Le dispositif énergétique intelligent améliore l’énergie solaire en intégrant des capacités de chauffage et de refroidissement.
Selon l’Association internationale des énergies renouvelables (IRENA), environ la moitié de la consommation mondiale d’énergie provient du chauffage et du refroidissement. Les systèmes de contrôle de température conventionnels, bien qu’efficaces, ne sont pas durables en raison de l’augmentation des préoccupations environnementales et du besoin pressant de solutions respectueuses du climat.
Les chercheurs du département de robotique et d’ingénierie mécatronique de la DGIST ont introduit un dispositif énergétique intelligent avancé en 3D qui combine le chauffage et le refroidissement réversibles dans un système adaptable. Ce dispositif intelligent pourrait établir une norme pour une gestion thermique polyvalente et à faible impact.
Le contrôle intelligent de la température peut-il devenir encore plus intelligent ? Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
La gestion thermique durable est-elle possible ?
La gestion thermique implique le chauffage et le refroidissement pour maintenir le confort intérieur, soutenir les processus industriels et protéger les équipements. Les méthodes conventionnelles utilisent la combustion, la résistance électrique et les pompes à chaleur pour le chauffage, tandis que le refroidissement repose principalement sur la réfrigération à compression de vapeur.
L’IRENA indique que le chauffage et le refroidissement représentent près de la moitié de la consommation totale d’énergie mondiale, dépassant l’électricité (20 %) et les transports (30 %) en tant que plus grand secteur d’utilisation finale. Cette demande entraîne également 50 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone liées à l’énergie. D’ici 2050, le besoin mondial en matière de refroidissement devrait augmenter de 45 % par rapport aux niveaux de 2016.
Le chauffage solaire et le refroidissement radiatif offrent des solutions efficaces pour réduire la consommation mondiale d’énergie en exploitant le soleil pour le chauffage et l’espace extérieur pour le refroidissement.
Dans le refroidissement radiatif, l’émission de rayonnement infrarouge augmente d’une surface vers le ciel ou l’espace extérieur, permettant efficacement à la surface de se refroidir en dessous des températures ambiantes. Ce processus repose sur des matériaux capables d’émettre efficacement un rayonnement thermique dans le spectre infrarouge tout en évitant l’absorption des rayons du soleil.
Principe du refroidissement radiant. Image utilisée avec l’aimable autorisation de National Oceanic and Atmospheric Administration
L’absorption solaire se concentre sur la capture de la lumière du soleil sous forme de chaleur. Les surfaces conçues pour l’absorption solaire sont généralement recouvertes de matériaux qui maximisent la capture du rayonnement solaire. Bien que ces méthodes respectueuses de l’environnement permettent une gestion thermique performante, leur efficacité est limitée par les variations de température quotidienne et les changements saisonniers dus à un fonctionnement à mode unique.
Dispositifs intelligents de chauffage et de refroidissement en 3D
Les chercheurs ont inventé un dispositif énergétique intelligent en 3D pour intégrer le refroidissement radiatif et l’absorption solaire, offrant des fonctions de chauffage et de refroidissement réversibles au sein d’un même système. Le dispositif intelligent fonctionne grâce à un mécanisme structurel en 3D novateur. Lorsqu’il est mécaniquement ouvert, une couche d’élastomère de silicone et d’argent est exposée, activant le refroidissement radiatif en émettant un rayonnement infrarouge et en abaissant efficacement la température.
Schéma du dispositif de chauffage et de refroidissement en 3D. Image utilisée avec l’aimable autorisation de DGIST
Lorsque la structure est fermée, un revêtement de peinture noire sur la surface extérieure maximise l’absorption de chaleur solaire, générant de la chaleur. Cette adaptabilité dynamique est réalisée grâce à des modifications précises des angles de la structure en 3D, permettant au dispositif de contrôler les propriétés thermiques en fonction des conditions externes et des besoins énergétiques. Des tests réalisés sur divers substrats tels que la peau, le verre, l’acier, l’aluminium, le cuivre et le polyimid montrent des performances cohérentes, les dispositifs atteignant des températures de chauffage et de refroidissement de 59,5 °C et -11,9 °C, respectivement.
Aperçu futur
Le développement de dispositifs adaptatifs à double mode pourrait transformer l’utilisation de l’énergie dans la gestion thermique. Avec 50 % de la consommation énergétique mondiale provenant du chauffage et du refroidissement, une solution plus durable peut avoir un impact significatif sur les dépenses énergétiques mondiales et permettre un avenir plus durable.