Dessalement solaire

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)[1].

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[2].

En 1870, le premier brevet américain pour une installation de distillation solaire fut accordé à Norman Wheeler et Walton Evans[3]. 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[4].

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[5]. 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[4]. 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[2]. 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[4]. 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 $[6].

Présentation des différentes technologies de dessalement alimentées par les énergies renouvelables[7].

Sur les approximativement 22 millions de m³ d'eau douce produits quotidiennement dans le monde par dessalement, moins de 1 % utilisent l'énergie solaire[2]. 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[8]. 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[2]. On estime que les usines de dessalement alimentées par des combustibles fossiles consomment l'équivalent de 203 millions de tonnes de pétrole par an[2].

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[9]. 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[2]. 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[2].

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 %[10]. Le rendement peut atteindre jusqu'à 45 % en utilisant un couvercle à double pente ou un condenseur supplémentaire[11].

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[12].

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[13].

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[14].

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[9].

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[8].

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)[15]. Le dessalement monophasique utilise des panneaux photovoltaïques pour produire l'électricité qui actionne les pompes permettant la séparation membranaire[16].

Le dessalement solaire multiphasique ne repose pas sur l'utilisation d'une membrane[17].

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[18],[19]. L'atoll d'Utirik dans l'océan Pacifique est alimenté en eau douce de cette manière depuis 2010[20].

Les procédés de dessalement monophasiques incluent l'osmose inverse et la distillation membranaire, où des membranes filtrent l'eau pour éliminer les polluants[15],[17]. En 2014 , l'osmose inverse (OI) représentait environ 52 % des méthodes indirectes[21],[22]. Des pompes propulsent l'eau salée à travers les modules d'OI à haute pression[15],[21]. 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[21]. La distillation membranaire (DM) exploite la différence de pression entre les deux faces d'une membrane hydrophobe microporeuse[21],[23]. 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)[21],[23]. Un coût de production d'eau purifiée est estimé entre 15 et 18 $/m³ permettant de soutenir les installation DM solaires de taille moyenne[21],[24]. La consommation d'énergie pour la distillation solaire varie entre 200 et 300 kWh/m³[25].

Méthode indirecte multiphasique

Le dessalement solaire à changement de phase (ou multiphase) [17],[22],[26] comprend la distillation flash multi-étagée (MSF), la distillation multi-effet (MED) et la compression thermique de vapeur[17]. 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[27].

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)[17],[26].

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[22]. 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[22]. 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[22]. La distillation multi-effet nécessite moins d'énergie que la MSF grâce à une meilleure efficacité des transferts thermodynamiques[22],[26].

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[28].

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 :

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Collecte et extraction : L’eau douce condensée est collectée et stockée comme eau produite. Elle est ensuite extraite du système pour être stockée et distribuée, tandis que la saumure est éliminée conformément à la réglementation.
  5. Réchauffage et répétition : La saumure issue de chaque étape est réchauffée, généralement par de la vapeur extraite de la turbine qui entraîne le procédé, puis réintroduite dans l’étape suivante.

Ce processus est répété à chaque étape. Le nombre d'étapes est déterminé par le niveau de production d’eau douce souhaité et le rendement global du système.

La méthode de vaporisation flash multi-étages (MSF), est connue pour son efficacité énergétique grâce à l'utilisation de la chaleur latente de vaporisation pendant le processus de vaporisation flash. En 2009, elle représentait environ 45 % de la capacité mondiale de dessalement et 93 % des systèmes thermiques[2].

À Margherita di Savoia, en Italie, une usine MSF d'une capacité de 50 à 60 m³/jour utilise un bassin solaire à gradient de salinité pour produire de l'eau douce.

À El Paso, au Texas, un projet similaire produit 19 m³/jour d'eau douce.

Au Koweït, une installation MSF utilise des capteurs solaires paraboliques cylindriques pour produire 100 m³ d'eau douce par jour grâce à l'énergie solaire thermique[8].

Enfin, dans le nord de la Chine, une installation pilote, automatisée et sans personnel utilise 80 m2 de capteurs solaires à tubes sous vide couplés à un système d'une turbine éolienne d'une capacité d'un kW (entraînant plusieurs petites pompes) pour produire 0,8 m3 /jour d'eau douce[29].

