Dessalement à haut rendement par énergie solaire

Des unités de désalinisation de l’eau de mer utilisant l’énergie solaire ont déjà été envisagées. Le principe en est simple : la chaleur fournie par le rayonnement solaire vaporise l’eau salée en vapeur d’eau. Celle-ci se condense sur une paroi froide donnant de l’eau potable qui est récupérée. La chaleur dégagée par la condensation est généralement évacuée vers l’extérieur.

Des chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology), Cambridge, USA et de !a Shanghai Jiao Tang University, Shanghai, China ont réussi à multiplier par près de quatre l’efficacité d’un tel système en récupérant la chaleur dégagée par la condensation pour l’utiliser à la vaporisation.

Le système qu’ils ont évalué sur une maquette au laboratoire est basé sur le principe suivant : le rayonnement solaire sert à vaporiser l’eau de l’eau salée en la chauffant jusqu’à une température suffisante et en lui fournissant la chaleur latente  de vaporisation nécessaire. En se condensant, la vapeur d’eau redonne au condenseur cette chaleur latente. Celle-ci est réutilisée pour chauffer et vaporiser de l’eau salée, grâce l’utilisation d’étages de vaporisation-condensation en cascade (Fig.1).

Fig.1 Schéma du système de dessalement a) Premier étage du dispositif : une fenêtre monolithique d’aérogel de silice transparent à la lumière soleil et bon isolant thermique ; un absorbeur de la chaleur solaire et un condenseur de la vapeur. L’énergie du rayonnement solaire est convertie en chaleur dans l’absorbeur, elle est transférée de l’absorbeur dans la fine mèche capillaire (une serviette en papier). La vaporisation se produit dans la mèche capillaire au contact de l’absorbeur de chaleur. De l’eau salée est pompée depuis son réservoir par la pression capillaire qui compense la perte de liquide dans la mèche due à la vaporisation. La vapeur se liquéfie sur le condenseur qui récupère ainsi la chaleur latente de vaporisation. Le condenseur la réémet sous forme d’un rayonnement qui va être absorbé par l’étage suivant pour vaporiser à son tour l’eau salée. b) La série d’étages successifs permet de recycler la chaleur latente de vaporisation. L’énergie thermique libérée lors de la condensation sur un étage vaporise le liquide de la mèche capillaire de l’étage suivant. La vapeur se liquéfiant sur le condenseur va libérer une énergie thermique qui va alimenter la vaporisation dans l’étage suivant. Et ainsi de suite.. le condenseur du dernier étage est inséré dans le réservoir d’eau salée pour maintenir la température proche de l’ambiante. Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830 Published by The Royal Society of Chemistry. C.C.3.0

Fig.1  Schéma du système de dessalement
a) Premier étage du dispositif : une fenêtre monolithique d’aérogel de silice transparent à la lumière du soleil et bon isolant thermique ; un absorbeur de la chaleur solaire et un condenseur de la vapeur. L’énergie du rayonnement solaire est convertie en chaleur dans l’absorbeur, elle est transférée de l’absorbeur dans la fine mèche capillaire (une serviette en papier). La vaporisation se produit dans la mèche capillaire au contact de l’absorbeur de chaleur. De l’eau salée est pompée depuis son réservoir par la pression capillaire qui compense la perte de liquide dans la mèche due à la vaporisation. La vapeur se liquéfie sur le condenseur qui récupère ainsi la chaleur latente de vaporisation. Le condenseur la réémet sous forme d’un rayonnement qui va être absorbé par l’étage suivant pour vaporiser à son tour l’eau salée.
b) La série d’étages successifs permet de recycler la chaleur latente de vaporisation. L’énergie thermique libérée lors de la condensation sur un étage vaporise le liquide de la mèche capillaire de l’étage suivant. La vapeur se liquéfiant sur le condenseur va libérer une énergie thermique qui va alimenter la vaporisation dans l’étage suivant. Et ainsi de suite.. le condenseur du dernier étage est inséré dans le réservoir d’eau salée pour maintenir la température proche de l’ambiante.
Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang
Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830 Published by The Royal Society of Chemistry. C.C.3.0

La Fig.2 suivante schématise le mécanisme du système à multi-étages. On y a figuré les pertes de chaleur vers l’extérieur

Fig.2. Schéma du fonctionnement du système multi-étage Pour la clarté de l’explication on a fortement dilaté la largeur selon x des étages. Les m“ représentent les flux de masse d’eau évaporée, les q“ les différents flux de chaleur. Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830, Sup. Mat. C.C.3.0 Published by The Royal Society of Chemistry.

Fig.2. Schéma du fonctionnement du système multi-étages
Pour la clarté de l’explication on a fortement dilaté la largeur selon x des étages (b vaut en réalité 0,5 mm).
Les m“ représentent les flux de masse d’eau évaporée, les q“ les différents flux de chaleur.
Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang
Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830, Sup. Mat. C.C.3.0 Published by The Royal Society of Chemistry.

Les photographies de la fig.3 montrent un prototype  à 10 étages et les détails de sa structure.

