Le dessalement solaire est une technique de dessalement alimentée par l'énergie solaire. Les deux méthodes les plus communes sont la méthode directe (solaire thermique) et la méthode indirecte (solaire photovoltaïque).
Histoire La distillation solaire est utilisée depuis plusieurs milliers d'années. Les marins grecs et les alchimistes perses produisaient de l'eau douce et des distillats médicinaux grâce à cette technologie. L'utilisation de distillateurs solaires a été la première méthode utilisée à grande échelle pour transformer l'eau polluée en eau potable.
En 1870, le premier brevet américain pour une installation de distillation solaire fut accordé à Norman Wheeler et Walton Evans. Deux ans plus tard, à Las Salinas, au Chili, l'ingénieur suédois Charles Wilson entreprend la construction d'une usine de distillation solaire pour approvisionner en eau douce les ouvriers d'une mine de salpêtre et d'argent. L'usine fonctionna sans interruption pendant 40 ans. Elle distilla en moyenne 22,7 m³ d'eau par jour, avec pour eau d'alimentation les effluents de l'exploitation minière.
Le dessalement solaire aux États-Unis a débuté au début des années 1950 avec l'adoption par le Congrès du Conversion of Saline Water Act (la loi sur la conversion des eaux salines). Cette loi conduisit à la création de l'Office of Saline Water en 1955. Sa mission était de gérer les fonds alloués aux projets de recherche et de développement en matière de dessalement. L'une des cinq usines pilotes était située à Daytona Beach, en Floride. Nombre de ces projets visaient à résoudre les problèmes de pénurie d'eau dans les communautés isolées des zones désertiques et côtières. Dans les années 1960 et 1970, plusieurs usines de distillation solaire ont été construites dans les îles grecques, avec des capacités de traitement allant de 2 000 à 8 500 m³ /jour. En 1984, une usine d'une capacité de 120 m³/jour a été construite à Abou Dabi et est encore en service à ce jour. En Italie, une installation libre de droits appelé « Eliodomestico », et conçu par Gabriele Diamanti, a été développé pour un usage personnel au coût de 50 $. vignette|Présentation des différentes technologies de dessalement alimentées par les énergies renouvelables. Sur les approximativement 22 millions de m³ d'eau douce produits quotidiennement dans le monde par dessalement, moins de 1 % utilisent l'énergie solaire. Les méthodes de dessalement les plus courantes, sont la filtration microbienne (MSF) et l'osmose inverse (OI). Ces technologies de filtration sont énergivores et fortement dépendantes des énergies fossiles. Compte tenu de l'abondance de ressources énergétiques et des moyens de distribution d'eau douce peu coûteux, la distillation solaire a longtemps été considérée comme trop onéreuse et peu pratique. On estime que les usines de dessalement alimentées par des combustibles fossiles consomment l'équivalent de 203 millions de tonnes de pétrole par an.
Méthodes Le dessalement solaire est une technique qui exploite l'énergie solaire pour transformer l'eau salée en eau douce, la rendant ainsi potable et utilisable pour l'irrigation. Ce procédé peut se diviser selon le type de source d'énergie solaire utilisée (directe ou indirecte).
Le dessalement solaire direct : l'eau salée absorbe l'énergie solaire et s'évapore, laissant derrière elle le sel et d'autres impuretés. Un exemple de méthode directe est l'utilisation de distillateurs solaires. Ils permettent, la collecte et la condensation de la vapeur d'eau pure.
D'un autre côté, le dessalement solaire indirect, utilise des capteurs solaires qui captent et transfèrent l'énergie solaire à l'eau salée. L'énergie collectée alimente ensuite des procédés de dessalement tels que l'humidification-déshumidification (HDH) et les méthodes de séparation par diffusion.
Méthode Directe Dans la méthode directe (distillation solaire), un capteur solaire est couplé à un mécanisme de distillation. Les distillateurs solaires de ce type sont décrits dans les manuels de survie, fournis dans les kits de survie en mer et utilisés dans de nombreuses petites installations de dessalement et de distillation.
La production d'eau purifiée est proportionnelle à la surface et à l'angle d'incidence du rayonnement solaire. Sa valeur moyenne est estimée entre 3 et 4 L/m² par jour. En raison de cette proportionnalité et du coût relativement élevé des terrains et des matériaux de construction, la distillation tend à privilégier des installations dont la capacité de production est inférieure à 200 m³/jour.
Effet unique Ce procédé est similaire à celui de la pluie. Un couvercle recouvre un bac contenant de l'eau salée. Le bac capte l'énergie solaire, faisant évaporer l'eau de mer. La vapeur est alors condensée sur la face interne du couvercle transparent incliné, laissant derrière elle les sels, composants inorganiques et organiques ainsi que des micro-organismes qui la composait.
La méthode directe permet d'atteindre des valeurs de 4 à 5 L/m² par jour pour un rendement de 30 à 40 %. Le rendement peut atteindre jusqu'à 45 % en utilisant un couvercle à double pente ou un condenseur supplémentaire.
Types de distillateurs
Alambic de mèche Dans un alambic de mèche, l'eau d'alimentation circule lentement à travers un tampon poreux absorbant le rayonnement. Dans ce type d'alambic moins d'eau est à faire chauffer et le changement d'angle par rapport au soleil est facilité, permettant de gagner du temps et d'atteindre des températures plus élevées.
Alambic à diffusion Un alambic à diffusion est composé d'un réservoir de stockage d'eau chaude relié à un capteur solaire et à l'unité de distillation. Le chauffage est produit par la diffusion de la chaleur entre le stockage et l'unité de distillation.
Améliorer la productivité Pour améliorer la productivité, l'augmentation de la température à l'intérieur de l'installation peut se faire au moyen d'une source d'énergie externe.