La distillation solaire MSF présente une capacité de production de 6 à 60 L/m²/jour, contre 3 à 4 L/m²/jour pour la méthode directe[8].

Le rendement de la MSF est faible au démarrage ou lors des périodes de faible énergie. Pour atteindre un rendement maximal, il est nécessaire de contrôler les pertes de charge à chaque détente et d'assurer un apport d'énergie constant.

Par conséquent, les applications solaires requièrent un système de stockage d'énergie thermique afin de compenser les perturbations liées à la couverture nuageuse, aux variations de l'ensoleillement, au fonctionnement nocturne et aux variations saisonnières de température. L'augmentation de la capacité de stockage d'énergie thermique permet un processus plus continu et des cadences de production proches du rendement maximal[30].

Dessalement solaire indirect par Humidification/Déshumidification

Le dessalement solaire indirect par une forme d'humidification/déshumidification est utilisé dans les serres à eau de mer[31].

Distillation par congélation

Bien qu'elle n'ait été utilisée que dans le cadre de projets expérimentaux, cette méthode indirecte, basée sur la cristallisation de l'eau salée présente l'avantage d'une faible consommation d'énergie.

La chaleur latente de fusion de l'eau étant de 6,01 kJ/mol et sa chaleur latente de vaporisation à 100 °C de 40,66 kJ/mol. Cette méthode devrait donc permettre de réaliser des économies d'énergie. De plus, le risque de corrosion est également réduit.

Cependant, le transport de mélanges de glace et de liquide représente un inconvénient majeur. Le procédé n'a pas encore été commercialisé en raison de son coût et des difficultés liées aux systèmes de réfrigération[32].

La méthode la plus étudiée pour exploiter ce procédé est la congélation par réfrigération. Un cycle frigorifique est utilisé pour refroidir le flux d'eau afin de former de la glace. Les cristaux formés sont ensuite séparés et fondus pour obtenir de l'eau douce. On peut citer comme exemples récents de ce procédé à l'énergie solaire l'unité construite en Arabie saoudite par Chicago Bridge & Iron Company à la fin des années 1980. Elle a cependant été mise hors service en raison de son faible rendement[33].

Néanmoins, une étude récente sur les eaux souterraines salines [34] conclut qu'une usine capable de produire 3785 m3 par jour produirait de l'eau à un coût de 0.34 $/m3. Son coût serait alors compétitif par rapport à celui des usines d'osmose inverse.

Développements technologiques

L'utilisation de structures en bois délignifié revêtues de nanotubes de carbone améliore le transport de l'eau et l'efficacité locale du chauffage, grâce à l'élimination de la lignine et à l'ajout de revêtements conducteurs. Ces absorbeurs à base de bois canalisent l'eau plus efficacement, réduisant ainsi les pertes d'énergie lors de l'évaporation[35].

Cette méthode exploite les canaux capillaires naturels du bois, qui servent de voies de transport pour l'eau. L'élimination de la lignine accroît l'absorption de ces canaux, accélérant la capillarité et la remontée de l'eau. Après avoir capté efficacement le rayonnement solaire, les nanotubes de carbone qui recouvrent les canaux la transforment en chaleur, laquelle reste condensée à la surface d'évaporation au lieu de se diffuser dans l'eau.

Ce chauffage localisé permet une production d'eau douce plus importante pour les mêmes conditions d'ensoleillement, tout en réduisant considérablement le gaspillage énergétique. La biodégradabilité, le faible coût et le caractère renouvelable des vaporisateurs solaires à base de bois délignifié en font une solution durable pour la production d'eau douce à grande échelle[35].

Une autre avancée récente associe le dessalement solaire et la purification de l'eau grâce à des photocatalyseurs améliorés par le carbone. Ces photocatalyseurs sont des matériaux accélérant le processus d'élimination du sel et des polluants organiques. Ils utilisent un « pont électronique de dopamine » pour piéger plus efficacement la lumière visible. Ce pont fonctionne comme une connexion conductrice qui facilite le déplacement des électrons entre le matériau carboné et la surface du photocatalyseur, ce qui augmente la décomposition des substances polluantes[36].

Les recherches se concentrent sur l'utilisation de matériaux photothermiques plus économiques et sur l'étude de substances telles que le noir de carbone, le charbon végétal (biochar) et les oxydes métalliques afin d'identifier les combinaisons offrant une conductivité thermique et des taux d'évaporation optimaux à un coût abordable. L'objectif de ces évolutions est de réduire le coût du dessalement solaire dans les régions en développement[37].

