L’eau potable est une ressource vitale mais limitée qui ne fera que se raréfier au cours des prochaines années, selon l’Institut des ressources mondiales. Le dessalement, qui consiste à éliminer le sel de l’eau, est une méthode reconnue pour augmenter l’approvisionnement en eau douce, en particulier dans les régions côtières. Toutefois, les systèmes de dessalement actuels dépendent d’une infrastructure centralisée à grande échelle et de membranes de filtration sujettes à l’encrassement et à la dégradation.
Une équipe d’ingénieurs de l’université Rice a mis au point un système qui pourrait transformer les pratiques de dessalement, en rendant le processus plus adaptable, plus résistant et moins coûteux. Le nouveau système, décrit dans une étude publiée dans Nature Water, est conçu pour être alimenté par la lumière du soleil et utilise une approche créative de la récupération de la chaleur pour une production d’eau prolongée ⎯ avec et sans soleil. Contrairement aux systèmes conventionnels, l’installation est fabriquée à partir de matériaux non dégradables et peut traiter des saumures à forte salinité.
« L’accès à l’eau douce propre est un problème particulièrement difficile pour les communautés hors réseau », indique William Schmid, doctorant en génie électrique et informatique à Rice et boursier de la National Science Foundation, qui recherche des méthodes pour accroître l’efficacité du dessalement par la lumière. « Nous voulions nous concentrer sur des systèmes de dessalement décentralisés et modulaires.
Le dessalement thermique implique des cycles d’évaporation et de condensation : Lorsque l’eau s’évapore, des solides tels que des sels et d’autres impuretés sont laissés sur place ; pendant ce temps, la vapeur d’eau se refroidit et se condense pour former de l’eau douce. L’évaporation consomme de l’énergie pour vaincre les forces intermoléculaires qui caractérisent l’eau en phase liquide, et la condensation libère l’énergie lorsque la vapeur redevient liquide. Pour que les systèmes de dessalement thermique soient efficaces, l’énergie générée lors de la transition entre le liquide et la vapeur doit être récupérée et réutilisée.
La nouvelle technologie, appelée Échange d’énergie solaire thermique par résonance Dessalement (STREED), exploite le flux d’eau et le flux d’air en s’inspirant de la physique des systèmes résonants tels que les pendules et les circuits électriques. Dans les systèmes résonants, l’énergie oscille naturellement entre différentes formes dans un cycle répétitif, avec une efficacité maximale à des fréquences « résonantes » spécifiques.
Au lieu que l’énergie alterne entre potentiel et cinétique comme dans un pendule ou rebondisse entre un champ magnétique et un champ électrique comme dans un circuit électrique accordé, STREED consiste à conserver l’énergie échangée entre deux fluides qui s’écoulent à contre-courant : un courant d’eau saline chauffée et un courant d’air. Lorsqu’elle est correctement réglée, la chaleur oscille entre ces deux flux selon un modèle résonant, stockant et transférant efficacement l’énergie thermique, même lorsque le soleil se retire derrière les nuages ou l’horizon. Grâce à ce « transfert d’énergie par résonance » autonome, STREED ne nécessite pas de technologies de stockage d’énergie externes, qui augmentent le coût et la charge de maintenance du système global.
« Notre principale innovation consiste à utiliser les connaissances de l’ingénierie électrique et de la physique des oscillateurs pour ajuster les débits internes du système en fonction de la puissance changeante du soleil tout au long de la journée », a ajouté M. Schmid. « Ce contrôle du débit en fonction de la lumière n’a jamais été réalisé auparavant. »
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Aleida Machorro-Ortiz, étudiante diplômée du programme de physique appliquée de Rice et premier auteur de l’étude aux côtés de M. Schmid, a déclaré que le système fonctionnait « de manière robuste et avec un minimum de maintenance, 24 heures sur 24 ».
Le système a été testé à San Marcos, au Texas, et a produit jusqu’à 0,75 litre d’eau potable par heure dans sa forme prototype. L’équipe a également effectué une série de simulations en utilisant des profils d’intensité solaire provenant de différents endroits des États-Unis, depuis les nuages de Portland (Oregon) jusqu’au soleil d’Albuquerque (Nouveau-Mexique). Dans l’ensemble, l’efficacité de la récupération d’eau STREED a surpassé de 77 % les systèmes utilisant des débits statiques pendant une semaine représentative.
« Cela confirme l’idée que si le système bénéficie de l’ensoleillement en termes de production totale d’eau douce, l’obtention d’un rendement énergétique élevé ne dépend pas d’une forte intensité solaire », a précisé Mme Machorro-Ortiz.
La plupart des usines de dessalement utilisent la technologie de l’osmose inverse (OI), qui ne permet pas de traiter efficacement l’eau à forte salinité en raison des limites de la membrane. Les taux de récupération de l’eau douce de l’eau de mer par OI sont de 35 à 50 %, le reste étant généralement rejeté sous forme d’eau hypersaline. La technologie STREED, quant à elle, est capable de traiter des salinités élevées sans diminution significative de la production ou de la qualité de l’eau.
STREED remplace également les membranes délicates que l’on trouve dans de nombreux systèmes de dessalement par quelque chose de beaucoup plus simple : l’air. Au lieu d’une conception traditionnelle à deux canaux liquides séparés par une membrane, l’équipe utilise un seul canal chauffé d’eau polluée ou salée et un canal d’air adjacent qui emporte la vapeur d’eau. La vapeur se condense ensuite dans un échangeur de chaleur eau-air, laissant les contaminants derrière elle.
« Le système est plus robuste parce que nous n’avons pas de membranes qui s’encrassent ou se cassent », a conclu Alessandro Alabastri, professeur adjoint d’ingénierie électrique et informatique à Rice et auteur correspondant de l’étude. « Nous avons délibérément utilisé des matériaux durables, nécessitant peu d’entretien, afin de rendre le système facilement extensible et accessible. »
Article : « Resonant energy transfer for membrane-free, off-grid solar thermal humidification–dehumidification desalination » – DOI : 10.1038/s44221-025-00438-3
