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Comme elle ne nécessite pas de stockage d’énergie très coûteux pour les périodes sans ensoleillement, cette technologie pourrait fournir de l’eau potable à des populations à faible coût. Les ingénieurs du MIT ont construit un nouveau système de dessalement qui fonctionne au rythme du soleil.

Ce système alimenté par l’énergie solaire élimine le sel de l’eau à un rythme qui suit de près les variations de l’énergie solaire. À mesure que l’ensoleillement augmente au cours de la journée, le système accélère son processus de dessalement et s’adapte automatiquement à toute variation soudaine de l’ensoleillement, par exemple en ralentissant en réponse au passage d’un nuage ou en redémarrant lorsque le ciel s’éclaircit.

Comme le système peut réagir rapidement à des variations subtiles de la lumière du soleil, il maximise l’utilité de l’énergie solaire en produisant de grandes quantités d’eau propre malgré les variations de la lumière du soleil tout au long de la journée. Contrairement à d’autres systèmes de dessalement alimentés par l’énergie solaire, le système du MIT ne nécessite pas de batteries supplémentaires pour le stockage de l’énergie, ni d’alimentation électrique supplémentaire, telle que celle du réseau.

Les ingénieurs ont testé un prototype à l’échelle communautaire sur des puits d’eau souterraine au Nouveau-Mexique pendant six mois, dans des conditions météorologiques et des types d’eau variables. Le système a exploité en moyenne plus de 94 % de l’énergie électrique générée par les panneaux solaires du système pour produire jusqu’à 5 000 litres d’eau par jour malgré de fortes variations météorologiques et d’ensoleillement.

« Les technologies de dessalement conventionnelles nécessitent une alimentation régulière et un stockage en batterie pour compenser une source d’énergie variable comme l’énergie solaire. En faisant varier continuellement la consommation d’énergie en fonction du soleil, notre technologie utilise directement et efficacement l’énergie solaire pour produire de l’eau », explique Amos Winter, professeur de génie mécanique à Germeshausen et directeur du K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center au MIT. « Pouvoir produire de l’eau potable à partir d’énergies renouvelables, sans nécessiter de stockage dans des batteries, est un défi de taille. Et nous l’avons fait. »

Le système est destiné au dessalement des eaux souterraines saumâtres, une source d’eau salée que l’on trouve dans les réservoirs souterrains et qui est plus répandue que les ressources en eaux souterraines douces. Les chercheurs considèrent les eaux souterraines saumâtres comme une énorme source inexploitée d’eau potable potentielle, d’autant plus que les réserves d’eau douce sont limitées dans certaines régions du monde. Ils estiment que le nouveau système renouvelable, sans batterie, pourrait fournir l’eau potable nécessaire à faible coût, en particulier pour les communautés de l’intérieur du pays où l’accès à l’eau de mer et au réseau électrique est limité.

« La majorité de la population vit en fait assez loin de la côte pour que le dessalement de l’eau de mer ne puisse jamais l’atteindre. Elle dépend donc fortement des eaux souterraines, en particulier dans les régions isolées et à faibles revenus. Et malheureusement, ces eaux souterraines deviennent de plus en plus salines en raison du changement climatique », explique Jonathan Bessette, doctorant en génie mécanique au MIT. « Cette technologie pourrait apporter de l’eau potable durable et abordable aux régions les plus défavorisées du monde.

Les chercheurs présentent les détails du nouveau système dans un article publié aujourd’hui dans Nature Water. Les coauteurs de l’étude sont Bessette, Winter et l’ingénieur Shane Pratt.

Pompe et débit

Le nouveau système s’appuie sur une conception antérieure, dont Winter et ses collègues, y compris Wei He, ancien postdoc du MIT, ont rendu compte plus tôt cette année. Ce système visait à dessaler l’eau par « électrodialyse flexible par lots ».

L’électrodialyse et l’osmose inverse sont deux des principales méthodes utilisées pour dessaler les eaux souterraines saumâtres. Dans le cas de l’osmose inverse, la pression est utilisée pour pomper l’eau salée à travers une membrane et filtrer les sels. L’électrodialyse utilise un champ électrique pour extraire les ions salins lorsque l’eau est pompée à travers une pile de membranes échangeuses d’ions.

Les scientifiques ont cherché à alimenter ces deux méthodes à l’aide de sources renouvelables. Mais cela s’est avéré particulièrement difficile pour les systèmes d’osmose inverse, qui fonctionnent traditionnellement à un niveau de puissance constant, incompatible avec les sources d’énergie naturellement variables telles que le soleil.

Winter, He et leurs collègues se sont concentrés sur l’électrodialyse, cherchant des moyens de créer un système plus flexible, « variable dans le temps », qui réagirait aux variations de l’énergie solaire renouvelable.