Des chercheurs s'efforcent également de créer des systèmes exploitant le contraste de température et de densité entre l'air chaud et l'air froid environnants pour induire une convection naturelle. Ces systèmes sont appelés systèmes passifs intégrés à une tour de refroidissement. Dans ces dispositifs, l'air chaud provenant de l'évaporateur circule dans la tour et se refroidit, créant ainsi des gouttelettes sur les surfaces isolées. Cela permet à la tour de produire de l'eau fraîche en continu, même sans courant. Les résultats d'essais en laboratoire montrent que ce dispositif produisant de l'eau jour et nuit, offre un rendement global supérieur et perd moins de chaleur que les alambics solaires classiques[38].

Études de cas et exemples de mise en œuvre

Le dessalement solaire est passé du stade expérimental à celui de vastes installations opérationnelles. Des chercheurs portugais ont étudié des évaporateurs solaires thermiques et des systèmes d'osmose inverse alimentés par énergie photovoltaïque dans des régions côtières comme Peniche et l'Algarve.

Ces expériences visaient à déterminer l'impact de l'ensoleillement de la région sur les coûts à long terme, la stabilité et l'efficacité énergétique de ces systèmes.

Les chercheurs ont constaté que les systèmes d'osmose inverse solaires consomment moins d'énergie qu'un système classique raccordé au réseau et tirent profit de l'ensoleillement local. L'étude a également révélé que le coût par mètre cube d'eau produite et la qualité de l'eau en sortie étaient fortement influencés par la capacité du système et la période de l'année. En période de forte activité, comme l'été, les systèmes solaires contribuent à réduire les coûts ; en revanche, en hiver, ils nécessitent davantage de stockage et d'énergie pour fonctionner. Cette étude a également conclu que le dessalement solaire aurait un impact positif sur les zones côtières du Portugal s'il bénéficiait de subventions, de systèmes de stockage plus performants et de progrès technologiques constants[39].

Les pays du Moyen-Orient et d'Afrique du Nord, comme l'Arabie saoudite, le Maroc et les Émirats Arabes Unis, se tournent de plus en plus vers les énergies renouvelables pour développer des installations de dessalement.

Les chercheurs indiquent que le dessalement solaire est devenu une solution populaire pour les systèmes de stockage d'énergie ou les systèmes hybrides, qui continuent de fonctionner même en l'absence de soleil. Ces systèmes hybrides présentent un intérêt environnemental certain. Ils réduisent les émissions de gaz à effet de serre et fournissent une source d'eau potable aux populations des zones désertiques reculées.

L' usine de dessalement solaire photovoltaïque inversée de Ras al Khafji, en Arabie saoudite, en est un exemple. Comptant parmi les plus grandes usines de dessalement solaire au monde, elle produit quotidiennement des millions de litres d'eau potable tout en consommant moins d'électricité que les systèmes raccordés au réseau[40].

Problèmes liés aux systèmes thermiques

Les projets de dessalement solaire thermique sont confrontés à des problématiques de conception. Premièrement, l'efficacité du système est régie par les transferts de chaleur et de masse en compétition lors de l'évaporation et de la condensation[1].

Deuxièmement, la chaleur de condensation est précieuse car l'évaporation de l'eau et la production d'air chaud saturé en vapeur nécessitent une grande quantité d'énergie solaire. Cette énergie est, par définition, transférée à la surface du condenseur lors de la condensation. Pour la plupart des alambics solaires, cette chaleur est dissipée.

Solutions

La récupération de chaleur permet de réutiliser la chaleur fournie initialement, dans le processus de production d'eau douce[1].

Une solution consiste à réduire la pression à l'intérieur du réservoir. Cela peut être réalisé à l'aide d'une pompe à vide, diminuant considérablement l'énergie de chauffage nécessaire.

Par exemple, pour une pression de 0,1 atmosphère, l'eau bout à 50°C plutôt que 100°C à pression atmosphérique[41].

Humidification-déshumidification solaire

Le procédé d'humidification-déshumidification solaire (HDH) (également appelé procédé d'humidification-déshumidification à effets multiples, cycle de condensation-évaporation solaire à plusieurs étapes (SMCEC) ou humidification à effets multiples (MEH) imite le cycle naturel de l'eau sur une période de temps plus courte par distillation.

