Aller au contenu principal

Pourquoi un Matériau à Changement de Phase (PCM) ?

Qu’est-ce qu’un Matériau à Changement de Phase (PCM) ?

Un matériau à changement de phase, également appelé PCM pour Phase Change Material, est un matériau qui va permettre de stocker/libérer une grande quantité d’énergie thermique lorsqu’il changera de phase.

- Phase de la matière et transition de phase

La phase, ou état d’une substance, décrit l’organisation des particules (molécules ou atomes) qui la constitue.

Les trois principaux états de la matière sont l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. L’état d’une substance va dépendre principalement des conditions de température et de pression.

Un changement d’état de la matière, ou transition de phase, se produit dans des conditions strictes et définies de température et de pression, et se manifeste par un changement brusque des caractéristiques de la matière. Ce sera le cas lors d’une transition solide-gaz,  solide-liquide et liquide-gaz.

 Mati%C3%A8res%20%C3%A9tat.jpg

Température de changement de phase

Dans le cas des PCM, les transitions de phase majoritairement exploitées sont le passage du solide au liquide : la fusion ou le passage du liquide au solide : la solidification

Ces transitions de phase, pour une pression donnée, se dérouleront toujours à une température constante avec absorption (fusion) ou émission (solidification) de chaleur (énergie). On parlera respectivement de température de fusion (T°fusion) et de température de solidification (T°solidification). De manière générale, tous les PCM ont en théorie T°fusion =  T°solidification . 

ex. : l’eau fond et se solidifie à 0°C. 

Lors de son fonctionnement (i.e. son changement de phase), le PCM ainsi que son environnement proche auront une température constante et « bloquée » à la température de changement de phase.

Tant que le PCM changera de phase, c’est-à-dire tant qu’il ne sera pas devenu 100% liquide ou 100% solide, sa température ainsi que celle de son environnement resteront proche de cette température de changement de phase.

Énergies mises en jeu

Tout matériau soumis à une variation de température échangera de la chaleur avec son environnement (flux de chaleur) jusqu’à atteindre l’équilibre (i.e. températures égales). Un matériau qui chauffe absorbera de la chaleur et un matériau qui refroidit libérera de la chaleur. 

L’énergie absorbée ou émise entrainant un changement de température du PCM à une pression donnée est appelée la capacité thermique (anciennement capacité calorifique ou chaleur sensible), et est notée Cp.

Si cette variation de température amène le matériau à sa température de transition, la chaleur absorbée ou émise ne changera plus la température du matériau, mais sera utilisée pour son changement d’état : ce changement de phase se réalisant toujours à température constante.

L’énergie absorbée ou émise entrainant un changement de phase du PCM à une pression donnée est appelé l’enthalpie de changement d’état (anciennement chaleur latente de changement d’état), et est notée ΔH.

Comparativement, l’enthalpie ΔH est beaucoup plus élevée que la capacité Cp. A titre d’exemple, il est nécessaire d’apporter 340 joules à un gramme de glace pour la transformer en eau, alors que seulement 4,18 joules sont nécessaires pour que ce gramme d’eau liquide augmente sa température d’un degré Celsius.

Exemple de la fonte de glace :

Température mesurée (thermomètre) : 

 courbe%201.jpg

Échanges de chaleur mesurés (DSC, Differential Scanning Calorimetry) :

 courbe%202.jpg

A : la glace (100% solide) absorbe de la chaleur (Cpsolide) et augmente sa température ;

B : la glace atteint son point de fusion (0°C) et commence à fondre. Elle absorbe de la chaleur (ΔHfusion) en changeant de phase. La part d’eau liquide augmente au cours du temps.

C : la glace est totalement fondue (100% liquide), l’eau absorbe désormais de la chaleur (Cpliquide) et augmente sa température.

Il est donc clair qu’un changement d’état du matériau offre des propriétés énergétiques sans commune mesure avec les autres types d’échange de chaleur et qui permettent aux PCM de jouer un véritable rôle de pile énergétique

La durée d’utilisation de cette pile énergétique va dépendre des conditions extérieures, et principalement de la qualité du conteneur isotherme utilisé en combinaison du PCM.

Exploitation du changement de phase et fonctionnement d’un PCM

La qualité et les performances d’un PCM vont être déterminées par deux propriétés principales : 

- la plage de température de changement de phase (température de fusion, température de solidification), qui détermine à quelle température va être maintenu l’environnement du PCM lors de son changement de phase ;

- la quantité d’énergie que le PCM peut absorber ou émettre lors de ce changement de phase, qui détermine la durée du maintien de température de l’environnement du PCM lors de son changement de phase.

Un PCM peut être utilisé selon 2 modalités :

- absorber un apport de chaleur : lorsque les températures extérieures sont trop élevées, un PCM solide va absorber la chaleur entrante en fondant, et ainsi maintenir la température constante à son point de fusion. 

- restituer de la chaleur : lorsque les températures extérieures sont trop basses, un PCM liquide va restituer la chaleur emmagasinée en se solidifiant, et ainsi maintenir la température constante à son point de solidification. 

En fonction de l’objectif recherché, un PCM devra donc être conditionné avant son utilisation afin de garantir son efficacité optimale (100% de charge), à savoir 100% solidifié dans le cadre d’une absorption de chaleur ou 100% liquide dans le cadre d’une restitution   de chaleur.

Toutes les informations de mise en œuvre et de précautions d’usage vous seront fournies pour tous les PCM que nous proposons.

En résumé, un PCM permet de générer une température constante tout au long de son fonctionnement (changement de phase) et, combiné au conteneur isotherme adéquat, assure le maintien des produits sensibles à une température contrôlée sur toute leur durée de logistique/conservation.

COOL sas dispose d’un catalogue complet de PCM répondant aux différentes contraintes législatives et normatives de conservation sous températures dirigées de produits sensibles et a la capacité, grâce à son laboratoire QR&D, de proposer et de développer tout PCM pertinent et adapté à vos exigences.

Utilisation des PCM 

- Régulation autonome et passive de la température de produits lors de leurs transports sous températures dirigées ;

- stockage tampon d’énergie dans des dispositifs de conservation de produits sensibles ;

- stockage tampon d’énergie pour le chauffage/refroidissement de bâtiments ;

- stockage tampon pour les applications solaires…etc.