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Un étudiant travaille à la fenêtre d'une chambre de la première résidence étudiante construite par le groupe Bénéteau, à Angers. Cette construction a mobilisé des matériaux durables pour préserver l'environnement.
Un étudiant travaille à la fenêtre d'une chambre de la première résidence étudiante construite par le groupe Bénéteau, à Angers. Cette construction a mobilisé des matériaux durables pour préserver l'environnement.
©FRANK PERRY / AFP

Atlantico Green

Comment les fenêtres intelligentes permettent d'économiser de l'énergie

Un verre spécial qui garde la chaleur en hiver et la laisse sortir en été pourrait rendre les bâtiments beaucoup plus efficaces - si les coûts et la complexité ne s'y opposent pas.

Brittney J. Miller

Brittney J. Miller

Brittney J. Miller (@BrittneyJMiller) est une journaliste scientifique de Floride qui aime écrire sur le monde qui l'entoure.

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Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

La lumière naturelle qui passe par une fenêtre ensoleillée est formidable - jusqu'à ce que vous plissiez les yeux et que vous essuyiez la sueur sur votre front. Vous pouvez fermer les stores ou allumer la climatisation, mais vous vous retrouvez avec une pièce sombre ou une facture d'électricité en hausse.

Une solution à cette énigme a été imaginée il y a 40 ans : des fenêtres intelligentes, réglables selon vos préférences. Grâce à des matériaux spéciaux qui bloquent certaines longueurs d'onde de la lumière, ces fenêtres s'adaptent à la météo ou à votre confort personnel. Il fait trop chaud ? Les fenêtres peuvent se teinter pour bloquer la lumière et garder les pièces plus fraîches. Il fait trop froid ? La teinte disparaît, laissant la lumière naturelle chaude chauffer votre espace. Vous voulez un peu d'intimité ? Certaines vitres peuvent s'obscurcir en appuyant sur un interrupteur.

Au cours des dernières décennies, les progrès de la recherche sur les vitres intelligentes ont permis à cette technologie de dépasser le stade du laboratoire : Le marché du verre intelligent devrait atteindre 7,5 milliards de dollars d'ici 2028. On trouve déjà des types de fenêtres intelligentes dans les bateaux, les voitures et les avions, et elles font leur chemin dans des bâtiments tels que les bureaux et les terminaux d'aéroport. Et, si elles parviennent à surmonter quelques difficultés majeures, elles pourraient un jour jouer un rôle important dans l'amélioration de l'efficacité énergétique des habitations, selon leurs promoteurs.

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Les bâtiments représentent 39 % de la consommation d'énergie aux États-Unis, dont 35 % sont liés au chauffage, à la ventilation et à la climatisation. Les fenêtres intelligentes peuvent bloquer ou laisser entrer la chaleur de manière sélective, ce qui permet de réduire ces besoins énergétiques : Environ 35 % de l'énergie d'un bâtiment type est perdue par les fenêtres.

Mais pour que les fenêtres intelligentes se généralisent et réduisent la consommation d'énergie de chacun, leur prix doit baisser. Les dispositifs actuels peuvent coûter jusqu'à dix fois le prix des fenêtres standard à haut rendement énergétique. Rendre la technologie moins chère, et peut-être même plus intelligente, sont des domaines qui intéressent vivement les chercheurs.

Selon Claes-Göran Granqvist, physicien des matériaux, "à l'avenir, il n'y aura aucune raison d'avoir d'autres fenêtres que ces fenêtres intelligentes".

Comme une batterie

Les fenêtres intelligentes ont vu le jour bien avant que les téléphones et les téléviseurs ne soient considérés comme "intelligents". Au début des années 1980, des scientifiques de l'université de technologie de Chalmers, en Suède, et du Lawrence Berkeley National Laboratory, en Californie, réfléchissaient à de nouvelles façons de fabriquer des matériaux de construction efficaces sur le plan énergétique. Les chercheurs ont eu l'idée d'une fenêtre réactive qui changerait dynamiquement de teinte. M. Granqvist, qui a participé à ces premières recherches, a utilisé l'expression "fenêtres intelligentes" dans une demande de subvention. Le nom est resté, et la première fenêtre intelligente a vu le jour en 1984.