L'énergie thermique produit de la vapeur d'eau qui est condensée dans une chambre séparée. Dans les systèmes sophistiqués, la chaleur résiduelle est minimisée en récupérant la chaleur de la vapeur d'eau condensée et en préchauffant l'eau entrante[42].

Dessalement solaire monophasique

Dans le dessalement solaire indirect, ou monophasique, deux systèmes sont combinés : un système de captation de l’énergie solaire (par exemple des panneaux photovoltaïques) et un système de dessalement tel que l’osmose inverse (OI). Les principaux procédés monophasiques, généralement des procédés membranaires, comprennent l’OI et l’électrodialyse (ED).

Le dessalement monophasique est majoritairement réalisé grâce à des panneaux photovoltaïques qui produisent l’électricité nécessaire au fonctionnement des pompes d’OI. Sur les de 15 000 usines de dessalement sont en service dans le monde, près de 70 % d’entre elles utilisent l’OI, qui représente 44 % du dessalement[43]. Des méthodes alternatives utilisant la captation de l’énergie solaire thermique pour fournir l’énergie mécanique nécessaire au fonctionnement de l’OI sont en cours de développement.

Osmose inverse (OI)

L'osmose inverse (OI) est le procédé de dessalement le plus courant en raison de son efficacité supérieure à celle des systèmes de dessalement thermique, malgré la nécessité d'un prétraitement de l'eau[44]. Les principaux obstacles à l'amélioration des systèmes de dessalement par OI alimentés par énergie photovoltaïque sont d'ordre économique et de fiabilité. Toutefois, la chute des coûts des panneaux photovoltaïques rend le dessalement solaire plus accessible.

Le dessalement par osmose inverse alimenté à l'énergie solaire est courant dans les installations expérimentales en raison de la modularité et de l'évolutivité des systèmes photovoltaïques et d'osmose inverse. Une analyse économique [45] ayant exploré une stratégie d'optimisation [46] de l'osmose inverse alimentée par l'énergie photovoltaïque a rapporté des résultats favorables.

Les panneaux photovoltaïques convertissent le rayonnement solaire en courant continu (CC), qui alimente l'unité d'osmose inverse. L'intermittence de l'ensoleillement et la variabilité de son intensité au cours de la journée compliquent la prévision du rendement des panneaux photovoltaïques et limitent le dessalement nocturne. L'utilisation de batteries permet de stocker l'énergie solaire pour une utilisation ultérieure. De même, les systèmes de stockage d'énergie thermique garantissent un fonctionnement constant après le coucher du soleil et par temps nuageux[47].

L'utilisation de batteries permet un fonctionnement continu. Des études ont montré que les opérations intermittentes peuvent augmenter la bio-encrassement[48].

Les batteries restent coûteuses et nécessitent une maintenance continue. De plus, le stockage et la récupération de l'énergie de la batterie diminuent l'efficacité du processus[48].

Le coût moyen déclaré du dessalement par osmose inverse est de 0,56 $US/m³. En utilisant des énergies renouvelables, ce coût pourrait atteindre 16 $US/m³[43]. Bien que les coûts des énergies renouvelables soient plus élevés, leur utilisation est en augmentation.

Électrodialyse

L'électrodialyse (ED) et l'électrodialyse inverse (RED) utilisent toutes deux le transport sélectif d'ions à travers des membranes échangeuses d'ions (MEI) soit en raison de l'influence de la différence de concentration (RED) soit du potentiel électrique (ED)[49].

En électrodialyse (ED), une force électrique est appliquée aux électrodes ; les cations migrent vers la cathode et les anions vers l’anode. Les membranes échangeuses d’ions ne laissent passer que leur type perméable (cations ou anions).

Ainsi, dans ce dispositif, des solutions salines diluées et concentrées sont placées dans l’espace intermembranaire (canaux). La configuration de cet empilement peut être horizontale ou verticale. L’eau d’alimentation circule parallèlement à travers toutes les cellules, assurant un flux continu de perméat et de saumure. Bien que ce procédé soit bien connu, l’électrodialyse n’est pas adaptée commercialement au dessalement de l’eau de mer, car elle ne peut être utilisée que pour les eaux saumâtres (TDS < 1 000 ppm)[43].

