11 octobre 2022
L’institut Fraunhofer FEP a réussi une première mondiale : la réalisation d’une couche thermochromique sur du verre mince par un procédé roll-to-roll. Des résultats qui pourraient à l’avenir rendre les stores mécaniques superflus tout en réduisant les besoins en énergie de refroidissement et de chauffage d’un bâtiment.
Les complexes de bureaux, les bâtiments publics et les nouvelles constructions sont la plupart du temps caractérisés sur le plan architectural par de grandes fenêtres et façades vitrées orientées vers le sud. Alors qu’en hiver, le rayonnement solaire sert d’appoint au chauffage, en été, l’intérieur du bâtiment se réchauffe et nécessite un refroidissement actif. Les occultations ou ombrages par des stores, par exemple, réduisent le confort et ne contribuent pas à l’utilisation de l’apport de chaleur dans le bâtiment en hiver. En particulier dans la perspective de la prochaine période automnale-hivernale, associée aux directives gouvernementales actuelles en matière d’économie d’énergie et à la crise énergétique, les fenêtres intelligentes offrent ici une solution d’avenir. De telles fenêtres peuvent réguler l’apport de chaleur du rayonnement solaire en fonction de la situation météorologique.
L’institut Fraunhofer FEP (Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik) mène donc des recherches sur des revêtements de surface qui peuvent apporter une grande contribution dans ce domaine et permettre de réduire le rayonnement thermique pénétrant dans le bâtiment à travers le verre des fenêtres. En collaboration avec des partenaires de projet, les chercheurs travaillent sur des systèmes de couches actifs et intelligents qui utilisent les effets de l’électrochromie (commutation du passage de l’énergie par l’application d’une tension) et de la thermochromie (commutation du passage de l’énergie par le dépassement / l’abaissement d’une température). Ces films électrochromes peuvent être utilisés dans les vitrages isolants, et pas uniquement dans les nouvelles constructions : il est en effet également possible d’équiper des bâtiments existants.
Actuellement, certaines technologies passives sont déjà disponibles sur le marché. Ces couches minces, fabriquées sur film ou sur verre, n’offrent toutefois qu’un ajustement permanent du taux de transmission d’énergie. Elles ne fonctionnent donc qu’avec un seul réglage, par exemple pour empêcher le rayonnement thermique en été. En hiver, elles empêchent toutefois tout autant de profiter de ce dernier. En outre, le processus de fabrication fait appel à des ressources précieuses telles que l’argent. Les chercheurs se concentrent donc sur l’optimisation des propriétés et le remplacement de ces matériaux rares.
Pour toutes les technologies, qu’elles soient passives ou actives, le défi consiste à faire le grand écart entre les différentes propriétés qui doivent être disponibles en même temps : l’impression et l’efficacité optiques dans les différentes gammes de longueurs d’onde sont-elles plus ou moins importantes qu’un taux élevé de transmission d’énergie ? Il faut également tenir compte de la plage de températures de commutation pour les couches thermochromiques et, bien sûr, des coûts de fabrication.
Afin de trouver de nouvelles solutions polyvalentes, les chercheurs développent actuellement des technologies de revêtement pour des éléments thermochromiques sur du verre mince. Le matériau du substrat, d’une épaisseur d’environ 100 µm, pose des exigences élevées en matière de manipulation, et la mise à l’échelle sur des surfaces plus grandes s’est avérée très difficile jusqu’à présent. Mais en même temps, l’utilisation d’un film polymère comme substrat alternatif, qui pourrait faciliter la manipulation, n’est pas évidente à mettre en œuvre en raison des températures élevées, atteignant quelques centaines de degrés, nécessaires lors du processus de fabrication.
Début 2022, les chercheurs du Fraunhofer FEP ont réussi à fabriquer la première couche thermochrome au monde à base de dioxyde de vanadium sur du verre mince en utilisant la technologie efficace roll-to-roll. Les couches thermochromiques modifient leur transmission dans le domaine infrarouge lorsqu’elles dépassent une certaine température. La transmission dans le domaine visible reste inchangée. L’utilisateur ne remarque ainsi aucun changement visuel sur la fenêtre et ne subit aucune restriction en termes de confort lumineux ou de visibilité. En été, le rayonnement thermique est ainsi efficacement bloqué, ce qui réduit la nécessité de recourir à la climatisation. En hiver, le rayonnement thermique du soleil est transmis, ce qui permet d’économiser de l’énergie de chauffage.
La température de commutation est d’environ 20°C, ce qui signifie que le verre thermochromique mince installé sur les bâtiments passe de l’état transmissif à l’état réflecteur lorsque la température dépasse 20°C. Cette température de commutation peut être réglée en fonction des exigences climatiques grâce à la composition, au procédé et à la structure du système de couches.
La prochaine étape consistera à mettre cette technologie à l’échelle et à la rendre commercialisable. Les recherches se concentrent notamment sur l’optimisation de la manipulation du substrat, la stabilité à long terme et le réglage de la température de commutation nécessaire.
La combinaison des technologies présentées ci-dessus rendra ainsi les stores mécaniques superflus à l’avenir et permettra de réduire les besoins en énergie de refroidissement et de chauffage d’un bâtiment de 10% et, dans des cas extrêmes, de jusqu’à 60%.