Fig.3 Vue du prototype à 10 étages a) Photographie du dispositif Le prototype est composé de 11 cadres en nylon, un absorbeur de chaleur solaire recouvert d’un isolant thermique en aérogel de silice, de 10 condenseurs en aluminium couverts d’une mince couche de téflon et de 10 évaporateurs en mèches capillaires (serviettes en papier). Un verre anti-reflets protège l’aérogel de silice et l’absorbeur solaire. b) Photographie de quelques éléments du système à 10 étages c) Photo d’un évaporateur attaché au dos d’un condenseur. Chaque évaporateur a son extrémité inférieure plongée dans le réservoir d’eau salée. d) Vue de l’expérience montée sur un toit du MIT par un jour partiellement ensoleillé (le 13 juillet 2019) 1 Dispositif à 10 étages, 2 réservoir d’eau salée, 3 conduit de récupération en Al, 4 capteur de température, 5 Une éprouvette graduée de 10 cm3, 6 balance et 7 ordinateur. Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830 Published by The Royal Society of Chemistry. C.C.3.0

Fig.3 Vue du prototype à 10 étages
a) Photographie du dispositif
Le prototype est composé de 11 cadres en nylon, un absorbeur de chaleur solaire recouvert d’un isolant thermique en aérogel de silice, de 10 condenseurs en aluminium couverts d’une mince couche de téflon et de 10 évaporateurs en mèches capillaires (serviettes en papier). Un verre anti-reflets protège l’aérogel de silice et l’absorbeur solaire.
b) Photographie de quelques éléments du système à 10 étages
c) Photo d’un évaporateur attaché au dos d’un condenseur. Chaque évaporateur a son extrémité inférieure plongée dans le réservoir d’eau salée.
d) Vue de l’expérience montée sur un toit du MIT par un jour partiellement ensoleillé (le 13 juillet 2019)  1 Dispositif à 10 étages, 2 réservoir d’eau salée, 3 conduit de récupération en Al, 4 capteur de température, 5 Une éprouvette graduée de 10 cm3, 6 balance et 7 ordinateur.
Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang
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La vidéo 1 suivante décrit le démarrage du prototype à 10 étages. L’eau dessalée commence à couler du premier étage 8 minutes après le début de l’exposition au soleil. Les étages suivants sont activés successivement et le dispositif complet atteint son état stationnaire après 100 minutes. L’eau sort alors de tous les 10 étages.

Le mouvement est accéléré d’un facteur 100.
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Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song,  Omar Labban, John H. Lienhard,  Ruzhu Wang  and Evelyn N. Wang
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On voit sur la vidéo 2 suivante le fonctionnement  du dispositif de dessalement à dix étages ayant atteint son régime stationnaire. L’eau sort des dix étages à la fois et est collectée dans un récipient séparé.

Enfin, la vidéo 3 montre la collecte de l’eau douce du dispositif à 1O étages lors d’un essai en extérieur. Il a été effectué sur le toit de l’immeuble 1 du MIT à Cambridge, Ma, USA, le 13 juillet 2019. La vidéo débute à 11 H 10 et finit vers 16 H. Le mouvement est accéléré d’un facteur 250.

La fenêtre agrandie en haut à gauche montre l’eau douce sortant de chaque étage durant cette opération. La fenêtre agrandie en bas à gauche montre la hauteur d’eau correspondante dans l’éprouvette graduée. La fenêtre de droite montre le processus complet de récupération de l’eau douce. Celle-ci s’est mise à couler 20 minutes après le début de l’expérience.

Tiré de Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song,  Omar Labban, John H. Lienhard,  Ruzhu Wang  and Evelyn N. Wang
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L’efficacité du procédé repose sur l’utilisation de multiples étages pour dessaler l’eau de mer. A chacun de ceux-ci, l’eau dégagée par la condensation dans l’étage précédent est utilisée pour l’évaporation au lieu d’être perdue. L’ajout d’étages supplémentaires augmente l’efficacité de la conversion d’énergie solaire en énergie de vaporisation mais, bien sûr, augmente le coût et l’encombrement du système. Les chercheurs ont choisi un système à 10 étages pour leur modèle de démonstration installé sur un toit du MIT. Ce système fournit 5, 78      L/H d’eau douce par m2. L’efficacité de la conversion énergie solaire vers énergie de l’eau produite s’obtient en faisant le rapport du produit  masse d’eau douce obtenue x chaleur latente surl’énergie solaire reçue par la surface du dispositif.  Alors qu’elle n’est que de 81% pour le système à un étage, elle est de 326%  pour celui à 10 étages.  Ce résultat surpasse de loin tous les travaux récents sur la conversion énergie solaire-vapeur d’eau. Le sel accumulé dans les évaporateurs pendant l’exposition solaire rediffuse la nuit dans le réservoir d’eau salée.

Le prototype a été construit avec  des matériaux bon marché. Seul l’aérogel est coûteux mais pourrait être remplacé par un isolant moins onéreux.

A titre d’exemple, les chercheurs estiment qu’un système d’un m2 de surface placé sur un grand réservoir d’eau de mer pourrait fournir journellement  l’eau potable nécessaire aux besoins d’une personne et qu’un dispositif alimentant une famille entière pourrait être construit pour environ 100 €.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang,a Kyle L. Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H. Lienhard, Ruzhu Wang and Evelyn N. Wang
Energy & Environmental Science, 2020, 13, 830