Le système atteint un nouveau niveau d’efficacité en exploitant la lumière du soleil pour produire de l’eau potable fraîche à partir de l’eau de mer – ScienceDaily

Un système de dessalement solaire entièrement passif développé par des chercheurs du MIT et en Chine pourrait fournir plus de 1,5 gallons d’eau potable par heure pour chaque mètre carré de zone de collecte solaire. Ces systèmes pourraient potentiellement desservir les zones côtières arides hors réseau pour fournir une source d’eau efficace et à faible coût.

Le système utilise plusieurs couches d’évaporateurs et de condenseurs solaires plats, alignés dans un réseau vertical et surmontés d’une isolation en aérogel transparent. Il est décrit dans un article paru aujourd’hui dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement, rédigé par les doctorants du MIT, Lenan Zhang et Lin Zhao, le postdoctorant Zhenyuan Xu, le professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, et huit autres au MIT et à l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.

La clé de l’efficacité du système réside dans la façon dont il utilise chacune des étapes multiples pour dessaler l’eau. À chaque étape, la chaleur dégagée par l’étape précédente est exploitée au lieu d’être gaspillée. De cette façon, le dispositif de démonstration de l’équipe peut atteindre une efficacité globale de 385% en convertissant l’énergie de la lumière solaire en énergie d’évaporation de l’eau.

Le dispositif est essentiellement un distillateur solaire multicouche, avec un ensemble de composants d’évaporation et de condensation comme ceux utilisés pour distiller la liqueur. Il utilise des panneaux plats pour absorber la chaleur, puis transfère cette chaleur à une couche d’eau afin qu’elle commence à s’évaporer. La vapeur se condense ensuite sur le panneau suivant. Cette eau est collectée, tandis que la chaleur de la condensation de vapeur est transmise à la couche suivante.

Chaque fois que la vapeur se condense sur une surface, elle libère de la chaleur; dans les systèmes à condenseur typiques, cette chaleur est simplement perdue dans l’environnement. Mais dans cet évaporateur multicouche, la chaleur libérée circule vers la couche d’évaporation suivante, recyclant la chaleur solaire et augmentant l’efficacité globale.

“Lorsque vous condensez de l’eau, vous libérez de l’énergie sous forme de chaleur”, explique Wang. “Si vous avez plus d’une étape, vous pouvez profiter de cette chaleur.”

L’ajout de couches supplémentaires augmente l’efficacité de conversion pour la production d’eau potable, mais chaque couche ajoute également des coûts et de l’encombrement au système. L’équipe a opté pour un système en 10 étapes pour son dispositif de preuve de concept, qui a été testé sur le toit d’un bâtiment du MIT. Le système a fourni de l’eau pure qui dépassait les normes de l’eau potable de la ville, à un taux de 5,78 litres par mètre carré (environ 1,52 gallons par 11 pieds carrés) de zone de collecte solaire. C’est plus de deux fois plus que la quantité record précédemment produite par un tel système de dessalement solaire passif, dit Wang.

Théoriquement, avec plus d’étapes de dessalement et une optimisation plus poussée, ces systèmes pourraient atteindre des niveaux d’efficacité globaux allant jusqu’à 700 ou 800%, explique Zhang.

Contrairement à certains systèmes de dessalement, il n’y a aucune accumulation de sel ou de saumure concentrée à éliminer. Dans une configuration flottant librement, tout sel qui s’accumule pendant la journée serait simplement évacué la nuit à travers le matériau absorbant et retourné dans l’eau de mer, selon les chercheurs.

Leur unité de démonstration a été construite principalement à partir de matériaux peu coûteux et facilement disponibles tels qu’un absorbeur solaire noir commercial et des serviettes en papier pour une mèche capillaire pour transporter l’eau en contact avec l’absorbeur solaire. Dans la plupart des autres tentatives de fabrication de systèmes de dessalement solaire passif, le matériau absorbant solaire et le matériau à effet de mèche ont été un seul composant, ce qui nécessite des matériaux spécialisés et coûteux, dit Wang. “Nous avons pu découpler ces deux-là.”

Le composant le plus cher du prototype est une couche d’aérogel transparent utilisé comme isolant au sommet de la pile, mais l’équipe suggère que d’autres isolateurs moins chers pourraient être utilisés comme alternative. (L’aérogel lui-même est fabriqué à partir de silice bon marché mais nécessite un équipement de séchage spécialisé pour sa fabrication.)

Wang souligne que la contribution clé de l’équipe est un cadre pour comprendre comment optimiser ces systèmes passifs à plusieurs étages, qu’ils appellent le dessalement à plusieurs étages localisé thermiquement. Les formules qu’ils ont développées pourraient probablement être appliquées à une variété de matériaux et d’architectures de dispositifs, permettant une optimisation plus poussée des systèmes en fonction de différentes échelles de fonctionnement ou des conditions et matériaux locaux.

Une configuration possible serait des panneaux flottants sur un plan d’eau salée tel qu’un bassin de retenue. Ceux-ci pourraient fournir de l’eau douce constamment et passivement par des tuyaux au rivage, tant que le soleil brille chaque jour. D’autres systèmes pourraient être conçus pour desservir un seul foyer, peut-être en utilisant un écran plat sur un grand réservoir peu profond d’eau de mer qui est pompé ou transporté. L’équipe estime qu’un système avec une zone de collecte solaire d’environ 1 mètre carré pourrait répondre à la besoins quotidiens en eau potable d’une personne. En production, ils pensent qu’un système conçu pour répondre aux besoins d’une famille pourrait être construit pour environ 100 $.

Les chercheurs prévoient de nouvelles expériences pour continuer à optimiser le choix des matériaux et des configurations, et pour tester la durabilité du système dans des conditions réalistes. Ils travailleront également à traduire la conception de leur appareil à l’échelle du laboratoire en quelque chose qui pourrait être utilisé par les consommateurs. L’espoir est qu’il pourrait à terme jouer un rôle dans la réduction de la pénurie d’eau dans certaines parties du monde en développement où l’électricité fiable est rare mais où l’eau de mer et la lumière du soleil sont abondantes.

L’équipe de recherche comprenait Bangjun Li, Chenxi Wang et Ruzhu Wang à l’Université de Shanghai Jiao Tong, et Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban et John Lienhard, qui est professeur Abdul Latif Jameel de l’eau au MIT. La recherche a été financée par la National Natural Science Foundation of China, l’Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie et le MIT Tata Center for Technology and Design.

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