La complexité de la modélisation des phénomènes de transport ionique dans les canaux peut affecter les performances, en raison du comportement non idéal des membranes échangeuses d’ions[50].

Le procédé ED de base peut être modifié et transformé en RED, dans lequel la polarité des électrodes change périodiquement, inversant le flux à travers les membranes. Ceci limite le dépôt de substances colloïdales, ce qui en fait un procédé autonettoyant, éliminant presque complètement le besoin de prétraitement chimique et le rendant économiquement intéressant pour les eaux saumâtres[51].

L'utilisation des systèmes ED a débuté en 1954, tandis que la RED a été développée dans les années 1970. Ces procédés sont utilisés dans plus de 1 100 usines à travers le monde. Le principal avantage du photovoltaïque dans les usines de dessalement réside dans son adaptation aux petites installations. À titre d'exemple, au Japon, sur l'île d'Oshima ( Nagasaki ), une usine fonctionne depuis 1986 avec 390 panneaux photovoltaïques produisant 10 m³/jour d'eau avec une concentration en matières dissoutes totales (TDS) d'environ 400 ppm[51].

Avantages environnementaux

Les évaluations environnementales démontrent que le dessalement solaire présente généralement une meilleure empreinte carbone à celle des centres de dessalement thermiques traditionnels. Une analyse de cycle de vie récente explique que les émissions de gaz à effet de serre des systèmes de dessalement multi-effets alimentés à l'énergie solaire pourraient être presque réduites de moitié par rapport aux systèmes fonctionnant aux combustibles fossiles[52].

Des systèmes plus récents utilisant des tours de refroidissement peuvent fonctionner en permanence sans alimentation électrique externe, réduisant ainsi davantage les émissions et les déchets. En libérant la saumure, ces systèmes refroidissent l'eau et protègent les écosystèmes marins environnants[38].

