Comment la Technologie Redéfinit l’avenir de la climatisation

À mesure que notre planète se réchauffe, la demande de technologie de refroidissement augmente également. La consommation d’énergie pour le refroidissement de l’espace va plus que tripler d’ici 2050 selon un rapport de 2018 de l’Agence internationale de l’énergie. Mais les unités de climatisation sont des porcs électriques – représentant environ 10% de la consommation mondiale d’électricité — et contiennent un réfrigérant hydrofluorocarboné qui est un gaz à effet de serre plus puissant que le dioxyde de carbone.

« C’est un cercle vicieux », explique l’ingénieur en environnement Shelie Miller, directrice du programme en environnement de l’Université du Michigan. « Il fait plus chaud, alors nous montons nos climatiseurs, qui consomment plus d’énergie. Lorsque nous utilisons plus d’énergie, plus de gaz à effet de serre sont libérés, ce qui la réchauffe encore. »

Comment traitons-nous ce conflit ? C’est un problème que les scientifiques et les ingénieurs s’efforcent de résoudre en développant des technologies de refroidissement plus sophistiquées et économes en énergie.

Le concept de climatisation remonte à des siècles.

 » Les améliorations apportées à la technologie CVC (chauffage, ventilation et climatisation) améliorent continuellement l’efficacité des services de refroidissement, et le passage à des sources d’énergie renouvelables qui réduisent les émissions de gaz à effet de serre peut réduire l’impact global « , explique Miller. « Tout au long de l’histoire, les gens ont trouvé des moyens innovants de refroidir les bâtiments sans utiliser de climatisation énergivore. »

Le concept de climatisation remonte à des siècles. Les anciens ingénieurs persans ont construit des « badgirs », qui sont des capteurs de vent qui acheminent les brises fraîches jusqu’aux maisons, et des « yakhchāls », des structures coniques utilisées pour fabriquer de la glace qui ont été l’un des premiers réfrigérateurs du désert.

En 1820, l’inventeur Michael Faraday a découvert que la compression et la liquéfaction de l’ammoniac, puis son évaporation, pouvaient refroidir l’air. En 1902, l’ingénieur Willis Carrier conçoit un appareil pour la Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company à New York qui fait circuler de l’air sur des bobines refroidies par de l’ammoniac comprimé pour contrôler l’humidité lors de l’impression en couleur. Carrier a finalement transformé sa conception en premier climatiseur électrique au monde, qui a fait ses débuts en 1925 dans le théâtre Rivoli de Times Square, annonçant les jours de regarder des films à succès d’été dans des théâtres climatisés.

Les climatiseurs étaient considérés comme un luxe lors de leur introduction pour les consommateurs, mais leur capacité à éliminer l’humidité de l’air et à réduire la température de l’air dans des conditions chaudes en faisait rapidement une nécessité dans les climats chauds. La vaste migration d’après-guerre vers les États de la Sun Belt Américaine aurait été impossible sans la propagation de la climatisation, tout comme la croissance de villes tropicales comme Hong Kong et Singapour. (Lee Kuan Yew, le père fondateur de Singapour, a qualifié la climatisation d’invention la plus importante du 20ème siècle.)

Un air plus frais est essentiel pour garder les produits frais, préserver les médicaments et les vaccins et refroidir les centres de données alimentant Internet. Il a été démontré qu’il était important de rester au frais pour la santé, le bien-être et une productivité accrue. Aujourd’hui, les chercheurs et les startups exploitent des sources plus économes en énergie pour générer la fraîcheur dont nous avons besoin – des alliages métalliques qui changent de forme aux énergies renouvelables et au froid du ciel.

Une équipe de recherche de l’Université de la Sarre en Allemagne élimine le besoin de réfrigérants en développant des alliages à mémoire de forme. Déformer ou tirer un fil ou une feuille de nickel-titane crée une contrainte pour l’alliage et augmente sa température. Lorsque le matériau est ramené à sa forme d’origine, il se refroidit à environ 20 degrés en dessous de la température ambiante.

« L’idée de base était d’éliminer la chaleur d’un espace — comme l’intérieur d’un réfrigérateur — en permettant à un matériau à mémoire de forme super élastique précontraint de se détendre et de refroidir ainsi de manière significative », a expliqué Stefan Seelecke, professeur de systèmes de matériaux intelligents à l’Université de la Sarre, lors de l’annonce du projet.

L’équipe a créé un prototype, un entraînement à came en instance de brevet qui est un faisceau rotatif de fils à mémoire de forme utilisés pour amplifier la puissance de refroidissement. L’appareil pourrait fonctionner comme une pompe à chaleur, un climatiseur ou même un réfrigérateur, le tout sans réfrigérants nocifs pour l’environnement. La Fondation allemande pour la Recherche finance le projet depuis 2016, la Commission européenne et le Département américain de l’Énergie le considérant comme une technologie alternative prometteuse aux systèmes de réfrigération à compression de vapeur existants.