Limites Les méthodes directes utilisent l'énergie thermique pour vaporiser l'eau de mer dans le cadre d'une séparation en deux phases (vapeur d'eau purifiée et composants salins). Ces méthodes sont relativement simples et peu encombrantes, expliquant leur utilisation sur de petits systèmes. Cependant, leur débit de production est faible, dû à des conditions opératoires basses (température et pression). Cette méthode est donc adaptées aux systèmes produisant jusqu'à 200 m³/jour.
Méthode Indirecte Le dessalement indirect utilise un système de captation solaire, composé de panneaux photovoltaïques ou d'une centrale solaire thermique à fluide, ainsi que d'une usine de dessalement conventionnelle.
De nombreux arrangements de ce type de dispositifs ont été analysés, testés expérimentalement et déployés. Parmi ces derniers, on peut citer l'humidification à effets multiples (HEM), la distillation flash multi-étagée (DFME), la distillation à effets multiples (DEM), l'ébullition à effets multiples (EEM), l'humidification-déshumidification (HDH), l'osmose inverse (OI) et la distillation par congélation.
La méthode indirecte est généralement utilisée pour les grandes installations de distillation solaire.
Les procédés de dessalement solaire indirect sont classés en deux catégories : les procédés monophasiques (procédés membranaires) et les procédés à changement de phase (procédés non membranaires). Le dessalement monophasique utilise des panneaux photovoltaïques pour produire l'électricité qui actionne les pompes permettant la séparation membranaire.
Le dessalement solaire multiphasique ne repose pas sur l'utilisation d'une membrane.
Méthode indirecte monophasique Les systèmes de dessalement solaire indirect utilisant des panneaux photovoltaïques (PV) et l'osmose inverse (OI) sont utilisés depuis 2009. En 2013, leur production atteignait 1600 L/h et par système d'osmose inverse, et 200L/m² par jour pour les panneaux photovoltaïques. L'atoll d'Utirik dans l'océan Pacifique est alimenté en eau douce de cette manière depuis 2010.
Les procédés de dessalement monophasiques incluent l'osmose inverse et la distillation membranaire, où des membranes filtrent l'eau pour éliminer les polluants. En 2014 , l'osmose inverse (OI) représentait environ 52 % des méthodes indirectes. Des pompes propulsent l'eau salée à travers les modules d'OI à haute pression. Les systèmes d'OI fonctionnent par différence de pressions. Une pression de 55 à 65 bars est nécessaire pour purifier l'eau de mer par un procédé d'OI. Cette méthode consomme en moyenne de 5 kWh/m³ pour une installation de grande échelle. La distillation membranaire (DM) exploite la différence de pression entre les deux faces d'une membrane hydrophobe microporeuse. L'eau douce peut être extraite par quatre méthodes de DM : par contact direct (DCMD), par lame d'air (AGMD), par balayage gazeux (SGMD) et par distillation sous vide (VMD). Un coût de production d'eau purifiée est estimé entre 15 et 18 $/m³ permettant de soutenir les installation DM solaires de taille moyenne. La consommation d'énergie pour la distillation solaire varie entre 200 et 300 kWh/m³.
Méthode indirecte multiphasique Le dessalement solaire à changement de phase (ou multiphase) comprend la distillation flash multi-étagée (MSF), la distillation multi-effet (MED) et la compression thermique de vapeur. La méthode multiphasique est réalisée grâce à l'utilisation de matériaux à changement de phase afin de maximiser le stockage de chaleur latente et d'atteindre des températures élevées.
Les températures de changement de phase pour la méthodes indirecte varient en fonction de l'installation utilisée:
Pour la distillation flash multi-étagée elles se situent entre 80 et 120 °C. Pour la compression thermique de vapeur, entre 40 et 100°C Et entre 50 et 90 °C pour la distillation multi-effet (MED).
La distillation flash multi-étagée (MSF) nécessite que l'eau de mer traverse une série de réacteurs sous vide maintenus à des pressions successivement plus basses. De la chaleur est ajoutée pour capter la chaleur latente de la vapeur. Lorsque l'eau de mer traverse les réacteurs, la vapeur est collectée et condensée pour produire de l'eau douce. Dans la distillation multi-effet, l'eau de mer traverse des réacteurs à pression de plus en plus basse et réutilise la chaleur latente pour évaporer l'eau de mer en vue de sa condensation. La distillation multi-effet nécessite moins d'énergie que la MSF grâce à une meilleure efficacité des transferts thermodynamiques.
Distillation flash multi-étapes (MSF)
La méthode de distillation multi-étagée (MSF) est une technologie largement utilisée pour le dessalement à grande échelle de l'eau de mer. Elle repose sur le principe de l'utilisation du processus d'évaporation et de condensation pour séparer l'eau salée de l'eau douce.
Dans le procédé de dessalement MSF, l'eau de mer est chauffée puis soumise à une série de détentes instantanées. Chaque étape de détente comprend une série d'échangeurs de chaleur et de chambres de détente. Le procédé comprend généralement les étapes suivantes :
Préchauffage : L’eau de mer est d’abord préchauffée afin de réduire l’énergie nécessaire à sa vaporisation dans les étapes suivantes. L’eau de mer préchauffée pénètre ensuite dans le premier étage du système MSF. Détente instantanée : À chaque étape, l’eau de mer préchauffée traverse une chambre de détente où sa pression chute brutalement. Cette chute de pression provoque la vaporisation instantanée de l’eau, laissant derrière elle une saumure concentrée. Condensation : La vapeur produite dans la chambre de détente se condense ensuite sur les surfaces des tubes de l’échangeur de chaleur. La condensation se produit au contact des tubes d’eau de mer plus froide ou transportant de l’eau douce froide provenant des étages précédents.