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Solar desalination » (voir la liste des auteurs).
  1. J H Lienhard, G P Thiel, D M Warsinger, L D Banchik, « Low Carbon Desalination: Status and Research, Development, and Demonstration Needs », Report of a Workshop Conducted at the Massachusetts Institute of Technology in Association with the Global Clean Water Desalination Alliance, MIT Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab, Cambridge, Massachusetts.,‎ (lire en ligne)
  2. S.A. Kalogirou, Solar Energy Engineering: Processes and Systems, Elsevier Science, (ISBN 978-0-12-397256-9, lire en ligne)
  3. ↑ [1], Wheeler, N. & Evans, W., published 1870 
  4. Delyannis, « Historic background of desalination and renewable energies », Solar Energy, Elsevier BV, vol. 75, no 5,‎ , p. 357–366 (ISSN 0038-092X, DOI 10.1016/j.solener.2003.08.002, Bibcode 2003SoEn...75..357D)
  5. ↑ « Records of the office of Saline Water », National Archives,
  6. ↑ (en) Eric Spooner et Lisa VanBladeren Solar Distillation in Rajasthan, India (rapport) (lire en ligne)
  7. ↑ (en) Ahmadi, McLellan, Ogata et Mohammadi-Ivatloo, « An Integrated Planning Framework for Sustainable Water and Energy Supply », Sustainability, vol. 12, no 10,‎ , p. 4295 (DOI 10.3390/su12104295, Bibcode 2020Sust...12.4295A, hdl 2433/259701)
  8. Qiblawey et Banat, « Solar thermal desalination technologies », Desalination, vol. 220, nos 1–3,‎ , p. 633–44 (DOI 10.1016/j.desal.2007.01.059, Bibcode 2008Desal.220..633Q)
  9. García-Rodríguez, Palmero-Marrero et Gómez-Camacho, « Comparison of solar thermal technologies for applications in seawater desalination », Desalination, vol. 142, no 2,‎ , p. 135–42 (DOI 10.1016/S0011-9164(01)00432-5, Bibcode 2002Desal.142..135G)
  10. ↑ Mink, Aboabboud et Karmazsin, « Air-blown solar still with heat recycling », Solar Energy, Elsevier BV, vol. 62, no 4,‎ , p. 309–317 (ISSN 0038-092X, DOI 10.1016/s0038-092x(97)00121-7, Bibcode 1998SoEn...62..309M)
  11. ↑ Fath, « Solar distillation: a promising alternative for water provision with free energy, simple technology and a clean environment », Desalination, Elsevier BV, vol. 116, no 1,‎ , p. 45–56 (ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/s0011-9164(98)00056-3, Bibcode 1998Desal.116...45F)
  12. ↑ Ullah et Rasul, « Recent Developments in Solar Thermal Desalination Technologies: A Review », Energies, vol. 12, no 1,‎ , p. 119 (ISSN 1996-1073, DOI 10.3390/en12010119, Bibcode 2018Energ..12..119U, lire en ligne)
  13. ↑ (en) Hilarydoss, « Techno-enviro-economic assessment of novel hybrid inclined-multi-effect vertical diffusion solar still for sustainable water distillation », Environmental Science and Pollution Research, vol. 30, no 7,‎ , p. 17280–17315 (ISSN 1614-7499, PMID 36194327, DOI 10.1007/s11356-022-23286-0, Bibcode 2023ESPR...3017280H, S2CID 252694730, lire en ligne Inscription nécessaire)
  14. ↑ García-Rodríguez, « Seawater desalination driven by renewable energies: a review », Desalination, Elsevier BV, vol. 143, no 2,‎ , p. 103–113 (ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/s0011-9164(02)00232-1, Bibcode 2002Desal.143..103G)
  15. Delyannis, « Status of solar assisted desalination: A review », Desalination, Elsevier BV, vol. 67,‎ , p. 3–19 (ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/0011-9164(87)90227-x, Bibcode 1987Desal..67....3D)
  16. ↑ Attia, « Thermal analysis for system uses solar energy as a pressure source for reverse osmosis (RO) water desalination », Solar Energy, Elsevier BV, vol. 86, no 9,‎ , p. 2486–2493 (ISSN 0038-092X, DOI 10.1016/j.solener.2012.05.018, Bibcode 2012SoEn...86.2486A)
  17. Sarwar et Mansoor, « Characterization of thermophysical properties of phase change materials for non-membrane based indirect solar desalination application », Energy Conversion and Management, Elsevier BV, vol. 120,‎ , p. 247–256 (ISSN 0196-8904, DOI 10.1016/j.enconman.2016.05.002, Bibcode 2016ECM...120..247S)
  18. ↑ « "Trunk size solar desalination unit" » [archive du ] (consulté le )
  19. ↑ « "Container size solar desalination unit" » [archive du ] (consulté le )
  20. ↑ « Utrik RO unit a big success » [archive du ], marshallislandsjournal.com,
