Matériaux à Changement de Phase – Paraffines, Sels ou Eutectiques

Un matériau à changement de phase – ou MCP – est un matériau apte à changer d’état physique dans une plage de température restreinte. Dans cet intervalle de température, les changements de phase vont s’effectuer dans le sens de la fusion ou de la solidification suivant l’apport ou, au contraire, l’emport d’énergie. l’énergie par changement d’état, tout en conservant une température constante, celle du changement d’état. La grandeur utilisée pour quantifier la CL échangée par un matériau est la chaleur latente de changement de phase notée hLS pour un changement de phase liquide/solide, et hLV pour un changement de phase liquide/vapeur. Celle-ci est exprimée  Dans un transfert thermique où le MCP est endothermique, une première phase est marquée par un échange par chaleur sensible (SCS), la température du MCP s’élève par absorption de la chaleur. Contrairement aux SCS classiques, lorsque les MCP atteignent la température à laquelle ils changent de phase (leur température de fusion), ils absorbent de grandes quantités de chaleur à cette même température presque constante. Le MCP continue à absorber la chaleur sans une augmentation significative de sa température jusqu’à ce que tout le matériau se transforme en liquide. Lorsque la température ambiante autour d’un matériau liquide chute, le MCP se solidifie et libère sa chaleur latente stockée.

Stockage d’énergie thermique

Les systèmes de stockage CL présentent certains avantages par rapport aux systèmes de CS. L’avantage le plus important est la densité d’énergie thermique de stockage élevée, par unité de masse et par unité de volume, à une température constante correspondant à la température de transition de phase du MCP. Ces systèmes thermo-chimiques se basent sur l’énergie absorbée et libérée provenant de la rupture et du réarrangement des liaisons moléculaires durant une réaction chimique réversible. La chaleur stockée dépend donc de la quantité de matériau de stockage, de la chaleur de réaction endothermique, et de l’intensité de la conversion [KAY99]. En transition solide – solide, la chaleur est stockée lorsque le matériau change de structure cristalline. Les changements de phase solide-solide sont généralement très lents et présentent une chaleur de transformation faible. Par contre, les MCP solide-solide réduisent les contraintes dues aux changements de volume et offrent une plus grande souplesse de conception [CLA81]. Les matériaux les plus prometteurs sont les solutions solides organiques de Penta-érythritol, Penta-glycerine, Li2SO4 et KHF2 [PAP99]. Un mur Trombe rempli de ces matériaux présente de meilleures performances d’inertie qu’un mur Trombe béton ordinaire.

Les transformations solide-liquide, comparativement aux liquide-gaz, ont une chaleur latente plus faible. Cependant, ces transformations impliquent seulement un petit changement en volume (de l’ordre de 15 %). Les transitions solide-liquide sont prouvées être économiquement intéressantes pour l’utilisation dans les systèmes de stockage d’énergie thermique. Par contre, les MCP mêmes ne peuvent pas être utilisés en tant que milieu de transfert de chaleur. L’échangeur de chaleur à utiliser doit être conçu spécialement pour l’application, en vue de la faible diffusivité thermique des MCP en général. Ceci constitue le défi majeur des systèmes utilisant ces matériaux. Le changement de volume du MCP lors de la fusion nécessite également une conception spéciale du conteneur. Il devrait être en mesure d’absorber ces variations de volume et devrait également être compatible avec le MCP utilisé. Tout système de stockage par chaleur latente doit donc posséder au moins les trois propriétés suivantes : un MCP adapté à son point de fusion dans la plage de température souhaitée, une surface d’échange de chaleur appropriée et un récipient compatible avec le MCP. De nombreux MCP solide-liquide sont disponibles dans les plages de température d’intérêt. Pour les températures de 20 °C à 50 °C associées au confort thermique humain, certains MCP sont très efficaces. Ils stockent de 5 à 14 fois plus de chaleur par unité de volume de stockage que les matériaux classiques à chaleur sensible tels que l’eau, la maçonnerie, ou les roches.

Lors de la fusion d’un corps, lorsqu’une particule solide atteint la température de fusion elle est en équilibre de phases. Les lois des équilibres de phase font intervenir uniquement les variables intensives ou locales du système. Ces variables sont typiquement la température, la pression ou les concentrations dans chaque phase. D’autres variables sont aussi nécessaires pour caractériser le système. Ce sont les variables extensives telles que le volume, la masse, les quantités de chaque produit ou/et de chaque phase… Elles n’interviennent pas pour définir les conditions d’équilibre qui sont locales. Cette règle est illustrée pour les corps purs ou pour les solutions. L’hypothèse prise est que la pression est constante et égale à la pression atmosphérique. D’après la règle des phases ci-dessus, toute modification de la pression devrait entraîner une modification de la température ou des concentrations d’équilibre. Il faut remarquer que les propriétés physiques des phases condensées varient relativement peu avec la pression