Énergie
Récolte d’eau atmosphérique – Comment exploiter la gravité peut faire progresser cette technologie
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L’eau est peut-être la ressource la plus précieuse dont notre planète dispose. Malgré le fait qu’elle couvre 70 % de notre planète, l’eau douce, celle que nous utilisons pour boire, nous baigner ou irriguer nos terres agricoles, est rare. Seulement 3 % de l’eau mondiale est de l’eau douce. De plus, deux tiers de ces 3 % se trouvent dans des glaciers gelés ou ne sont pas disponibles pour une utilisation.
Les conséquences de la pénurie d’eau sont visibles à l’échelle mondiale. À l’échelle mondiale, près de 1,1 milliard de personnes n’ont pas accès à l’eau. Au total, 2,7 milliards de personnes dans le monde souffrent de la pénurie d’eau pendant au moins un mois de l’année.
Le manque d’eau entraîne également de nombreux autres problèmes, tels qu’une assainissement inadéquat, affectant 2,4 milliards de personnes qui deviennent vulnérables et exposées à des maladies comme le choléra et la typhoïde, ainsi qu’à de nombreuses autres maladies diarrhéiques mortelles.
La population croissante et la demande toujours plus grande en eau se sont toujours affrontées. Plus notre planète devient peuplée, plus les systèmes hydriques sont sous pression.
L’augmentation des niveaux de pollution a fait des ravages sur les rivières, lacs et aquifères de la planète. Ce qui semble encore plus inquiétant, c’est que plus de la moitié des zones humides mondiales ont disparu.
Si la communauté scientifique ne parvient pas à évoluer avec le temps et à offrir des solutions pour combattre la menace de la disparition de l’eau, nos systèmes agricoles n’auront pas assez d’eau bientôt, conduisant à l’insécurité alimentaire et bien plus encore.
Cependant, heureusement, la communauté scientifique relève le défi à l’échelle mondiale. Aujourd’hui, nous discuterons d’une solution révolutionnaire dans le segment suivant, puis nous approfondirons.
Un dispositif extrait l’eau de l’air en n’utilisant rien d’autre que la gravité
Une équipe de chercheurs internationaux, dirigés par le professeur Qiaoqiang Gan de KAUST, a conçu un dispositif qui peut potentiellement fonctionner sans électricité et extraire l’eau de l’air grâce à rien d’autre que la gravité. Le dispositif, déjà libéré de la nécessité d’une source d’énergie coûteuse, peut être fabriqué avec des matériaux bon marché et facilement disponibles.
L’article expérimental, intitulé « Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting », vise à rendre la récolte d’eau atmosphérique plus efficace.
Le processus de récolte d’eau s’améliore considérablement grâce au refroidissement radiatif. Le refroidissement radiatif fonctionne en abaissant fortement la température du condenseur en dessous du niveau ambiant et rend possible la récolte d’eau atmosphérique sans énergie supplémentaire.
Un problème auquel les systèmes de refroidissement radiatif sont confrontés est le défi des condenseurs traditionnels orientés vers le ciel qui ont une faible densité de puissance de refroidissement, et les gouttelettes d’eau restent collées à la surface, nécessitant une collecte active du condensat.
La recherche a proposé une solution à ce problème : un revêtement de surface lubrifiée (LS) —composé de un élastomère de polydiméthylsiloxane hautement évolutif lubrifié avec de l’huile de silicone appliquée sur le côté du condenseur dans une architecture verticale à double face.
Les avantages du design sont multiples. Tout d’abord, il double effectivement la puissance de refroidissement locale.
Deuxièmement, il élimine le blocage de la ligne de contact, permettant une collecte passive de l’eau entraînée par la gravité. Le résultat est une capacité de récolte d’eau atmosphérique augmentée à partir d’un échantillon de 0 × 30 cm² en environnement extérieur, sans aucun flux artificiel d’air humidifié.
Le taux de collecte passive de l’eau du revêtement lubrifié (LS) a atteint 21 g m⁻² h⁻¹, soit le double de celui d’une surface superhydrophobe, 10 g m⁻² h⁻¹. La performance était encore meilleure en intérieur, où le système a pu atteindre un taux de condensation allant jusqu’à 87 % de la limite théorique avec jusqu’à 90 % du condensat total collecté passivement.
Avantages de la récolte d’eau atmosphérique réalisée correctement
L’atmosphère contient six fois plus d’eau que toutes les eaux douces des rivières de la Terre réunies. Selon le professeur Gan :
« Cette eau peut être collectée par les technologies de récolte d’eau atmosphérique. »
Et lorsque le processus est réalisé efficacement avec la solution mentionnée ci‑dessus, il devient d’autant plus rentable pour ses adoptants. En détaillant les avantages du système, le professeur Dan Daniel, l’un des post‑doctorants du groupe de recherche du professeur Gan, a déclaré :
« Le système ne consomme aucune électricité, ce qui entraîne des économies d’énergie. De plus, il ne dépend d’aucune pièce mécanique comme des compresseurs ou des ventilateurs, réduisant ainsi la maintenance par rapport aux systèmes traditionnels, ce qui génère des économies supplémentaires. »
En réponse aux observations de Dan Daniel, un autre post‑doctorant de l’équipe, Shakeel Ahmad, a ajouté :
« Notre revêtement a effectivement éliminé le blocage, permettant une véritable collecte passive d’eau entraînée par l’eau. »
Dans l’ensemble, le système améliore la qualité de la récolte d’eau atmosphérique de façon significative, faisant de la récolte d’eau atmosphérique une véritable solution bleue dans ce monde où les ressources en eau deviennent de plus en plus rares.
