Le système de dessalement à énergie solaire ne nécessite pas de batteries supplémentaires

Parce qu’elle ne nécessite pas de stockage d’énergie coûteux pour les périodes sans soleil, cette technologie pourrait fournir aux communautés de l’eau potable à faible coût.

Des ingénieurs du MIT ont construit un nouveau système de dessalement qui fonctionne au rythme du soleil.

Le système solaire élimine le sel de l'eau à un rythme qui suit de près les changements de l'énergie solaire. À mesure que la lumière du soleil augmente au cours de la journée, le système accélère son processus de dessalage et s'adapte automatiquement à toute variation soudaine de la lumière du soleil, par exemple en diminuant la luminosité en réponse au passage d'un nuage ou en augmentant la luminosité lorsque le ciel s'éclaircit.

Le système réagit rapidement aux variations subtiles de la lumière du soleil, ce qui maximise l'utilité de l'énergie solaire et permet de produire de grandes quantités d'eau propre malgré les variations de la lumière du soleil au cours de la journée. Contrairement à d'autres systèmes de dessalement à énergie solaire, le système du MIT ne nécessite pas de batteries supplémentaires pour le stockage de l'énergie, ni d'alimentation électrique supplémentaire, comme celle provenant du réseau.

Les ingénieurs ont testé un prototype à l'échelle communautaire sur des puits d'eau souterraine au Nouveau-Mexique pendant six mois, en travaillant 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 de temps et d'ensoleillement.

« Les technologies de dessalement conventionnelles nécessitent une alimentation électrique stable et un stockage sur batterie pour compenser une source d’énergie variable comme le 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 la chaire Germeshausen et directeur du K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center au MIT. « Produire de l’eau potable à partir d’énergies renouvelables, sans avoir recours au stockage sur batterie, est un immense défi. Et nous l’avons relevé. »

Le système est conçu pour dessaler les eaux souterraines saumâtres, une source d’eau salée présente dans les réservoirs souterrains et plus répandue que les ressources en eau douce souterraine. Les chercheurs considèrent les eaux souterraines saumâtres comme une énorme source potentielle inexploitée d’eau potable, en particulier dans un contexte où les réserves d’eau douce sont limitées dans certaines régions du monde. Ils envisagent que le nouveau système renouvelable et sans batterie pourrait fournir l’eau potable dont les populations ont tant besoin à faible coût, en particulier pour les communautés de l’intérieur des terres où l’accès à l’eau de mer et au réseau électrique est limité.

« La majorité de la population vit en fait assez loin des côtes 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 éloignées et à faible revenu. Et malheureusement, ces eaux souterraines deviennent de plus en plus salées en raison du changement climatique », explique Jonathan Bessette, doctorant en génie mécanique au MIT. « Cette technologie pourrait apporter de l’eau propre de manière durable et abordable aux régions du monde les moins desservies. »

Les chercheurs ont détaillé le nouveau système dans un article publié aujourd'hui dans Nature Water . Les co-auteurs de l'étude sont Jonathan Bessette, Amos Winter et l'ingénieur Shane Pratt.

Pompe et débit

Le nouveau système s’appuie sur un modèle antérieur, présenté plus tôt cette année par Amos Winter et ses collègues, dont Wei He, ancien postdoctorant au MIT . Ce système visait à dessaler l’eau par « électrodialyse par lots flexibles ».

L'électrodialyse et l'osmose inverse sont deux des principales méthodes utilisées pour dessaler les eaux souterraines saumâtres. Avec 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 de sel tandis que l'eau est pompée à travers une pile de membranes échangeuses d'ions.

Les scientifiques ont cherché à alimenter les 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 stable, incompatible avec les sources d'énergie naturellement variables telles que le soleil.

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

Dans leur conception précédente, l'équipe avait construit un système d'électrodialyse composé de pompes à eau, d'une pile de membranes échangeuses d'ions et d'un ensemble 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 débit optimal auquel pomper l'eau à travers la pile et la tension qui devait être appliquée à la pile pour maximiser la quantité de sel extraite de l'eau.

Lors des tests sur le terrain, l'équipe a pu adapter sa production d'eau aux 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 solaires de conception traditionnelle.

Les chercheurs ont néanmoins estimé qu’ils pouvaient faire mieux.

« Nous ne pouvions calculer que toutes les trois minutes, et pendant ce temps, un nuage pouvait littéralement passer et bloquer le soleil », explique Amos Winter. « Le système pouvait dire : « Je dois fonctionner à telle puissance ». Mais une partie de cette puissance a soudainement diminué parce qu'il y a moins de soleil. Nous avons donc dû compenser cette puissance avec 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 de mettre à jour son taux de dessalement trois à cinq fois par seconde. Le temps de réponse plus rapide permet au système de s'adapter aux variations de la lumière du soleil tout au long de la journée, sans avoir à compenser le retard par des alimentations supplémentaires.

La clé d'un dessalage plus agile réside dans une stratégie de contrôle plus simple, conçue par Jonathan Bessette et Shane Pratt. La nouvelle stratégie est celle du « contrôle du courant commandé par le débit », 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 consomme, le contrôleur « ordonne » automatiquement au système d'augmenter son pompage, 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 cheminée, pour extraire plus de sel de l'eau qui s'écoule plus rapidement.

« Supposons que le soleil se lève toutes les quelques secondes », explique Amos Winter. « Donc, trois fois par seconde, nous regardons les panneaux solaires et nous disons : « Oh, nous avons plus de puissance, augmentons un peu le débit et le courant. » Lorsque nous regardons à nouveau et constatons qu'il y a encore plus de puissance excédentaire, nous l'augmentons à nouveau. Ce faisant, nous sommes en mesure d'adapter de manière très précise notre consommation d'énergie à la puissance solaire disponible, tout au long de la journée. Et plus vite nous faisons cette boucle, moins nous avons besoin de tampon de batterie. »

Les ingénieurs ont intégré la nouvelle stratégie de contrôle dans un système entièrement automatisé qu'ils ont dimensionné pour dessaler les eaux souterraines saumâtres à un volume quotidien suffisant pour alimenter une petite communauté d'environ 3 000 personnes. Ils ont fait fonctionner 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 une large gamme de conditions solaires, exploitant en moyenne plus de 94 % de l'énergie électrique du panneau solaire pour alimenter directement le dessalement.

« Par rapport à la manière dont vous concevriez traditionnellement un système de dessalement solaire, nous avons réduit la capacité de batterie requise de près de 100 % », explique Amos Winter.

Les ingénieurs prévoient de tester davantage et d’étendre le système dans l’espoir de fournir à des communautés plus vastes, voire à des municipalités entières, de l’eau potable à faible coût, entièrement produite par l’énergie solaire.

« Bien qu’il s’agisse d’une avancée majeure, nous travaillons toujours avec diligence pour continuer à développer des méthodes de dessalement moins coûteuses et plus durables », déclare Jonathan Bessette.

« Notre objectif est désormais de tester, de maximiser la fiabilité et de développer une gamme de produits capable de fournir de l'eau dessalée à l'aide d'énergies renouvelables à plusieurs marchés à travers le monde », ajoute Shane Pratt.

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

Cette recherche a été financée 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.

https://news.mit.edu/2024/solar-powered-desalination-system-requires-no-extra-batteries-1008