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Les fenêtres contribuent à créer des espaces agréables dans les bâtiments et jouent un rôle important dans le maintien d'un environnement intérieur confortable. Les fenêtres intelligentes de la prochaine génération seront la clé d'une économie plus verte et plus efficace sur le plan énergétique.

Les premiers prototypes ne mesuraient que quelques centimètres et étaient dotés d'un verre qui passait de manière réversible de la transparence à l'obscurité, une prouesse réalisée en prenant en sandwich du verre, plusieurs couches de matériaux et des conducteurs transparents qui fournissaient de petites impulsions électriques. La tension modifiait l'interaction des matériaux avec la lumière, changeant les longueurs d'onde réfléchies ou absorbées.

À mesure que la technologie progressait, les chercheurs ont exploré d'autres substances qui manipulent la lumière en réponse à d'autres stimuli, tels que la chaleur, les rayons ultraviolets et le magnétisme. Aujourd'hui, toute une gamme de "matériaux intelligents" spéciaux est utilisée, et les chercheurs continuent d'en étudier de nouveaux.

Les premiers prototypes utilisaient des matériaux "électrochromes", c'est-à-dire qui changent de manière réversible en réponse à un courant ou une tension électrique. Les fenêtres électrochromiques comportent généralement cinq couches au total, dont deux couches servant d'électrodes (comme les pôles positif et négatif d'une batterie) et une couche d'électrolyte interne qui contient des ions. Lorsqu'une tension est appliquée, les ions chargés positivement sont entraînés dans une couche tandis que les électrons se déplacent dans l'autre. La réaction crée une teinte qui bloque une partie de la lumière visible ainsi que la lumière infrarouge qui dégage de la chaleur. La teinte reste jusqu'à ce qu'un autre cycle de tension déclenche une réaction inverse qui extrait les électrons et les ions, rendant ainsi la fenêtre à nouveau transparente.

"C'est comme dans une batterie électrique", explique M. Granqvist, du laboratoire Ångström de l'université d'Uppsala, en Suède. "Il faut mettre de l'énergie pour la charger, mais ensuite on peut la garder longtemps".

Le verre électrochrome est largement utilisé dans les fenêtres intelligentes, et on le trouve déjà dans les écrans de confidentialité, les panneaux d'affichage, les fenêtres de bateaux, les fenêtres d'avions et certains toits ouvrants de voitures. Certains types de verre électrochrome sont presque opaques lorsqu'ils ne sont pas alimentés. Dans cet état, les matériaux réactifs du verre, qu'il s'agisse de gouttelettes de cristal ou d'autres particules en suspension, sont disposés de manière désordonnée et diffusent la lumière au lieu de la laisser passer, ce qui rend le verre trouble. Mais si on le soumet à un courant électrique, les gouttelettes ou les cristaux s'alignent et le verre devient transparent.

Ces fenêtres et d'autres fenêtres électrochromiques permettent aux occupants d'un bâtiment de contrôler manuellement les niveaux de teinte, mais des électriciens sont nécessaires pour construire correctement les réseaux d'électrodes et les fils correspondants, ce qui complique la conception et l'installation. Les prix sont donc beaucoup plus élevés que ceux de certains autres modèles de fenêtres intelligentes. D'un autre côté, les matériaux sont relativement bon marché et des méthodes de production peu coûteuses et évolutives se profilent à l'horizon, selon M. Granqvist.

Et les fenêtres électrochromiques peuvent encore être améliorées. Les chercheurs continuent d'étudier de nouveaux matériaux réactifs, dans le but d'accroître l'efficacité et la longévité des fenêtres. Par exemple, un prototype contenant de l'oxyde d'étain dopé avec deux autres métaux qui bloquent à la fois les infrarouges et la lumière visible a duré beaucoup plus de cycles marche/arrêt que de nombreuses fenêtres électrochromiques existantes, ont récemment rapporté les scientifiques dans ACS Omega.

