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Les matériaux à changement de phase

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À l’heure où les questions énergétiques sont de plus en plus sensibles et où la réglementation thermique appelle à une plus grande prise en compte du confort intérieur, les matériaux à changement de phase suscitent l’intérêt croissant des professionnels du bâtiment.

Cest sur la base d’un phénomène physique aisément observable que le concept de matériau à changement de phase, ou MCP, a été élaboré : tout corps, lorsqu’il change d’état, échange d’importantes quantités de chaleur avec son milieu. À titre d’exemple, la fonte d’un kilogramme de glace absorbe autant d’énergie qu’un litre d’eau qui voit sa température augmenter de 0 à 80 °C. Ce transfert traduit les bouleversements survenant dans la structure même de la matière, au niveau des liaisons entre atomes et molécules, plus fortes dans un solide que dans un liquide et quasiment nulles pour un gaz. Il se produit ainsi une absorption de chaleur, lors du passage de l’état solide à liquide, et une émission de chaleur dans le sens inverse. Fait important, le changement d’état met en jeu de la chaleur dite latente et n’entraîne pas de modification de température du matériau, à la différence d’un transfert de chaleur dit sensible.
 
Par abus de langage, les MCP désignent des matériaux dont le changement d’état se produit dans une gamme de températures proches des conditions de vie. Dans le domaine du bâtiment, les produits étudiés sont ceux dont les températures de fusion et de cristallisation se situent dans la plage de température requise pour les ambiances intérieures : entre 19 et 26 °C. Ce sont principalement des cires de paraffine, des acides gras et des sels hydratés de chlorure de sodium ou de potassium.
 

Faible épaisseur

Des débouchés pour le domaine des équipements techniques

 
Les premières recherches sur les matériaux à changement de phase remontent au début des années soixante-dix. Sur fond de crise pétrolière, il s’agit alors pour de grands laboratoires publics et privés de développer des alternatives afin de réduire la dépendance énergétique des constructions. Dotés d’une grande capacité de stockage et de déstockage de la chaleur, les MCP apparaissent aux yeux de maints professionnels comme une piste pleine de promesses. La masse thermique de certains sels hydratés est en effet telle qu’une épaisseur de 2 cm de matériau absorbe autant de calories que 24 cm de béton, 36 cm de brique ou 38 cm de pin massif, soit l’équivalent de 1 200 Wh/m2 pour un écart de température de 10 °C ! Des panneaux composites à base de cire de paraffine parviennent quant à eux à égaler l’inertie de 5 cm de briques en dépit d’une épaisseur d’environ 5 mm.
 
Les premières applications des MCP ont lieu dans le secteur des équipements techniques où ils réalisent du stockage thermique. Ils sont alors conditionnés dans des réservoirs plats de quelques litres, des poches, des balles, ou encore des tubes. En France, dans les années quatre-vingt, la société Cristopia développe ainsi une solution destinée à réduire les coûts de fonctionnement et la taille des installations de climatisation des grands bâtiments tertiaires (ex : hôpitaux, aéroports, bureaux.), ainsi que des systèmes de réfrigération industrielle. Elle utilise les MCP pour stocker du froid lorsque la demande est faible, et pour déstocker lorsqu’elle augmente, ce qui lui permet de déplacer les consommations électriques des heures de pointe vers les heures creuses.
 
D’autres procédés de climatisation passive ont été mis au point à l’étranger (voir encadré).
 
De son côté, la société Kaplan fabrique des chauffe-eau solaires en inox dotés de batteries thermiques E-Stocker. Améliorant la capacité de stockage de l’énergie solaire, celles-ci contiennent des MCP qui changent d’état lorsque les systèmes entrent en surproduction.
 
De nouvelles applications sont aussi sur le point d’aboutir dans le domaine des pompes à chaleur et des systèmes de ventilation. Le recours aux MCP intéresse également le secteur photovoltaïque qui y voit un moyen d’améliorer le rendement des panneaux solaires et d’éviter qu’il ne chute lorsque le panneau s’échauffe brutalement sous l’effet du rayonnement[…]

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