Les chercheurs du MIT créent un matériau pour une « batterie » de chaleur chimique qui pourrait libérer son énergie à la demande.

Dans de grandes parties du monde en développement, les gens reçoivent beaucoup de chaleur solaire pendant la journée, mais la chaleur est nécessaire surtout plus tard dans la soirée lorsque le soleil se couche, on utilise alors du combustible – comme du bois, des poils ou du fumier – qui est recueilli difficilement.
Aujourd’hui, un nouveau composite chimique mis au point par des chercheurs du MIT pourrait constituer une alternative. Il peut être utilisé pour stocker la chaleur du soleil ou de toute autre source pendant la journée dans une sorte de batterie thermique, et il peut libérer la chaleur en cas de besoin, par exemple pour cuisiner ou chauffer après la tombée de la nuit.
Une approche commune au stockage thermique consiste à utiliser ce qu’on appelle un matériau à changement de phase (PCM), dans lequel la chaleur qui entre fait fondre le matériau et son changement de phase – du solide au liquide – emmagasine l’énergie. Lorsque le PCM est refroidi en-dessous de son point de fusion, il redevient solide et l’énergie stockée est libérée sous forme de chaleur. Il existe de nombreux exemples de ces matériaux, y compris les cires ou les acides gras utilisés pour des applications à basse température, et les sels fondus utilisés à haute température. Mais tous les PCM actuels nécessitent beaucoup d’isolation, et ils traversent cette phase de changement de température de façon incontrôlable, perdant ainsi leur chaleur stockée relativement rapidement.
Le nouveau système utilise plutôt des commutateurs moléculaires qui changent de forme en réponse à la lumière; une fois intégrés dans le PCM, la température de changement de phase du matériau hybride peut être ajustée à la lumière, ce qui permet de maintenir l’énergie thermique du changement de phase bien en deçà du point de fusion du matériau d’origine.

Les nouvelles découvertes, faites par Grace Han et Huashan Li et le professeur Jeffrey Grossman, post-doctorants du MIT, sont publiées cette semaine dans la revue Nature Communications.
« Le problème avec l’énergie thermique, c’est qu’il est difficile de s’ y accrocher « , explique Grossman. Son équipe a donc mis au point ce qui est essentiellement des additifs pour les matériaux traditionnels à changement de phase, c’est-à-dire des « petites molécules qui subissent un changement structurel lorsque la lumière brille sur elles », afin de trouver un moyen d’intégrer ces molécules aux matériaux PCM classiques pour libérer l’énergie emmagasinée sous forme de chaleur, à la demande. « Il y a tellement d’applications où il serait utile de stocker l’énergie thermique d’une façon qui permet de la déclencher au besoin « , dit-il.
Les chercheurs y sont parvenus en combinant les acides gras avec un composé organique qui réagit à une pulsation lumineuse. Grâce à cette disposition, le composant photosensible modifie les propriétés thermiques de l’autre composant, qui stocke et libère son énergie. Le matériau hybride fond lorsqu’il est chauffé, et après avoir été exposé aux rayons ultraviolets, il reste fondu même lorsqu’il est refroidi. Ensuite, lorsqu’il est déclenché par une autre impulsion de lumière, le matériau se resolidifie et restitue l’énergie thermique de changement de phase.
« En intégrant une molécule activée par la lumière dans l’image traditionnelle de la chaleur latente, nous ajoutons un nouveau type de bouton de commande pour des propriétés telles que la fusion, la solidification et le surrefroidissement « , explique Morton et Claire Goulder, professeure titulaire de la chaire Morton and Claire Goulder and Family en systèmes environnementaux et professeure de science des matériaux et d’ingénierie.

Le système pourrait utiliser n’importe quelle source de chaleur, et pas seulement l’énergie solaire. La disponibilité de la chaleur résiduelle est très répandue, qu’il s’agisse de procédés industriels, de la chaleur solaire ou même de la chaleur dégagée par les véhicules, et elle est habituellement simplement gaspillée.
« Ce que nous faisons techniquement, explique Han, c’est installer une nouvelle barrière énergétique, de sorte que la chaleur emmagasinée ne peut pas être libérée immédiatement. Dans leurs versions initiales de laboratoire à petite échelle, ils ont montré que la chaleur emmagasinée peut rester stable pendant au moins 10 heures, alors qu’un appareil de même taille emmagasinant directement la chaleur la dissiperait en quelques minutes. Et  » il n’ y a aucune raison fondamentale pour laquelle il ne peut pas être réglé pour aller plus haut « , dit Han.
Dans le système de validation de concept initial, » le changement de température ou le surrefroidissement que nous obtenons pour ce matériau de stockage thermique peut atteindre jusqu’ à 10 degrés Celsius (18 F), et nous espérons que nous pourrons aller plus haut « , explique M. Grossman.

Déjà, dans cette version, »la densité énergétique est assez importante, même si nous utilisons un matériau à changement de phase conventionnel « , explique Han. Le matériau peut stocker environ 200 joules par gramme, ce qui, selon elle, est « très bon pour tous les matériaux organiques à changement de phase », et déjà, » les gens ont montré leur intérêt à l’utiliser pour cuisiner en Inde rurale « , dit-elle. Ces systèmes pourraient également être utilisés pour le séchage des cultures agricoles ou le chauffage des locaux.

« Nous avons voulu montrer notre intérêt pour ce travail afin de démontrer une preuve de concept, mais nous croyons qu’il y a beaucoup de possibilités d’utiliser des matériaux activés par la lumière pour détourner les propriétés de stockage thermique des matériaux à changement de phase.
Il s’agit d’une recherche très créative, où la clé réside dans le fait que les scientifiques combinent un matériau à changement de phase commandé thermiquement avec une molécule à photochangement, afin de construire une barrière énergétique pour stabiliser le stockage d’énergie thermique « , explique Junqiao Wu, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université de Californie à Berkeley, qui n’ a pas participé à la recherche. « Je pense que le travail est important, car il offre un moyen pratique de stocker l’énergie thermique, ce qui a été un défi dans le passé. »

Les travaux ont été soutenus par le Tata Center for Technology and Design dans le cadre de l’Initiative Energie du MIT.

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