Un matériau à changement de phase, ou MCP, est un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température située entre et environ. Dans cet intervalle de température, le changement de phase prépondérant reste la fusion/solidification. Ces températures sont accessibles naturellement et sont omniprésentes dans la vie quotidienne (température d'ambiance d'une maison, température d'un corps humain, de l'eau chaude sanitaire).

Cet article n'aborde que les MCP dont le changement d'état se situe entre les phases liquides et solides.

Principe du changement de phase : chaleur sensible et chaleur latente Tout matériau, solide, liquide ou gazeux, possède une capacité à absorber, stocker ou céder de l'énergie sous forme de chaleur. On distingue deux types de transfert de chaleur (ou transfert thermique) : le transfert thermique par chaleur sensible (CS) : dans ce cas, le matériau en question peut absorber ou céder de l'énergie en voyant varier sa propre température, sans pour autant changer d'état. La grandeur utilisée pour quantifier la chaleur ainsi échangée par un matériau est la capacité thermique massique, notée C et exprimée en . Par exemple, pour l'eau, signifie qu'il faut pour élever d'eau de (valable aux températures proches de ) ; le transfert thermique par chaleur latente (CL) : dans ce cas, le matériau peut absorber ou céder de l'énergie par changement d'état, tout en conservant une température constante qui lui est propre. La grandeur utilisée pour quantifier la chaleur ainsi échangée par un matériau est la chaleur latente de changement d'état, notée L (f pour fusion) pour un changement de phase liquide/solide, c'est-à-dire une fonte, et L (v pour vaporisation) pour un changement de phase liquide/vapeur. Celle-ci est exprimée en J/kg. Par exemple, pour l'eau, signifie que la fusion de de glace à la température (constante) de nécessite une énergie de soit .

Intérêts des matériaux à changement de phase Compacité ou densité énergétique Les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de changement de phase sont bien plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles (dans la mesure où l'on travaille sur des intervalles restreints de températures). Cette caractéristique permet de réduire considérablement le volume d'un élément de stockage d'énergie (donc d'augmenter sa compacité) ou d'augmenter très fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage (donc d'augmenter sa densité énergétique).

D'autre part, un MCP peut cumuler les deux types de transferts thermiques décrits précédemment.

Exemple :

NomAcétate de sodium trihydraté T L C à C à ρ à ρ à

Densité énergétique

L'énergie E accumulée par de ce MCP entre et vaut :

Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau () accumulerait une quantité E :

Le MCP considéré a donc permis de stocker plus de trois fois plus d'énergie pour un même volume. Il possède donc une plus grande densité énergétique.

Compacité

De la même manière, pour stocker de , on a besoin des volumes V et V suivants :

Le volume du MCP utilisé pour stocker entre et est donc plus de 26 fois plus petit que celui de l'eau. Il possède donc une plus grande compacité.

Matériaux thermorégulants (régulation passive, rôle tampon) Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en tant que régulateur de température dans un matériau thermorégulant. En effet, si l'on intègre ce MCP dans un enduit, par exemple à l'enveloppe (murs extérieurs, plancher, plafond) d'un bâtiment, il peut stocker de la chaleur quand elle est surabondante (été) ou présente au mauvais moment (dans la journée l'hiver). Cycle saisonnier : en été, une partie de l'énergie solaire peut être stockée au fur et à mesure par les parois (sans fluctuation excessive de la température dans le bâtiment). Selon le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), il est alors possible d'écrêter de les pics de température d'une pièce.. Cycle journalier : en hiver, on peut de la même manière stocker la chaleur apportée par le soleil dans des MCP incorporés aux parois (enduit ou matériau originel) ; ceux-ci restitueront cette chaleur en fin de journée, la nuit ou au moment d'un refroidissement.

Par ailleurs, tout MCP peut servir de « déphaseur thermique ». Tout apport ou perte énergétique (variation de température, rayonnement solaire) en provenance du milieu peut provoquer la fusion ou la cristallisation du matériau à température quasi constante. Dès lors, le milieu situé de l'autre côté du MCP ne ressent pas aussitôt l'effet de cet apport ou de cette perte, mais ne commencera à le ressentir qu'après la fusion ou la cristallisation totale du matériau.

Éventail de températures Les MCP, grâce à leur grande variété possèdent des températures de fusion différentes. Ces dernières balayent la totalité de la zone de température restrictive dans laquelle nous nous sommes placés initialement. Cela permet, par exemple, de choisir des températures de fusion proches de et , respectivement températures limites de confort hivernal et estival. Le paragraphe suivant présente un tableau non exhaustif de différents matériaux à changement de phase, accompagnés de leur température de fusion et autres données techniques.

Exemples et types de matériaux à changement de phase Il existe de nombreux types de matériaux à changement de phase, de nature physico-chimique très différente les uns des autres. Ce sont leurs caractéristiques de fusion-cristallisation qui les rendent intéressants pour le stockage de chaleur latente. Parmi ces matériaux, on distingue les trois grandes familles suivantes : les composés minéraux (ou inorganiques). Parmi ces composés, seuls les sels hydratés présentent un intérêt pour leur utilisation en tant que MCP. Ils sont issus d'un alliage de sels organiques et d'eau. Ils ont l'avantage de posséder des grandes chaleurs latentes et des prix bas. En revanche, leur principal défaut concerne leur tendance à la surfusion ; les composés organiques. De propriétés thermiques (chaleur latente et conductivité thermique en particulier) moindre que les sels hydratés, ceux-ci présentent l'avantage de n'être pas ou très peu concernés par la surfusion. On utilise en particulier, pour le stockage de chaleur latente, les paraffines et les acides gras qui appartiennent à cette famille ; les eutectiques. Un eutectique est un mélange de corps purs possédant une température de fusion constante pour une valeur particulière de concentration. Il peut être inorganique et/ou organique.