Réactivité à la chaleur

Une autre catégorie de fenêtres intelligentes qui changent en réponse à la chaleur, appelée thermochromique, n'a pas besoin du câblage compliqué ou des alimentations électriques des fenêtres électrochromiques. Le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau thermochrome étudié depuis longtemps, explique le spécialiste des matériaux Harlan Byker, qui a fondé la société Pleotint, fabricant de vitres dynamiques.

Les fenêtres intelligentes peuvent passer d'un état transparent à un état bloquant, un exploit réalisé en tirant parti de matériaux qui changent de forme de manière réversible. Certains matériaux se transforment sous l'effet de la chaleur ou de l'électricité (voir illustration) ; d'autres réagissent à un champ magnétique, à une contrainte mécanique ou au taux d'humidité.

Le VO2 a la capacité de se transformer à des températures plus élevées (environ 68 degrés Celsius ou 154 degrés Fahrenheit), ce qui augmente sa capacité à réfléchir la lumière infrarouge. Cela permet à la lumière visible de continuer à pénétrer dans la pièce, l'éclairant, tout en réduisant la quantité de chaleur entrante, gardant la pièce plus fraîche. Les chercheurs peuvent mélanger des substances spéciales au VO2 pour qu'il réfléchisse à des températures plus basses, mais cela entrave la réflexion de la lumière, ce qui rend difficile le passage du produit du laboratoire aux marchés commerciaux, explique Byker.

La prochaine génération de fenêtres thermochromiques pourrait utiliser des matériaux différents qui absorbent la lumière au lieu de la réfléchir, créant ainsi une teinte continue à mesure que la température augmente, à l'instar des fenêtres électrochromiques. Une substance récemment mise au point exploite les interactions entre les ions métalliques et d'autres molécules pour absorber moins de lumière infrarouge et visible lorsqu'il fait froid à l'extérieur, laissant ainsi entrer plus de chaleur. Lorsqu'il fait plus chaud, les matériaux absorbent davantage de lumière, ce qui empêche la chaleur associée de sortir.

Chaque matériau sensible à la température transite à des températures différentes et peut avoir un aspect plus ou moins teinté - et présente des difficultés, explique le spécialiste des matériaux Long Yi de l'université technologique de Nanyang à Singapour. Certains, comme un polymère appelé hydrogel, sont excellents pour dévier la chaleur mais présentent une teinte trop opaque pour être perçue. D'autres, comme le VO2, sont suffisamment transparents pour conserver les vues mais ne sont pas aussi efficaces sur le plan énergétique car ils ne peuvent pas réfléchir la chaleur aussi bien.

"Il n'y a pas de matériaux parfaits", dit Yi. "Nous pouvons seulement trouver le matériau parfait pour certaines applications".

L'une de ces applications consiste à concevoir des fenêtres qui non seulement diffusent la lumière, mais retiennent également sa chaleur. Le laboratoire de M. Yi, par exemple, met au point des fenêtres thermochromiques capables de stocker la chaleur collectée au moment le plus ensoleillé de la journée et de la restituer lorsque la demande et les coûts sont moindres, pendant les périodes plus fraîches de la journée.

Pour ce faire, ils placent un hydroliquide - une combinaison d'eau et d'hydrogel - entre deux vitres. Les chaînes de polymères à l'intérieur de l'hydrogel se dilatent lorsque la température descend en dessous de 30 degrés Celsius (86 degrés Fahrenheit), rendant le verre transparent. Au-delà de ce seuil, les chaînes se froissent comme du papier et s'emmêlent les unes aux autres pour créer une teinte, diffusant la lumière visible et proche de l'infrarouge. Grâce à l'eau contenue dans le mélange, qui peut retenir de grandes quantités de chaleur, l'hydroliquide absorbe la chaleur et la libère progressivement au fil du temps. Selon les données de simulation de M. Yi, cela peut réduire de 35 % les besoins énergétiques en matière de chauffage, de ventilation et de climatisation par rapport au verre à double vitrage.