  21. Ali, Fath et Armstrong, « A comprehensive techno-economical review of indirect solar desalination », Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier BV, vol. 15, no 8,‎ , p. 4187–4199 (ISSN 1364-0321, DOI 10.1016/j.rser.2011.05.012, Bibcode 2011RSERv..15.4187A)
  22. (en) Li, Goswami et Stefanakos, « Solar assisted sea water desalination: A review », Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 19,‎ , p. 136–163 (ISSN 1364-0321, DOI 10.1016/j.rser.2012.04.059, Bibcode 2013RSERv..19..136L, lire en ligne Inscription nécessaire)
  23. Zaragoza, Andrés-Mañas et Ruiz-Aguirre, « Commercial scale membrane distillation for solar desalination », npj Clean Water, vol. 1, no 1,‎ , p. 20 (ISSN 2059-7037, DOI 10.1038/s41545-018-0020-z, Bibcode 2018npjCW...1...20Z)
  24. ↑ Banat et Jwaied, « Economic evaluation of desalination by small-scale autonomous solar-powered membrane distillation units », Desalination, Elsevier BV, vol. 220, nos 1–3,‎ , p. 566–573 (ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/j.desal.2007.01.057, Bibcode 2008Desal.220..566B)
  25. ↑ Banat, Jwaied, Rommel et Koschikowski, « Performance evaluation of the "large SMADES" autonomous desalination solar-driven membrane distillation plant in Aqaba, Jordan », Desalination, Elsevier BV, vol. 217, nos 1–3,‎ , p. 17–28 (ISSN 0011-9164, DOI 10.1016/j.desal.2006.11.027, Bibcode 2007Desal.217...17B)
  26. (en) Alhaj, Mabrouk et Al-Ghamdi, « Energy efficient multi-effect distillation powered by a solar linear Fresnel collector », Energy Conversion and Management, vol. 171,‎ , p. 576–586 (ISSN 0196-8904, DOI 10.1016/j.enconman.2018.05.082, Bibcode 2018ECM...171..576A, S2CID 102703212, lire en ligne Inscription nécessaire)
  27. ↑ Hasan, McCormack, Huang et Norton, « Characterization of phase change materials for thermal control of photovoltaics using Differential Scanning Calorimetry and Temperature History Method », Energy Conversion and Management, Elsevier BV, vol. 81,‎ , p. 322–329 (ISSN 0196-8904, DOI 10.1016/j.enconman.2014.02.042, Bibcode 2014ECM....81..322H)
  28. ↑ (en) « Multi Stage Flash evaporator (MSF) - onboard desalination of seawater », Wartsila.com (consulté le )
  29. ↑ Chen, Xie, Chen et Zheng, « Field test of a solar seawater desalination unit with triple-effect falling film regeneration in northern China », Solar Energy, vol. 86, no 1,‎ , p. 31–9 (DOI 10.1016/j.solener.2011.08.037, Bibcode 2012SoEn...86...31C)
  30. ↑ Gude, Nirmalakhandan, Deng et Maganti, « Low temperature desalination using solar collectors augmented by thermal energy storage », Applied Energy, vol. 91, no 1,‎ , p. 466–74 (DOI 10.1016/j.apenergy.2011.10.018, Bibcode 2012ApEn...91..466G)
  31. ↑ (en) Ghazouani, El-Bary, Hassan et Becheikh, « Solar Desalination by Humidification–Dehumidification: A Review », Water, vol. 14, no 21,‎ , p. 3424 (ISSN 2073-4441, DOI 10.3390/w14213424, Bibcode 2022Water..14.3424G)
  32. ↑ (en) Shatat et Riffat, « Water desalination technologies utilizing conventional and renewable energy sources », International Journal of Low-Carbon Technologies, vol. 9, no 1,‎ , p. 1–19 (ISSN 1748-1317, DOI 10.1093/ijlct/cts025)
  33. ↑ (en-GB) Flanagan, « Inside this giant 'solar dome' coming to Saudi Arabia », WIRED Middle East, (consulté le )
  34. ↑ (en) Task 21 - Evaluation of Artificial Freeze Crystallization and Natural Freeze-Thaw Processes for the Treatment of Contaminated Groundwater at the Strachan Gas Plant in Alberta, Canada - Sour Gas Remediation Technology R{ampersand}D (rapport), Office of Scientific and Technical Information (OSTI), (DOI 10.2172/637784, lire en ligne)
  35. He, Li, Guo et Zheng, « Delignified wood-based highly efficient solar steam generation device via promoting both water transportation and evaporation », BioResources, vol. 14, no 2,‎ , p. 3758–3767 (DOI 10.15376/biores.14.2.3758-3767, lire en ligne)
  36. ↑ Zhu, Fu, Qin et Liu, « Carbon-enhanced photocatalysts with dopamine electronic bridge enriched in adjustable adsorption and visible-light degradation for multitasking water remediation », BioResources, vol. 20, no 3,‎ , p. 6218–6241 (DOI 10.15376/biores.20.3.6218-6241, lire en ligne)
