Pour leurs tests, ils ont revêtu un échangeur de chaleur conventionnel (comme utilisé dans les équipements de réfrigération commerciaux) avec le nouveau matériau, en coopération avec des collègues de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire. Crédit :Dirk Lenzen
La chaleur résiduelle de l'industrie ne peut souvent pas être utilisée en raison de sa basse température. Avec ce matériel, il peut être utilisé dans des systèmes de refroidissement respectueux de l'environnement, par exemple dans le domaine de la technologie du bâtiment. L'équipe de recherche de Kiel présentera son matériel et ses applications à la Hannover Messe 2018.
Les appareils de refroidissement sont considérés comme des énergivores, dans lesquels des fluides frigorigènes polluants sont encore utilisés, même après l'interdiction des chlorofluorocarbures (CFC). Une alternative écologique sont les systèmes qui utilisent de l'eau à la place. Une équipe de recherche à l'Institut de chimie inorganique de l'Université de Kiel, en collaboration avec l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE à Fribourg, a développé un matériau hautement poreux, avec lesquels ces systèmes de refroidissement peuvent fonctionner en utilisant moins d'énergie électrique qu'auparavant. Chaleur résiduelle non utilisée auparavant, par exemple. des systèmes de chauffage urbain, centres de données, ou la chaleur des capteurs solaires thermiques pourrait être utilisée pour cela. Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Matériaux avancés .
Les datacenters en particulier sont de véritables usines à énergie :comme effet secondaire de leurs opérations, les ordinateurs hautes performances produisent beaucoup de chaleur, et doit donc être refroidi en permanence. En tant que tel, ils entraînent des coûts élevés d'énergie et d'électricité, tout en dégageant de la chaleur résiduelle non utilisée dans l'environnement - sa température est trop basse pour d'autres utilisations. Théoriquement, cependant, cela pourrait être utilisé pour faire fonctionner des systèmes de refroidissement économes en énergie, qui utilisent l'eau comme réfrigérant (appelés refroidisseurs à adsorption). Faire cela, le matériau utilisé doit pouvoir absorber beaucoup d'eau et se régénérer aux températures les plus basses possibles.
Avec leur nouveau matériau appelé "CAU-10-H", montré ici sous forme de poudre, l'équipe de recherche de Kiel vise à rendre les systèmes de refroidissement plus efficaces. Crédit :Groupe de travail CAU/Stock
Refroidissement respectueux de l'environnement et économe en ressources
Le matériau poreux, développé par le professeur Norbert Stock de l'Institut de chimie inorganique et son groupe de travail, remplit ces exigences. De cette façon, certaines parties du processus de refroidissement des refroidisseurs à adsorption peuvent fonctionner en utilisant uniquement l'énergie de la chaleur résiduelle ou des systèmes solaires thermiques existants. "Cela pourrait également apporter une contribution importante à l'utilisation des énergies renouvelables, " a déclaré Stock. Pour des systèmes respectueux de l'environnement comme celui-ci, le matériau présente deux avantages clés :" Les systèmes consomment moins d'énergie, et nous pouvons produire le matériel d'une manière qui respecte l'environnement, " expliqua le chimiste inorganique.
Dans ces refroidisseurs dits à adsorption, l'effet de refroidissement se produit lorsque la chaleur ambiante est extraite par l'évaporation de l'eau. Les molécules de vapeur d'eau se déposent dans les cavités d'un matériau poreux, appelés absorbants, c'est-à-dire qu'il est adsorbé. Dans la phase de régénération suivante, le matériau est séché en appliquant de l'énergie thermique. Les molécules d'eau stockées sont libérées, se liquéfier et peut être à nouveau évaporé au cycle suivant. Le matériau peut également être réutilisé.
Différents atomes (vert =aluminium, rouge =oxygène, gris =carbone) forment ensemble la structure de charpente de CAU-10-H, qui a été développé à l'Université de Kiel. Dans les pores dilatés, il peut absorber et libérer très efficacement les molécules d'eau (bleues). Crédit :Dirk Lenzen
Les sorbants utilisés dans les systèmes de refroidissement sont généralement des zéolites cristallines ou des gels de silice, qui peuvent facilement absorber l'eau en raison de leur structure. Le matériau de l'équipe de recherche présente des propriétés de sorption particulièrement bonnes :il peut absorber très rapidement beaucoup d'eau, et relâchez-le également rapidement, même à une faible augmentation de la température. Le matériau est ainsi rapidement prêt à l'emploi. « Ceci est rendu possible par la taille optimale des pores du matériau, et sa parfaite interaction avec les molécules d'eau, " a expliqué Stock. La structure cristalline hautement poreuse de "CAU-10-H - qui est le nom officiel du matériau, nommé d'après le lieu de développement, numéro de version et l'abréviation de l'hydrogène - est un exemple d'un cadre organique métallique (MOF). Ces dernières années, ils ont été testés dans un large éventail de domaines d'application.
De la recherche fondamentale à l'application pratique
Le groupe de travail de Kiel poursuit déjà depuis longtemps la découverte de nouveaux MOF, mais auparavant uniquement en tant que recherche fondamentale pure. Pour le transfert vers une application industrielle, ils ont travaillé avec des collègues de l'ISE Fraunhofer pour revêtir des échangeurs de chaleur disponibles dans le commerce avec leur matériau. "L'étude de l'échangeur de chaleur dans des conditions liées à l'application montre le potentiel élevé du matériau", a déclaré le Dr Stefan Henninger de l'ISE. Dans le laboratoire, le matériau peut déjà être produit en kilogrammes dans des conditions de réaction douces, c'est-à-dire à une température de 100°C avec de l'eau comme solvant ("synthèse verte"). "Afin de produire le matériau pour un usage industriel à plus grande échelle, notre prochaine étape est de contacter d'autres entreprises, " a déclaré Stock. Ils ont déjà déposé un brevet pour leur méthode de production.