Dans sa conception précédente, l’équipe a construit un système d’électrodialyse composé de pompes à eau, d’une pile de membranes échangeuses d’ions et d’un réseau de panneaux solaires. L’innovation de ce système était un système de contrôle basé sur un modèle qui utilisait les relevés des capteurs de chaque partie du système pour prédire le taux optimal de pompage de l’eau à travers la pile et la tension qui devrait être appliquée à la pile pour maximiser la quantité de sel extraite de l’eau.

Lorsque l’équipe a testé ce système sur le terrain, elle a pu faire varier sa production d’eau en fonction des variations naturelles du soleil. En moyenne, le système a utilisé directement 77 % de l’énergie électrique disponible produite par les panneaux solaires, ce qui, selon l’équipe, représente 91 % de plus que les systèmes d’électrodialyse solaire traditionnels.

Néanmoins, les chercheurs ont estimé qu’ils pouvaient faire mieux.

« Nous ne pouvions calculer que toutes les trois minutes, et dans ce laps de temps, un nuage pouvait littéralement arriver et bloquer le soleil », explique M. Winter. Le système pourrait dire : « J’ai besoin de fonctionner à cette puissance élevée ». Mais une partie de cette puissance a soudainement baissé parce qu’il y a moins de lumière solaire. Nous avons donc dû compenser cette puissance par des batteries supplémentaires ».

Commandes solaires

Dans leurs derniers travaux, les chercheurs ont cherché à éliminer le besoin de batteries en réduisant le temps de réponse du système à une fraction de seconde. Le nouveau système est capable d’actualiser son taux de dessalement trois à cinq fois par seconde. Ce temps de réponse plus rapide permet au système de s’adapter aux variations de l’ensoleillement tout au long de la journée, sans avoir à compenser le manque de puissance par des blocs d’alimentation supplémentaires.

La clé d’un dessalement plus rapide est une stratégie de contrôle plus simple, conçue par Bessette et Pratt. Il s’agit d’une stratégie de « contrôle du courant commandé par le flux », dans laquelle le système détecte d’abord la quantité d’énergie solaire produite par les panneaux solaires du système. Si les panneaux produisent plus d’énergie que le système n’en utilise, le contrôleur « commande » automatiquement au système d’augmenter son pompage, en poussant plus d’eau à travers les cheminées d’électrodialyse. Simultanément, le système détourne une partie de l’énergie solaire supplémentaire en augmentant le courant électrique fourni à la pile, afin d’extraire davantage de sel de l’eau qui s’écoule plus rapidement.

« Disons que le soleil se lève toutes les quelques secondes », explique M. Winter. Trois fois par seconde, nous regardons les panneaux solaires et nous nous disons : « Oh, nous avons plus d’énergie – augmentons un peu le débit et le courant ». Lorsque nous regardons à nouveau et que nous constatons qu’il y a encore de l’énergie excédentaire, nous l’augmentons à nouveau. Ce faisant, nous sommes en mesure de faire correspondre très précisément notre consommation d’énergie avec l’énergie solaire disponible, tout au long de la journée. Et plus nous bouclons rapidement, moins nous avons besoin d’une batterie tampon ».

Les ingénieurs ont intégré la nouvelle stratégie de contrôle dans un système entièrement automatisé qu’ils ont dimensionné pour dessaler des eaux souterraines saumâtres à un volume quotidien suffisant pour alimenter une petite communauté d’environ 3 000 personnes. Ils ont exploité le système pendant six mois sur plusieurs puits du Brackish Groundwater National Desalination Research Facility à Alamogordo, au Nouveau-Mexique. Tout au long de l’essai, le prototype a fonctionné dans un large éventail de conditions solaires, exploitant plus de 94 % de l’énergie électrique du panneau solaire, en moyenne, pour alimenter directement le dessalement.

« Par rapport à la conception traditionnelle d’un système de dessalement solaire, nous avons réduit de près de 100 % la capacité de la batterie nécessaire », explique M. Winter.

Les ingénieurs prévoient de poursuivre les essais et de développer le système dans l’espoir de fournir à des communautés plus importantes, voire à des municipalités entières, de l’eau potable à faible coût et entièrement alimentée par le soleil.

« Bien qu’il s’agisse d’un grand pas en avant, nous continuons à travailler avec diligence pour développer des méthodes de dessalement moins coûteuses et plus durables », déclare M. Bessette.

« Nous nous concentrons désormais sur les essais, l’optimisation de la fiabilité et la mise au point d’une gamme de produits capables de fournir de l’eau dessalée à partir de sources d’énergie renouvelables à de nombreux marchés dans le monde entier », ajoute M. Pratt.

L’équipe lancera une entreprise basée sur sa technologie dans les mois à venir.

Cette recherche a été soutenue en partie par la National Science Foundation, la Julia Burke Foundation et la MIT Morningside Academy of Design. Ce travail a également bénéficié du soutien en nature de Veolia Water Technologies and Solutions et de Xylem Goulds.

Adaptation Terra Projects
Source : https://news.mit.edu/

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