Un nouveau système conçu par des ingénieurs du MIT pourrait fournir une source d'eau potable à faible coût aux villes desséchées du monde entier tout en réduisant les coûts d'exploitation des centrales électriques.
Environ 39 % de toute l'eau douce prélevée dans les rivières, les lacs et les réservoirs aux États-Unis est destinée aux besoins de refroidissement des centrales électriques qui utilisent des combustibles fossiles ou de l'énergie nucléaire, et une grande partie de cette eau finit par flotter dans des nuages de vapeur. . Mais le nouveau système MIT pourrait potentiellement économiser une fraction substantielle de cette eau perdue – et pourrait même devenir une source importante d'eau potable propre et sûre pour les villes côtières où l'eau de mer est utilisée pour refroidir les centrales électriques locales.
Le principe derrière le nouveau concept est d'une simplicité trompeuse : lorsque l'air riche en brouillard est zappé avec un faisceau de particules chargées électriquement, appelées ions, les gouttelettes d'eau deviennent chargées électriquement et peuvent ainsi être attirées vers un maillage de fils, semblable à une fenêtre. écran, placé sur leur passage. Les gouttelettes s'accumulent ensuite sur ce maillage, s'écoulent dans un bac collecteur et peuvent être réutilisées dans la centrale électrique ou envoyées au système d'approvisionnement en eau d'une ville.
Le système, qui est à la base d'une start-up appelée Infinite Cooling qui a remporté le mois dernier le concours d'entrepreneuriat de 100 000 $ du MIT , est décrit dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science Advances , co-écrit par Maher Damak PhD '18 et professeur agrégé de génie mécanique Kripa Varanasi. Damak et Varanasi font partie des co-fondateurs de la startup.
La raison de l'inefficacité des systèmes existants est devenue évidente dans les expériences de laboratoire détaillées de l'équipe : le problème réside dans l'aérodynamique du système. Lorsqu'un flux d'air passe un obstacle, tel que les fils de ces écrans anti-buée en maille, le flux d'air dévie naturellement autour de l'obstacle, tout comme l'air circulant autour d'une aile d'avion se sépare en flux qui passent au-dessus et au-dessous de la structure de l'aile. Ces courants d'air déviants transportent des gouttelettes qui se dirigeaient vers le fil sur le côté, à moins qu'elles ne se dirigent brusquement vers le centre du fil.
Le résultat est que la fraction de gouttelettes capturées est bien inférieure à la fraction de la zone de collecte occupée par les fils, car les gouttelettes sont balayées des fils qui se trouvent devant eux. Le simple fait d'agrandir les fils ou de réduire les espaces dans le maillage a tendance à être contre-productif car cela entrave le flux d'air global, ce qui entraîne une nette diminution de la collecte.
Mais lorsque le brouillard entrant est d'abord zappé avec un faisceau d'ions, l'effet inverse se produit. Non seulement toutes les gouttelettes qui se trouvent sur le chemin des fils atterrissent dessus, mais même les gouttelettes qui visaient les trous du maillage sont tirées vers les fils. Ce système peut ainsi capter une fraction beaucoup plus importante des gouttelettes qui le traversent. En tant que tel, il pourrait améliorer considérablement l'efficacité des systèmes de capture de brouillard, et à un coût étonnamment bas. L'équipement est simple et la quantité d'énergie requise est minime.
Ensuite, l'équipe s'est concentrée sur la capture de l'eau des panaches des tours de refroidissement des centrales électriques. Là, le flux de vapeur d'eau est beaucoup plus concentré que n'importe quel brouillard naturel, ce qui rend le système encore plus efficace. Et comme la captation de l'eau évaporée est en soi un processus de distillation, l'eau captée est pure, même si l'eau de refroidissement est salée ou contaminée. À ce stade, Karim Khalil, un autre étudiant diplômé du laboratoire de Varanasi a rejoint l'équipe.
‘C'est de l'eau distillée, qui est de meilleure qualité, qui est maintenant tout simplement gaspillée’, explique Varanasi. ‘C'est ce que nous essayons de capturer.’ L'eau pourrait être acheminée vers le système d'eau potable d'une ville ou utilisée dans des processus nécessitant de l'eau pure, comme dans les chaudières d'une centrale électrique, au lieu d'être utilisée dans son système de refroidissement où la qualité de l'eau n'a pas beaucoup d'importance.
Une centrale électrique typique de 600 mégawatts, dit Varanasi, pourrait capter 150 millions de gallons d'eau par an, ce qui représente une valeur de millions de dollars. Cela représente environ 20 à 30 % de l'eau perdue par les tours de refroidissement. Avec des améliorations supplémentaires, le système pourrait être en mesure de capturer encore plus de sortie, dit-il.
De plus, étant donné que des centrales électriques sont déjà en place le long de nombreuses côtes arides et que nombre d'entre elles sont refroidies à l'eau de mer, cela offre un moyen très simple de fournir des services de dessalement de l'eau à une infime fraction du coût de construction d'une usine de dessalement autonome. Damak et Varanasi estiment que le coût d'installation d'une telle conversion serait d'environ un tiers de celui de la construction d'une nouvelle usine de dessalement, et ses coûts d'exploitation seraient d'environ 1/50. Le délai de récupération pour l'installation d'un tel système serait d'environ deux ans, dit Varanasi, et il n'aurait pratiquement aucune empreinte environnementale, n'ajoutant rien à celle de l'usine d'origine.
‘Cela peut être une excellente solution pour faire face à la crise mondiale de l'eau’, déclare Varanasi. ‘Cela pourrait compenser le besoin d'environ 70% des nouvelles installations d'usines de dessalement au cours de la prochaine décennie.’
Dans une série d'expériences spectaculaires de preuve de concept, Damak, Khalil et Varanasi ont démontré le concept en construisant une petite version de laboratoire d'une cheminée émettant un panache de gouttelettes d'eau, similaires à celles observées sur les tours de refroidissement de centrales électriques réelles, et placé leur faisceau d'ions et écran à mailles dessus. Dans la vidéo de l'expérience, un épais panache de gouttelettes de brouillard est vu s'élever de l'appareil – et disparaît presque instantanément dès que le système est allumé.
L'équipe construit actuellement une version de test à grande échelle de son système à placer sur la tour de refroidissement de la Central Utility Plant du MIT, une centrale électrique de cogénération au gaz naturel qui fournit la majeure partie de l'électricité, du chauffage et du refroidissement du campus. La configuration devrait être en place d'ici la fin de l'été et sera testée à l'automne. Les tests consisteront à essayer différentes variantes du maillage et de sa structure de support, explique Damak.
Cela devrait fournir les preuves nécessaires pour permettre aux exploitants de centrales électriques, qui ont tendance à être conservateurs dans leurs choix technologiques, d'adopter le système. Étant donné que les centrales électriques ont des durées de vie de plusieurs décennies, leurs exploitants ont tendance à « être très peu enclins à prendre des risques » et veulent savoir « cela a-t-il été fait ailleurs ? » dit Varanasi. Les tests de la centrale électrique du campus permettront non seulement de ‘réduire les risques’ de la technologie, mais aideront également le campus du MIT à améliorer son empreinte hydrique, dit-il. ‘Cela peut avoir un impact important sur l'utilisation de l'eau sur le campus.’