Démonstration du chauffage et du refroidissement pilotés par la pression à l’aide d’un échangeur de chaleur revêtu de MOF

Transformer la pression en chauffage et en refroidissement

Maintenir le confort des bâtiments sans réchauffer la planète devient un défi croissant. De nombreuses pompes à chaleur courantes reposent encore sur des pressions élevées et des réfrigérants potentiellement nocifs pour le climat. Cette étude explore une voie différente : utiliser du dioxyde de carbone (CO₂) inoffensif et un matériau poreux semblable à une éponge pour produire chauffage et refroidissement simplement en faisant varier la pression, sans vaporiser ni condenser un fluide. Les travaux montrent en laboratoire que cette idée n’est pas que théorique — elle peut rapidement réchauffer ou refroidir de l’eau en écoulement de plusieurs degrés, avec des pressions relativement modestes.

Une nouvelle manière de transférer la chaleur

Les pompes à chaleur au CO₂ classiques fonctionnent généralement à très haute pression et en conditions supercritiques, ce qui rend les équipements plus épais, plus lourds et plus complexes. Les chercheurs testent plutôt un concept appelé système hybride compression–adsorption. Au cœur du dispositif se trouve un échangeur de chaleur spécial : un tube métallique avec ailettes, revêtu d’un matériau poreux connu sous le nom de cadre métal–organique, ou MOF. Ce MOF (appelé MIL-101(Cr)) agit comme une éponge à l’échelle nanométrique capable d’adsorber de grandes quantités de CO₂ sur ses surfaces internes. Lorsque le CO₂ se fixe au MOF sous une pression plus élevée, il libère de la chaleur ; lorsque la pression baisse et que le CO₂ se désorbe, il absorbe de la chaleur. Si de l’eau circule à l’intérieur du tube pendant ces processus, cette eau peut être chauffée ou refroidie sans jamais se mélanger au gaz.

Comment fonctionne le système d’essai

L’équipe a construit un dispositif en mode batch : l’échangeur de chaleur revêtu de MOF est placé à l’intérieur d’une enceinte à pression scellée, reliée à un compresseur et à une bouteille de gaz séparée. En augmentant rapidement la pression du CO₂ de 0,8 à 3,0 mégapascals, ils forcent le CO₂ à pénétrer dans le MOF, qui se réchauffe puis chauffe l’eau circulant dans le tube. Ramener la pression à la baisse provoque la désorption du CO₂, refroidissant le MOF et réfrigérant l’eau. Dans des conditions d’essai typiques — eau à température ambiante entrant à un débit modeste — le système a modifié la température de sortie de l’eau d’environ plus ou moins 9 kelvins (approximativement plus ou moins 9 °C), et presque toute l’adsorption ou la désorption du CO₂ s’est produite en moins de deux minutes. Chaque cycle a déplacé environ 20 kilojoules de chaleur, dont près de 81 % ont été efficacement transférés à l’eau.

Ce qui contrôle les performances

Pour comprendre comment maximiser cette approche, les chercheurs ont fait varier plusieurs conditions de fonctionnement. L’amplitude de la variation de pression s’est avérée être le principal facteur déterminant le chauffage et le refroidissement totaux : des variations plus importantes et des pressions globales plus basses ont entraîné un plus grand mouvement de CO₂ dans et hors du MOF, et donc des effets thermiques plus prononcés. Modifier la vitesse de montée ou de descente de la pression a surtout changé l’acuité du pic de température, et non l’énergie totale transférée par cycle. De même, la température d’entrée de l’eau n’a eu qu’une faible influence, ce qui confirme que la source principale de chaleur est l’adsorption et la désorption du CO₂ sur le MOF, plutôt que le simple réchauffement ou refroidissement du gaz lui‑même. En revanche, le débit d’eau a eu un fort effet sur la puissance : un débit plus élevé n’a pas rendu l’eau beaucoup plus chaude ou froide au pic, mais il a raccourci la durée d’un cycle et augmenté la puissance moyenne de chauffage et de refroidissement.

Regarder à l’intérieur de l’échangeur de chaleur

Parce que la couche de MOF et l’eau changent toutes deux de température au cours du temps, les formules classiques d’échangeurs de chaleur en régime permanent ne suffisent pas à prédire le comportement. Les auteurs ont donc construit un modèle numérique détaillé qui simule le transport de masse, de quantité de mouvement et d’énergie dans le lit de MOF, le tube métallique et l’eau. Ils ont calibré le modèle en utilisant des propriétés connues du CO₂ dans le MIL-101(Cr) et ont comparé ses prédictions à leurs mesures. L’accord est bon : les simulations ont reproduit l’évolution des températures du MOF et de l’eau le long du tube et la manière dont différents débits d’eau modifient la puissance de chauffage. Cela donne confiance que le modèle peut servir à concevoir et optimiser de futurs dispositifs sans avoir à construire et tester chaque variante.

Pourquoi c’est important pour les pompes à chaleur de demain

Expériences et simulations montrent ensemble que l’adsorption du CO₂ pilotée par la pression peut fournir de façon fiable un chauffage et un refroidissement utiles à des pressions inférieures au point critique du CO₂, évitant certains défis de sécurité et de conception des systèmes CO₂ haute pression actuels. Le prototype fonctionne en mode batch plutôt qu’en continu, mais il prouve la physique de base et identifie des limites pratiques, en particulier la nécessité d’améliorer le transfert de chaleur côté eau. Avec de meilleurs designs d’échangeurs, plusieurs lits fonctionnant en séquence et une intégration avec du stockage thermique, ce concept pourrait engendrer de nouvelles catégories de pompes à chaleur utilisant du CO₂ respectueux du climat et des matériaux poreux avancés pour chauffer et rafraîchir les habitations et les bâtiments de façon plus sûre et plus efficace.

Citation: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Mots-clés: pompe à chaleur au dioxyde de carbone, refroidissement par adsorption, cadre métal-organique, réfrigération basse pression, CVC durable