L'effet électrocalorique ECE

En pratique qu’il y a plein d’obstacles à lever dans le mode "régénération".

A partir de l'exemple du LIST, notons :

• La nécessité d'améliorer la vitesse d'échange thermique en augmentant les surfaces en contact soit donc en diminuant l’épaisseur des tranches de PST et donc d’augmenter le nombre de couches
• La nécessité d’avoir un bloc de PST long dans le sens de la circulation, ce qui couplé avec les multicouches capillaires génère une charge de pompage importante
• Cette longueur doit être en «résonance» avec le débit du liquide et la constante de temps d’échange thermique
• On peut remarquer que la plus large partie au centre du bloc de PST est à température fixe d’équilibre, donc tout le pilotage en tension (et énergie) correspondant est perdu, et d’où la faible performance en COP relatif sans récupération d’énergie.
• Eh bien sûr augmenter autant que possible le ΔT_EC
  Ici le fill factor (rapport de la surface de matériau EC versus la surface d'électrodes) n'est que de 54%. Les capacités multicouches industrielles doivent atteindre au moins 90%, on peut donc espérer augmenter le ΔT_EC du PST à 3°K environ.

L'arrêt entre deux phases de climatisation ou réfrigération est problématique :

• Après avoir atteint la température objective du milieu froid ou chaud, le système s’arrête en attente d’un ON lorsque la température des milieux aura trop dérivé.
• Pendant ce temps d’attente le bloc de PST se rééquilibre en température entre ses deux extrémités
• Au redémarrage le système repart à zéro pour la masse thermique du PST, d’où un délai de remise à niveau des températures et une perte d’énergie

Il faudra imaginer des solutions, par exemple en séparant thermiquement le bloc ECE en modules dans la longueur.

Il faut parvenir à une différence de température entre la source chaude et la source froide suffisante, ce qui se traduit par la recherche d'un ΔT_span important. Et ce n'est pas gagné :

• L'impossibilité actuelle d'avoir à la fois un ΔT_span grand et une puissance de refroidissement importante à forte efficacité énergique en même temps ; on est très loin du compte 👎
• Autrement dit, on se rend compte qu'il faut dépenser une énergie qui tend vers l'infini si on veut atteindre ΔT_EC maximal. En pratique, suivant sa valeur, on atteindra de 50% à 80%.

Cela passera par :

• La réduction de toutes les pertes, notamment la masse thermique parasite dans la zone échangeur qui joue le rôle d’un gros balourd ce qui réduira le ΔT_span.
• Mettre pompes ou pistons du côté des réservoirs.
• Tous les matériaux autres que celui de l’ECE doivent être à masse/volume thermique le plus faible possible

Ne pas perdre de vue les objectifs dans les divers cas de réfrigération :

• Pour climatiser une pièce à 25°C avec 40°C dehors (ou 20/35°C), il faut nettement plus de 15°C pour pouvoir faire de l’échange efficace côté froid et chaud, disons un ΔT_span utile de 25 à 35°C, soit un ΔT_span max de 33 à 47°C (les chercheurs estime ce cas atteignable…)
• Pour un frigo à 5°C dans une pièce à 35°C l’été, il faudrait un ΔT_span max de 53 à 67°C
• Pour un congélateur à -20°C et une ambiance à 35°C, un ΔT_span max de 80 à 87°C

Pour l'instant, les matériaux EC explorés ont une mauvaise performance à température <15°C, ce qui n'adresse que les climatiseurs. Les frigos et congèles se prennent une dégelée pour l'instant… 🥶

Une cascade de modules EC adressera mieux les grands ΔT_span, car on pourra plus facilement configurer chaque module avec des matériaux EC optimisés pour la température moyenne de l'étage de la cascade

On peut faire le parallèle avec une grosse batterie lithium, généralement composée de petites unités. Avec une pile élémentaire de 1.2 V capable de débiter 0.1 A, on peut :

• Pour obtenir une batterie 12V, on place 10 piles élémentaires en série mais on ne débitera que 0.1 A.
• Pour obtenir 1 A, on place 10 piles élémentaires en parallèle.
• Et pour 12V et 1A, c'est la mise en parallèle de 10 séries de 10 piles élémentaires…

Actuellement les études portent sur la recherche de modules EC élémentaires les plus performants possibles, ils devront aussi être faciles à cascader et paralléliser d’une façon ou d’une autre, mais qui devra ne pas générer de perte énergétique supplémentaire que celle des modules de base.

Version optimiste pour dire "ben on n'est pas rendu".

• Un bon gros travail de simulation pour optimiser tous les facteurs de dimensionnement du système 😰
• La fiabilité du matériau ECE doit être nickel (l’évaluation en accéléré par le LIST de leur PST donne qq MCycles, ce qui est déjà très bon)
• Et à chaque fois, avoir beaucoup de marge lors de la conception, elle sera perdue à coup sûr lors de l'industrialisation.

Il s'agira de choisir des conceptions réutilisant du matériel déjà connu et fiable.

• Par exemple, le choix d’utiliser un fluide caloporteur plutôt que déplacer une membrane a le gros avantage de permettre de réutiliser la technologie industrielle de circulation/échangeurs très mature, utilisée actuellement dans les différents système d'échangeur thermiques.

Dans les publications ça se bat à coup d’indicateurs : COP, densité de puissance de refroidissement par masse, etc.. Mais en pratique :

• Critère N°1 un ΔT_EC suffisant ─pour éviter de trop cascader.
  Dans le cas d'un "régénérateur", un ΔT_span réellement utile, car quelle que soit la performance de transfert énergétique, tu ne peux rien faire s'il est trop faible 😭
• Critère N°2 récupérer l’énergie de polarisation
  sinon tous les fabricants de clim seront morts de rire en voyant un rendement énergétique aussi pourri 🤣
• Puis les autres critères, en suivant son bon sens.
  Par exemple, la puissance frigorifique par Kg ne sert qu’à l’embarqué, il faut plutôt favoriser la puissance frigorifique par litre…