Nom T(°C) L(kJ/kg) C() C() ρ() ρ() Composés organiquesAcide formique8,3247?0,099?Acide acétique16,7194??Phénol40,8120???Acide dodécanoïque41-43211,61,762,27862Acétate de sodium trihydraté55-58242,853,31 à 3,06 à à à Composés inorganiques Eau ()03302,06 à 4,186 à 917 à 998 à Hydroxyde de sodium (NaOH)318272,151,88 à 2,18 à à à Acide sulfurique (HSO)10,4100??? Trioxyde de soufre (SO)16,9108?0,024? Acide phosphorique (HPO)26,0147?? Gallium (Ga)29,8800,370?6 095

On peut néanmoins noter la dangerosité de certaines de ces substances.

Par exemple, le trioxyde de soufre réagit, entre autres, violemment avec l'eau pour former de l'acide sulfurique (un acide fort et un polluant majeur) tout en dégageant une chaleur importante.

Applications Amélioration de la stratification d'un ballon d'eau chaude sanitaire (ECS) solaire Stockage solaire thermique classique

Le principal problème lié à l'utilisation de l'énergie solaire thermique concerne son stockage : la production d'eau chaude sanitaire (ECS) via la circulation d'eau au-travers de panneaux solaires est directement dépendante de l'ensoleillement. Cet apport énergétique a lieu que l'on en ait besoin (bénéfique) ou non (perte énergétique par surabondance). L'utilisation de MCP pour le stockage de cette énergie par chaleur latente permettrait de résoudre en partie ce problème : d'une part, la quantité d'énergie stockée dans un ballon de même volume sera plus grande avec un MCP qu'avec de l'eau seule (cf. paragraphe Compacité ou Densité énergétique) : il sera donc possible d'accumuler une plus grande quantité de chaleur que celle nécessaire à une seule journée d'occupation ; par ailleurs, ne pouvant élever indéfiniment la température du volume de stockage (risque de vaporisation du fluide néfaste aux pompes de circulation), il est en revanche possible de stocker cette chaleur sous forme latente sans pour autant élever la température du matériau (en utilisant par exemple un MCP dont la température de fusion se situe aux environs de ou ). Cette chaleur supplémentaire accumulée sera cédée par la suite au réseau d'eau chaude sanitaire.

Stockage solaire thermique avec utilisation de MCP

Le principal problème de stockage de l'énergie au sein d'un ballon d'ECS solaire est l'absence de stratification (l'intégralité du volume d'eau chaude contenue dans le ballon n'est que rarement prélevée en une seule fois) : le volume d'eau à l'intérieur du ballon a tendance à homogénéiser sa température lors de son retour et de son départ vers les panneaux. Une fois une température trop basse atteinte (par exemple ), il n'est plus possible d'utiliser cette eau pour le circuit d'ECS. Pourtant, il suffit que cette chaleur soit « mieux répartie » pour que l'on puisse encore puiser de l'eau à une température convenable (un ballon de à contient la même quantité d'énergie que deux ballons de aux températures respectives de et ).

L'utilisation de MCP permet alors la création de « couches stratifiées » dont les températures se situeront aux environs des températures de fusion des différents matériaux utilisés. Ainsi, un puisage intermittent ou ponctuel d'ECS entraîne la baisse de température de la partie haute du ballon (cf. schéma) dépourvue de nodules (=capsules) de MCP. En revanche, un puisage plus long entraîne l'utilisation de l'énergie contenue dans les couches inférieures du ballon, c'est-à-dire de la chaleur latente contenue dans les nodules. Ceux-ci se solidifient si nécessaire et cèdent ainsi leur énergie à l'eau de ville en la réchauffant.

Climatisation passive Certaines entreprises comme Dupont de Nemours proposent des panneaux d'inertie thermique incorporant un mélange MCP-polymère. Ces panneaux sont généralement recouverts d'une feuille d'aluminium qui leur apporte de la rigidité structurelle et joue éventuellement le rôle de pare-vapeur métallisé dans le cas où ces panneaux seraient utilisés dans l'enveloppe du bâtiment.

L'utilisation de tels matériaux présente un double intérêt : du fait de leur grande compacité, les MCP permettent au bâtiment d'acquérir une grande inertie thermique et donc d'être moins sensible aux variations quotidiennes de température. Selon les études, il serait possible de réduire de maximum les pics de température dans un bâtiment en utilisant de tels isolants ; le phénomène de changement de phase permet, quant à lui, d'absorber une partie de la chaleur de la pièce dès que la température ambiante dépasse la température de fusion du matériau. Cet écart de température entre le matériau et la pièce (réserve énergétique) va être réduit et la température de la pièce va tendre vers celle du matériau : dans la mesure où l'échange énergétique qui a lieu entre les deux systèmes se fait de manière quasi isotherme pour le MCP, c'est l'environnement qui va voir baisser sa température afin de permettre la fusion du MCP.