  37. ↑ (en) Eltigani, Chobaomsup et Boonyongmaneerat, « Cost Effective Photothermal Materials Selection for Direct Solar-Driven Evaporation », ACS Omega, vol. 9, no 26,‎ , p. 27872–27887 (ISSN 2470-1343, PMID 38973912, PMCID 11223160, DOI 10.1021/acsomega.4c03040)
  38. (en) Bakhtiarzadeh, Effatnejad et Rezapour, « Efficient passive solar desalination using cooling tower integration and thermal insulation », Scientific Reports, vol. 15, no 1,‎ (ISSN 2045-2322, PMID 40619465, PMCID 12230121, DOI 10.1038/s41598-025-09769-3, Bibcode 2025NatSR..1524108B)
  39. ↑ (en) Apolinário et Castro, « Solar-Powered Desalination as a Sustainable Long-Term Solution for the Water Scarcity Problem: Case Studies in Portugal », Water, vol. 16, no 15,‎ , p. 2140 (ISSN 2073-4441, DOI 10.3390/w16152140, Bibcode 2024Water..16.2140A)
  40. ↑ (en) Sayed, Olabi, Elsaid et Al Radi, « Recent progress in renewable energy based-desalination in the Middle East and North Africa MENA region », Journal of Advanced Research, vol. 48,‎ , p. 125–156 (PMID 36108962, PMCID 10248802, DOI 10.1016/j.jare.2022.08.016, Bibcode 2023JAdR...48..125S)
  41. ↑ « Large scale Solar Desalination using Multi Effect Humidification » [archive du ] (consulté le )
  42. ↑ Rajvanshi, « A scheme for large scale desalination of sea water by solar energy », Solar Energy, vol. 24, no 6,‎ , p. 551–560 (DOI 10.1016/0038-092X(80)90354-0, Bibcode 1980SoEn...24..551R, S2CID 17580673)
  43. Esmaeilion, « Hybrid renewable energy systems for desalination », Applied Water Science, vol. 10, no 3,‎ (ISSN 2190-5487, DOI 10.1007/s13201-020-1168-5, Bibcode 2020ApWS...10...84E)
  44. ↑ (en) Mohammad Abutayeh, Chennan Li, D, Yogi Goswami et Elias K. Stefanakos, Desalination, , 551–582 p. (ISBN 9781118904855, DOI 10.1002/9781118904855.ch13, S2CID 243368304), « Solar Desalination »
  45. ↑ Fiorenza, Sharma et Braccio, « Techno-economic evaluation of a solar powered water desalination plant », Energy Conversion and Management, vol. 44, no 14,‎ , p. 2217–2240 (DOI 10.1016/S0196-8904(02)00247-9, Bibcode 2003ECM....44.2217F)
  46. ↑ Laborde, França, Neff et Lima, « Optimization strategy for a small-scale reverse osmosis water desalination system based on solar energy », Desalination, vol. 133, no 1,‎ , p. 1–12 (DOI 10.1016/S0011-9164(01)00078-9, Bibcode 2001Desal.133....1L)
  47. ↑ Gude, Nirmalakhandan, Deng et Maganti, « Low temperature desalination using solar collectors augmented by thermal energy storage », Applied Energy, Elsevier BV, vol. 91, no 1,‎ , p. 466–474 (ISSN 0306-2619, DOI 10.1016/j.apenergy.2011.10.018, Bibcode 2012ApEn...91..466G, lire en ligne)
  48. Lienhard, Antar, Bilton et Blanco, « Solar Desalination », Annual Review of Heat Transfer, Begell House, vol. 15, no 15,‎ , p. 277–347 (ISSN 1049-0787, DOI 10.1615/annualrevheattransfer.2012004659, S2CID 7845704)
  49. ↑ (en) Othman, Kabay et Guler, « Principles of reverse electrodialysis and development of integrated-based system for power generation and water treatment: a review », Reviews in Chemical Engineering, vol. 38, no 8,‎ , p. 921–958 (ISSN 0167-8299, DOI 10.1515/revce-2020-0070)
  50. ↑ Tedesco, Hamelers et Biesheuvel, « Nernst-Planck transport theory for (reverse) electrodialysis: II. Effect of water transport through ion-exchange membranes », Journal of Membrane Science, Elsevier BV, vol. 531,‎ , p. 172–182 (ISSN 0376-7388, DOI 10.1016/j.memsci.2017.02.031, Bibcode 2017JMeSc.531..172T, arXiv 1610.02833, S2CID 99780515)
  51. Al-Karaghouli, Renne et Kazmerski, « Technical and economic assessment of photovoltaic-driven desalination systems », Renewable Energy, Elsevier BV, vol. 35, no 2,‎ , p. 323–328 (ISSN 0960-1481, DOI 10.1016/j.renene.2009.05.018, Bibcode 2010REne...35..323A)
  52. ↑ (en) Alhaj, Tahir et Al-Ghamdi, « Life-cycle environmental assessment of solar-driven multi-effect desalination plant », Desalination, vol. 524,‎ (DOI 10.1016/j.desal.2021.115451, Bibcode 2022Desal.52415451A, lire en ligne)

Liens externes

  • icône décorative Portail de la chimie
  • icône décorative Portail de l’eau
Cet article est issu de Wikipédia. Sauf mention contraire, le texte est disponible sous Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. Des conditions supplémentaires peuvent s’appliquer aux fichiers multimédias.