Une solution ingénieuse pour exploiter la chaleur résiduelle de l’industrie

Les chercheurs norvégiens explorent une technologie novatrice pour valoriser la chaleur résiduelle industrielle et produire de l’eau potable. Cette approche pourrait apporter des solutions aux enjeux énergétiques et hydriques mondiaux.

La Norvège fait face à un gaspillage énergétique d’envergure. La chaleur excédentaire générée par l’industrie demeure largement inexploitée. Des chercheurs de l’Université norvégienne de sciences et de technologie (NTNU) se sont penchés sur les possibilités de remédier à cette situation.

«La chaleur excédentaire issue des processus industriels représente une ressource colossale», déclare Kim Kristiansen, qui vient de terminer son doctorat sur une technologie capable de récupérer une partie de cette chaleur actuellement perdue.

Actuellement, la quasi-totalité de la chaleur produite par les processus industriels est rejetée directement dans l’air ou l’océan. Les quantités en jeu sont loin d’être négligeables. En Norvège, l’industrie génère environ 20 TWh de chaleur résiduelle chaque année.

Selon la Direction norvégienne des ressources en eau et de l’énergie (NVE), cette quantité d’énergie correspond à la moitié de la consommation électrique de l’ensemble des ménages norvégiens. En d’autres termes, elle équivaut approximativement à la totalité de la demande en chauffage du pays.

Une technologie à double impact

La technologie développée par l’équipe de recherche présente un avantage supplémentaire, qui pourrait s’avérer crucial dans les pays confrontés à des pénuries d’eau potable.

«La technologie ne se contente pas de recycler l’énergie thermique résiduelle, elle peut également purifier les eaux usées produites par l’industrie», explique Kim Kristiansen.

Dans de nombreuses régions du monde, l’eau potable devient une ressource de plus en plus rare. Selon l’UNICEF, 4 milliards de personnes connaissent déjà de graves pénuries d’eau potable pendant au moins un mois de l’année. La demande pour des technologies capables de relever ces défis est donc considérable.

Le principe de fonctionnement

Le procédé repose sur l’évaporation des eaux usées industrielles à travers de petits pores d’une membrane hydrophobe. L’eau condensée qui émerge de l’autre côté est potable. Cette méthode est particulièrement adaptée à la purification d’eau contenant des impuretés non volatiles, comme le sel.

«Le domaine d’application le plus important pour cette technologie est donc le dessalement de l’eau de mer. Le traitement des eaux de process n’est pas exclu, mais il implique des défis supplémentaires en fonction de leur composition», précise Kim Kristiansen.

La technologie exploite les différences de température pour pomper l’eau. Lorsque l’eau est chauffée d’un côté de la membrane, elle s’évapore et libère de la chaleur de l’autre côté par condensation. Une différence de pression peut alors apparaître entre les deux côtés de la membrane.

«La différence de température est utilisée pour pomper l’eau, et la différence de pression représente une énergie mécanique qui peut être utilisée pour alimenter une turbine». Ce phénomène est appelé osmose thermique.

Les travaux de recherche ont porté sur les interactions entre l’eau et les pores de la membrane, ainsi que sur les processus d’évaporation, de transport à travers les pores et de condensation. Des théories sur les propriétés des membranes et leur impact sur l’ensemble du processus ont été élaborées et testées en laboratoire.

«La conclusion est que la technologie présente un grand potentiel. Grâce à la modification des membranes, nous pouvons contribuer à relever les défis croissants liés aux exigences d’efficacité énergétique et au manque d’eau potable propre», affirme encore le chercheur.

De la recherche à l’application industrielle

Bien que l’industrie manifeste un intérêt pour le concept de distillation membranaire, seules quelques installations pilotes existent actuellement dans le monde. Les principaux obstacles à l’adoption industrielle sont liés aux défis pratiques associés à la technologie membranaire, notamment la durée de vie des membranes dans des conditions industrielles difficiles.

«De nombreux travaux sont menés à l’échelle internationale, tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie, pour relever ces défis et commercialiser la technologie», indique pour finir Kim Kristiansen.

Le concept MemPower, qui consiste à convertir la chaleur résiduelle en énergie mécanique basée sur les différences de température, semble encore méconnu de l’industrie. Cependant, les récentes conclusions de l’équipe de recherche, démontrant que le potentiel de production d’énergie est compétitif par rapport à des procédés énergétiques membranaires plus établis, pourraient susciter un intérêt commercial accru.

Légende illustration – Kim Kristiansen vient d’obtenir son doctorat sur une technologie qui peut prendre en charge une partie de la chaleur résiduelle qui est aujourd’hui tout simplement perdue. Crédit : Aleksander Stokke Båtnes, NTNU

Article : Thermo-osmotic coefficients in membrane distillation: Experiments and theory for three types of membranes – DOI: 10.1016/j.desal.2024.117785