Un nouveau système conçu par les ingénieurs du MIT pourrait fournir une source d'eau potable à faible coût pour les villes desséchées du monde entier tout en réduisant les coûts d'exploitation des centrales électriques.

Environ 39 pour cent de toute l'eau douce prélevée dans les rivières, des lacs, et les réservoirs aux États-Unis sont destinés aux besoins de refroidissement des centrales électriques utilisant des combustibles fossiles ou 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 propre, l'eau potable pour les villes côtières où l'eau de mer est utilisée pour refroidir les centrales électriques locales.

Le principe du nouveau concept est d'une simplicité trompeuse :lorsque l'air riche en brouillard est zappé avec un faisceau de particules chargées électriquement, connu sous le nom d'ions, les gouttelettes d'eau se chargent électriquement et peuvent ainsi être attirées vers un maillage de fils, semblable à un écran de fenêtre, placé sur leur chemin. Les gouttelettes s'accumulent alors sur ce maillage, égoutter dans un bac de récupération, et peut être réutilisé dans la centrale électrique ou envoyé au système d'approvisionnement en eau d'une ville.

Le système, qui est 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 Avancées scientifiques , co-écrit par Maher Damak Ph.D. '17 et professeur agrégé de génie mécanique Kripa Varanasi. Damak et Varanasi font partie des co-fondateurs de la startup.

La vision de Varanasi était de développer des systèmes de récupération d'eau hautement efficaces en capturant les gouttelettes d'eau provenant à la fois du brouillard naturel et des panaches des tours de refroidissement industrielles. Le projet a débuté dans le cadre de la thèse de doctorat de Damak, qui visait à améliorer l'efficacité des systèmes de collecte de brouillard qui sont utilisés dans de nombreuses régions côtières pauvres en eau comme source d'eau potable. Ces systèmes, qui sont généralement constitués d'une sorte de grillage plastique ou métallique accroché verticalement dans le chemin des bancs de brouillard qui viennent régulièrement de la mer, sont extrêmement inefficaces, capturant seulement environ 1 à 3 pour cent des gouttelettes d'eau qui les traversent. Varanasi et Damak se sont demandé s'il existait un moyen de faire en sorte que le maillage attrape davantage de gouttelettes et ont trouvé un moyen très simple et efficace de le faire.

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 courant d'air franchit un obstacle, tels que les fils de ces écrans anti-buée à mailles, 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'ils ne se dirigent droit sur le centre du fil.

Il en résulte que la fraction de gouttelettes captées est bien inférieure à la fraction de la zone de collecte occupée par les fils, parce que les gouttelettes sont balayées par les fils qui se trouvent devant elles. 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, résultant en une diminution nette de la collecte.

Mais quand 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 sur eux, même les gouttelettes qui visaient les trous dans le treillis sont attirées 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.

Prochain, 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, et cela rend le système encore plus efficace. Et puisque capturer 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 point, 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, c'est maintenant juste gaspillé, " dit Varanasi. " C'est ce que nous essayons de capturer. " L'eau pourrait être acheminée vers le système d'eau potable d'une ville, ou utilisé dans des procédés qui nécessitent de l'eau pure, comme dans les chaudières d'une centrale électrique, au lieu d'être utilisé dans son système de refroidissement où la qualité de l'eau n'a pas beaucoup d'importance.

Une centrale électrique typique de 600 mégawatts, Varanasi dit, pourrait capturer 150 millions de gallons d'eau par an, représentant une valeur de plusieurs millions de dollars. Cela représente environ 20 à 30 pour cent de l'eau perdue des tours de refroidissement. Avec d'autres raffinements, le système peut être capable de capturer encore plus de la sortie, il dit.

Quoi de plus, étant donné que des centrales électriques sont déjà en place le long de nombreuses côtes arides, et beaucoup d'entre eux sont refroidis à l'eau de mer, cela fournit un moyen très simple de fournir des services de dessalement d'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 d'amortissement pour l'installation d'un tel système serait d'environ deux ans, Varanasi dit, et il n'aurait pratiquement aucune empreinte environnementale, n'ajoutant rien à celui de la plante d'origine.

"Cela peut être une excellente solution pour faire face à la crise mondiale de l'eau, ", dit Varanasi. "Cela pourrait compenser le besoin d'environ 70 pour cent de nouvelles installations de dessalement au cours de la prochaine décennie."

Dans une série d'expériences dramatiques 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 ceux observés sur les tours de refroidissement des centrales électriques, et y ont placé leur faisceau d'ions et leur tamis à mailles. En 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 d'essai à grande échelle de son système qui sera placée sur la tour de refroidissement de l'usine de services publics centrale du MIT, une centrale de cogénération au gaz naturel qui fournit l'essentiel de l'électricité du campus, chauffage, et refroidissement. L'installation devrait être en place d'ici la fin de l'été et subira des tests à l'automne. Les tests comprendront l'essai de différentes variantes du maillage et de sa structure de support, dit Damak.

Cela devrait fournir les preuves nécessaires pour permettre aux exploitants de centrales électriques, qui ont tendance à être conservateurs dans leurs choix technologiques, adopter le système. Parce que les centrales électriques ont des durées de vie de plusieurs décennies, leurs opérateurs ont tendance à « être très opposés au risque » et veulent savoir « cela a-t-il été fait ailleurs ? » dit Varanasi. Les tests de la centrale électrique du campus permettront non seulement de « dérisquer » la technologie, mais aidera également le campus du MIT à améliorer son empreinte eau, il dit. "Cela peut avoir un impact important sur l'utilisation de l'eau sur le campus."