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Dans de nombreuses régions du monde, l’accès à l’énergie et à l’eau potable représente un double problème pour les populations. La mise en place d’usines de dessalage et de champs de panneaux solaires ne se fait encore qu’à des coûts extrêmement élevés, et ne résout la plupart du temps qu’une partie du problème. Mais récemment, des chercheurs ont mis au point une nouvelle cellule photovoltaïque multi-couches permettant simultanément de produire de l’électricité et de dessaler l’eau de mer.

Un appareil compact utilisant les pertes thermiques des cellules solaires pour purifier l’eau pourrait un jour changer la vie de centaines de millions de personnes dans le monde. La nouvelle version de l’ancienne technologie de l’Université des sciences et technologies King Abdullah en Arabie saoudite, promet d’atténuer les pressions croissantes sur le lien entre l’eau et l’énergie, qui menace l’avenir des populations. La technologie est décrite dans la revue Nature.

Ces deux ressources sont des commodités que beaucoup d’entre nous tiennent pour acquises. Mais plus de 780 millions de personnes dans le monde n’ont actuellement pas facilement accès à de l’eau potable. Le manque d’eau et d’électricité expose non seulement les communautés au risque direct de maladie en raison de la contamination, mais rend également plus difficile la culture, l’élevage du bétail ou la conservation des stocks de nourriture et de médicaments.

L’accès limité à de l’eau relativement douce rend impossible la production efficace de la vapeur nécessaire aux sources d’énergie. Et sans une source d’énergie commode, l’eau peut être plus difficile à décontaminer ou même tout simplement à prélever. Les champs de panneaux solaires peuvent apporter de l’électricité aux populations vivant dans des endroits reculés et secs. Les arroser avec de l’eau est un bon moyen de les protéger de la poussière, mais cela n’est pas facile à faire dans des endroits aussi arides.

Une cellule photovoltaïque combinant production d’électricité et dessalage

Les chercheurs derrière ce dernier projet ont compris qu’ils pouvaient résoudre ces deux problèmes en créant une cellule photovoltaïque qui utilise la lumière solaire à la fois pour générer de l’électricité et distiller de l’eau. Sans surprise, lier le photovoltaïque à la décontamination de l’eau n’est pas nouveau. Une start-up américaine, Zero Mass Water, utilise l’énergie solaire pour condenser l’eau liquide absorbée directement dans l’atmosphère, par exemple.

Pour être utiles, cependant, ces appareils doivent être compacts et abordables. Les ingénieurs de ce dernier dispositif ont conçu leur cellule de manière à optimiser l’efficacité, en repliant les composants pour la distillation dans une cellule photovoltaïque au silicium relativement standard, de manière à ne pas affecter le rendement énergétique de la cellule.

structure cellule photovoltaique

Schéma montrant le fonctionnement (modes dead-end et cross-flow) de la nouvelle technologie solaire. Crédits : Wenbin Wang et al. 2019

Un peu plus de 10% de la lumière solaire collectée par leur cellule photovoltaïque par temps clair est consacrée à la génération d’un courant électrique, une efficacité qui n’est pas loin derrière la technologie solaire conventionnelle. Une fraction du rayonnement solaire restant devient de l’énergie thermique, qui serait normalement perdue. Au lieu de cela, cette chaleur est absorbée par un empilement de membranes hydrophobes en forme de crêpes, placées entre des matériaux choisis pour favoriser l’évaporation et la condensation.

Sur le même sujet : Le défaut à l’origine du manque d’efficacité des panneaux solaires enfin mis en évidence

La chaleur oblige l’eau à se transformer en vapeur, comme avec tout alambic solaire. Mais lorsqu’elle se condense, l’énergie thermique est transférée dans les membranes inférieures pour que le processus se répète, permettant ainsi un taux de distillation plus élevé. En empilant les membranes de cette façon, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient améliorer les appareils solaires classiques, en produisant potentiellement environ cinq fois plus d’eau propre.

Un pas de plus vers le dessalage massif de l’eau de mer grâce à l’énergie solaire

Il a été démontré qu’un seul mètre carré de ce dispositif de distillation à membranes à plusieurs étages distillait plus de 1.6 litre d’eau de mer par heure, sans compromettre la quantité d’électricité produite par la cellule photovoltaïque. L’année dernière, l’énergie solaire représentait plus de 500 gigawatts d’électricité dans le monde. D’ici 2025, les chercheurs pensent que nous pourrions presque doubler ce chiffre.

prototype technologie solaire

Vue d’artiste de la technologie solaire combinant production d’électricité et dessalage de l’eau. Crédits : Wenbin Wang

C’est une bonne nouvelle, mais pour y parvenir, nous aurons besoin d’environ 4 milliards de mètres carrés de terrain. Doubler le tout avec des membranes de distillation pourrait théoriquement « nettoyer » l’équivalent de 10% de l’eau potable de 2017. La prochaine étape pour l’équipe de recherche consiste à rechercher des moyens de repousser les limites en termes d’efficacité et d’abordabilité des appareils.

L’interdépendance de l’énergie et de l’eau pèse lourdement sur les technologies susceptibles de résoudre les problèmes des communautés dans le besoin. Par exemple, le dessalement peut également être au service de grandes populations, mais seulement si l’énergie est disponible. En 2016, l’eau de mer représentait 3% de l’eau douce dans les pays du Moyen-Orient, mais avait besoin de 5% de son électricité pour devenir potable. De plus, la puissance nécessaire pour séparer le sel exige une fraction de l’eau très douce produite.

Sources : Nature

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