un seuil (ici les 3/4 du ΔTspan max), l'efficacité énergétique du système s'effondre...
Donc on ne peut pas vraiment exploiter le max
Et non, il faudra prévoir de la marge pour les objectifs du ΔTspan
Du coup on produit combien de frigories ?
Ce n'est pas clairement précisé dans ce cas, estimation sur la base de 1/4 du module en froid et chaud : ≈2 mL chacun et 93 J en tout pour 20°C de ΔTspan
😒 Trois fois rien, non ?
😱 Carrément ridicule, vu que l'on consomme 1.64 J de polarisation à chaque cycle et >1000 cycles pour atteindre 20°C de ΔTspan.
Même à 15°C de ΔTspan où tu as 70 J, t'as déjà dépensé 300 J !!
😒 Un COP de 70/300. Bof.
D'abord l'espoir fondamental c'est de récupérer l'énergie de polarisation à la dépolarisation, au mieux d'après leur mesure on pourrait en récupérer 85%, du coup à 15°C c'est 45 J de dépense pour 70 J de produit.
Bon d'accord on sort du ridicule total, mais ça ne reste pas terrible quand même ?
Yep, surtout que c'est sans charge de sources chaude et froide..
Là c'est surtout pour montrer le principe en roue libre. Après ils sont passés à un système avec simulation de charge froid, dont on va parler maintenant.

Energie de polarisation

Stop 🖐 un instant, à propos de l'énergie de polarisation.
On a vu dans la page précédente que pour que le système fonctionne, il fallait injecter de l'énergie via la polarisation.
C'était de l'ordre de 300 kJ/m³ pour 5K de ΔTEC
Ah ben là, on a un volume de 8 cm³ pour un ΔTEC de 7.5K, on parle de 13 J
Cette énergie est forcément dépensée dans le matériau.
Mais bon, c'est malheureusement négligeable devant 300 J
Malheureusement ?
Ben oui, ça donne une idée de la dépense énergétique minimale. Si on y était, on aurait un COP d'enfer.
Donc ils espèrent récupérer l'énergie de polarisation ?
Dans leur manip, la grosse majorité disparait dans l'électronique qui pilote la capacité, à l'extérieur du dispositif.
Ils espèrent en récupérer 85%, certes. Il reste donc 15%, environ 45 J
Qu'est-ce qu'ils deviennent ?
Eh bien en général par défaut c'est sous forme de chaleur, et ah oui tient donc où ça...🤔
Il faut espérer que ce n'est pas dans le dispositif.
Ceci dit, si c'était en chaleur dans le dispositif, ça se serait vu dans l'imagerie thermique, non ?
Probablement. Il n'y a pas d'explication dans la publication, voilà qui mériterait d'être bien creusé.
Si c'est dissipé sous autre chose que de la chaleur, genre destructuration de la matière, ça craindrait, mais d'après leur test de fiabilité, le PST supporte des millions de cycles...

Mesure de la capacité de refroidissement

  • Dans ce système, les stocks chaud et froid sont localisés dans deux boucles réparties à chaque extrémité du module.
  • Dans chaque boucle la circulation est forcée dans un seul sens par des antiretours.
  • Conséquence, les stocks sont quantitativement plus importants que dans le système précédent et le fluide qui sort dans un aller ne revient dans le module qu'après avoir fait le tour de la boucle.
  • Une petite source de chaud a été ajoutée sur la boucle froide pour simuler la charge de la source à refroidir.
  • Deux tubes de cuivre ont été ajoutés sur la boucle chaude pour dissiper la chaleur dans l'atmosphère ambiante.
  • Soit une micro simulation d'un système de réfrigération ou de clim.

Et toc ! Le système atteint 4.2 W de puissance de réfrigération pour un ΔTspan de 2°K, avec une efficacité record de 67% d'un cycle de Carnot. 💪 💪
Hein ! 😣 Avec toute l'inefficacité que tu m'as montré avant, c'est un record mondial ! C'est quoi l'arnaque ? ☠ ☠
Ah oui précisons : à condition de récupérer les 85% de l'énergie de polarisation. 😅
🐇 Tu me prends pour un lapereau de l'année !
C'est potentiellement possible, la démonstration a été faite avec des (petits) convertisseurs DC/DC non optimisés
Admettons. 😒 Mais on ne peut rien faire avec un ΔTspan de 2°K.
Effectivement là c'est très mal barré. Visiblement on ne peut avoir le beurre (ΔTspan de 20°K), et l'argent du beurre (4.2 W et un COP relatif de 67%)...
Bon, on pouvait s'en douter au vu de la production de la faible efficacité à fort ΔTspan
Cette figure résume bien les limites de ce système à "régénération"

Ce n'est évidemment pas la seule solution proposée. A chaque fois, il faut décortiquer, et on se rend compte que c'est bourré de problèmes...

Allez, la synthèse page suivante...