Sa dernière étude introduit une fenêtre à double sens. Décrite en 2021 dans Science, l'équipe de Yi a créé une fenêtre - dotée de revêtements à haut rendement énergétique et de VO2 - qui empêche la lumière infrarouge chargée de chaleur de pénétrer dans les bâtiments tout en laissant la chaleur intérieure s'échapper, ce qui permet de rafraîchir les pièces en été. Ce mécanisme s'inverse en hiver, lorsque les températures deviennent plus froides : les matériaux laissent entrer la lumière et empêchent la chaleur intérieure de sortir par rayonnement. Selon M. Yi, cette nouvelle technologie pourrait permettre d'économiser jusqu'à 15 % de la consommation d'énergie par rapport aux revêtements actuels des vitrages commerciaux à haut rendement énergétique.

Les chercheurs mettent au point des fenêtres intelligentes qui, en été, bloquent l'entrée de la lumière proche infrarouge chargée de chaleur tout en permettant à la chaleur de s'échapper (à gauche) ; en hiver, ces fenêtres laissent entrer la lumière proche infrarouge et empêchent la chaleur intérieure de s'échapper (à droite). La lumière visible passe en toutes saisons.

CRÉDIT : S. WANG ET AL / SCIENCE 2021

Des vitres qui poussent

Les fenêtres intelligentes peuvent aider le monde à faire des progrès en matière d'économies d'énergie, mais, comme c'est le cas pour d'autres innovations telles que les voitures électriques, la route vers un avenir plus vert peut être un peu cahoteuse.

Les prix élevés des fenêtres intelligentes constituent un obstacle majeur à leur expansion dans de plus nombreux espaces, comme le souligne un aperçu des matériaux pour fenêtres intelligentes publié en 2016 dans l'Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. Les fenêtres électrochromiques, par exemple, peuvent être plusieurs fois plus chères que les fenêtres à haut rendement énergétique en raison de leurs systèmes d'alimentation compliqués et de leurs longs processus d'installation. Et même si les fenêtres thermochromiques sont moins chères, elles restent plus chères que les fenêtres ordinaires. La plupart des consommateurs préfèrent choisir l'option la moins chère, même s'ils ne bénéficient pas des avantages énergétiques des fenêtres intelligentes.

Les scientifiques continuent d'améliorer la technologie, mais à l'heure actuelle, le succès ou l'échec des fenêtres intelligentes dépend largement de l'aspect économique. Pour que les fenêtres intelligentes décollent, leur prix doit baisser, explique Carl Lampert, ingénieur électricien et spécialiste des matériaux, associé directeur de la société de conseil en revêtements de fenêtres Star Science. L'inclusion des fenêtres dans les programmes de rabais gouvernementaux - comme le symbole Energy Star pour les produits à haut rendement énergétique - pourrait aider. Une meilleure éducation des consommateurs sur les nouvelles avancées, leurs performances et les économies d'énergie qu'elles permettent de réaliser pourrait également faire augmenter la demande.

La recherche ouvre lentement la voie à des fenêtres intelligentes plus simples, moins chères et plus durables, qui réduisent les coûts et les risques. Mais les consommateurs devront peut-être attendre : M. Yi estime qu'il faudra peut-être attendre dix ans avant que les nouveaux produits quittent les laboratoires et arrivent sur le marché.

À terme, ces fenêtres pourraient être plus répandues, s'ajustant passivement aux désirs des consommateurs ou répondant à la pression d'un bouton - comme la télécommande d'un téléviseur, selon M. Lampert. Il imagine un avenir où il pourra demander une fenêtre intelligente chez Home Depot sans provoquer de confusion chez les employés. D'autres chercheurs sont d'accord :

"Les fenêtres dynamiques sont inévitables", déclare Byker. "C'est juste beaucoup de douleurs d'accouchement ici".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.

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