Pour la start-up de technologie propre Blue Frontier, l’énergie renouvelable est la clé d’un système de refroidissement plus efficace. La société a débuté en Floride en 2013 sous le nom de Be Power Tech, qui a développé un climatiseur produisant sa propre électricité à l’aide d’une pile à combustible au gaz naturel. Mais le PDG Daniel Betts a constaté que le marché de la technologie était limité aux bâtiments alimentés au gaz naturel et que les piles à combustible étaient trop chères pour une adoption précoce du marché.

Betts s’est ensuite associé à des ingénieurs du Laboratoire national des énergies renouvelables pour repenser le système. Le résultat a été un climatiseur avec stockage d’énergie thermochimique au chlorure de lithium, qui stocke une solution saline à haute concentration et la convertit en énergie chimique pour une utilisation ultérieure. « La production d’énergie solaire augmente tout au long de la matinée et diminue à partir du début de l’après-midi », explique Betts. « La charge électrique dans les bâtiments a tendance à culminer en début d’après-midi à la fin de l’après-midi, ce qui entraîne un décalage entre la production et la consommation. »Le climatiseur de Blue Frontier est équipé de la capacité de stocker de l’énergie de refroidissement, il n’utilise donc de l’électricité que pendant la production maximale d’énergie solaire. « Grâce à notre technologie, explique Betts, nous ne pouvons consommer de l’électricité que lorsqu’il n’y a pas de congestion du réseau et lorsque les énergies renouvelables constituent une part plus importante du mix électrique. »

Pendant ce temps, la société californienne SkyCool Systems s’est tournée vers le ciel nocturne pour sa technologie de refroidissement. Fondée en 2016, la start-up est née à l’Université de Stanford et a depuis recueilli 990 000 funding de financement grâce à des subventions du Fonds StartX de l’université et de l’Agence de projets de recherche avancée du Département de l’Énergie des États-Unis.

Pour comprendre le fonctionnement de la technologie de refroidissement de SkyCool Systems, considérez tout matériau orienté vers le ciel la nuit. « S’il regarde le ciel, il enverrait naturellement sa chaleur sous forme de rayonnement thermique », explique le scientifique et cofondateur Aaswath Raman. « Lorsque ce rayonnement thermique est envoyé dans le ciel, une partie de celui-ci s’échappe dans l’espace. Pour cette raison, toute surface orientée vers le ciel la nuit se refroidira naturellement jusqu’à une température inférieure à la température de l’air. »

Imiter ce phénomène naturel pendant la journée s’avère plus difficile. « Le soleil réchauffera naturellement n’importe quel matériau — assez pour contrecarrer cet effet de refroidissement », explique Raman. « Nous avons besoin d’un matériau qui réfléchit très bien la lumière du soleil, mais qui continue d’envoyer de la chaleur. Lorsque vous avez ces deux choses ensemble, vous pouvez également activer cet effet pendant la journée. Cela devient convaincant car vous avez alors accès à un refroidissement passif gratuit au milieu de la journée, ce qui est le moment où nous avons le plus besoin de refroidissement. »

 » L’objectif d’économies d’énergie et de réduction de la demande pourrait se situer entre 10 % et 30 %. »

SkyCool Systems a développé des panneaux argentés qui ressemblent à des panneaux solaires mais qui sont plutôt recouverts d’un film optique qui convertit la chaleur en une gamme de longueurs d’onde dans l’infrarouge moyen pour se glisser dans l’atmosphère et se projeter dans l’espace tout en réfléchissant la lumière du soleil. Les panneaux de l’entreprise sont actuellement déployés sur cinq sites, dont un immeuble de bureaux et un dépanneur, et sont intégrés aux systèmes de refroidissement existants, tels que des refroidisseurs, des congélateurs, des machines à glace et des systèmes de climatisation.

L’ingénieur et cofondateur Eli Goldstein affirme que les avantages des panneaux de refroidissement de SkyCool Systems sont triples. « L’une concerne les économies d’énergie, l’autre la réduction de la demande et la troisième l’augmentation de la capacité de refroidissement d’un système », explique-t-il.  » L’objectif d’économies d’énergie et de réduction de la demande pourrait se situer entre 10 % et 30 %. »

De plus, le mécanisme de refroidissement ne nécessite ni énergie ni eau. « Il est effectivement passif sous sa forme de refroidissement, il n’utilise donc ni énergie ni eau », explique Goldstein. « Il n’y a pas de perte d’eau par évaporation pour générer ce refroidissement, c’est donc une approche beaucoup plus durable. »

Ces technologies de refroidissement ne sont pas sans défis. SkyCool Systems essaie de se développer le plus rapidement possible pour répondre à la demande du marché, et bien que la technologie de Blue Frontier ait fait ses preuves grâce à divers prototypes, l’entreprise doit encore établir une production de masse et des essais sur le terrain.

Ils n’ont peut-être pas encore été adoptés à grande échelle, mais ces innovations ouvrent la voie à un avenir plus frais et plus économe en énergie. Blue Frontier prévoit de passer à un modèle de « climatiseur en tant que service » tandis que SkyCool Systems envisage de remplacer les systèmes de climatisation par ses panneaux.

« Le refroidissement est important pour notre vie quotidienne », explique Goldstein. « Nous devons travailler ensemble pour obtenir des systèmes plus efficaces et les gérer de manière durable. »