Avancées dans les systèmes de récolte d’eau atmosphérique
En octobre 2023, un article publié dans la revue scientifique nommée Energy a mené une revue exhaustive des techniques, performances, solutions d’énergie renouvelable et faisabilité relatives à la méthode de récolte d’eau atmosphérique (AWH). La revue a mis en avant la récolte d’eau atmosphérique comme une source potentielle d’eau douce pouvant atteindre 12 900 km³.
Elle a déclaré :
« Les systèmes de récolte d’eau atmosphérique ont gagné en popularité ces dernières années car ils offrent une source d’eau durable dans les régions arides. »
Dans les sections suivantes, nous examinerons certaines de ces avancées, notamment la déshumidification, la condensation, les cycles de réfrigération à compression de vapeur (VCRC), les refroidisseurs thermoélectriques (TEC), les unités de climatisation, les piles à combustible et les systèmes intégrés.
Déshumidification et condensation
Les technologies de récolte d’eau par déshumidification tirent leur énergie du solaire, du vent ou de sources électriques. Elles peuvent être basées sur des compresseurs/réfrigérants ou sur des dessiccants.
Les premiers types fonctionnent par condensation du point de rosée et offrent une surface froide sur laquelle la vapeur d’eau peut se condenser, tandis que les seconds saturent la vapeur d’eau à l’aide d’un sorbant qui est ensuite chauffé, et la vapeur d’eau sursaturée se condense sur une surface lorsqu’elle entre en contact avec de l’air ambiant plus frais.
Cycles de réfrigération à compression de vapeur (VCRC)
Ce processus fait référence à un mécanisme où la vapeur est comprimée, puis condensée avec de l’eau ou de l’air, et détendue à basse pression et donc basse température via une valve ou un moteur avec prise de puissance.
Refroidisseurs thermoélectriques
En 2023, l’International Information and Engineering Technology Association (IIETA) a publié une étude sur la récolte d’eau atmosphérique à l’aide de la technologie de refroidissement thermoélectrique.
L’étude visait à explorer le potentiel de l’air atmosphérique comme source d’eau propre alternative afin d’atténuer la pénurie d’eau en Indonésie, un pays dont l’humidité atmosphérique moyenne varie entre 75 % et 85 %.
Les chercheurs ont déployé un refroidisseur thermoélectrique (TEC 1‑12706), complété d’un dissipateur thermique et d’un ventilateur sur son côté chaud pour améliorer la dissipation de chaleur. Une bobine de refroidissement en cuivre servait à la fois d’absorbeur de chaleur et de condenseur pour l’air atmosphérique qui la traversait.
La source de refroidissement pour la bobine (diamètre = 7,9 mm ; longueur = 1000 mm) a été dérivée d’un bloc d’eau attaché au côté froid du refroidisseur. Les paramètres de l’expérience comprenaient tous les environnements possibles, y compris laboratoire, zone résidentielle et zone côtière, avec un débit d’air du ventilateur du dissipateur thermique variable.
Les données ont été collectées sur une plage d’humidité de 72,27 %‑83,01 % et les résultats ont révélé une corrélation directe entre le débit massique d’air du ventilateur du dissipateur thermique et la quantité d’eau extractible de l’air.
L’expérience a également offert des informations intéressantes sur l’impact du type d’environnement sur le volume d’air extrait, car plus d’eau pouvait être extraite sur la côte que dans les laboratoires et les zones résidentielles.
Plus précisément, le débit massique d’air était de 0,092 kg/s dans les zones côtières, et l’eau qui pouvait être extraite était de 7,75 ml/heure. En laboratoire, la performance est tombée à 5,5 ml/heure, et dans les zones résidentielles, elle était de 4,75 ml/heure. Les chercheurs ont compris qu’ils pouvaient augmenter l’extraction d’eau en maximisant la surface de contact entre le refroidisseur d’air et la surface de la bobine.
Unités de climatisation
En juin 2024, un article de recherche publié dans la revue Case Studies in Chemical and Environmental Engineering a évalué la probabilité de production d’eau à partir des systèmes de climatisation comme source d’approvisionnement non conventionnelle.
Plus précisément, l’étude a examiné les propriétés physiques et chimiques de l’eau condensée et a investigué la présence de métaux lourds dans les échantillons d’eau condensée collectés produits par les systèmes de climatisation.
L’objectif de l’évaluation était de s’assurer que la qualité de l’eau respectait les critères établis par les normes jordaniennes pour l’eau potable et les directives de la FAO pour l’irrigation.
L’étude a été réalisée en Jordanie, qui figure parmi les pays les plus économiquement défavorisés au monde en termes de ressources d’eau douce renouvelables, avec une disponibilité per capita très faible d’environ 61 m³ en 2021.
Les résultats des tests ont indiqué que les échantillons respectaient majoritairement les limites autorisées spécifiées à la fois par les directives d’eau potable (inférieure à 20 °C) et les critères pour l’eau traitée utilisée en irrigation (inférieure à 25 °C). La plage de température des échantillons était comprise entre 16 °C et 20 °C, avec une moyenne de 18 °C, tandis que les valeurs de pH des échantillons d’eau condensée variaient de 7,16 à 7,25, avec une moyenne de 7,20.
Piles à combustible
Une autre recherche, publiée dans le numéro de décembre 2020 d’Applied Energy a proposé de réutiliser l’eau électrochimique de la pile à combustible pour le cycle de compression de vapeur d’un générateur d’eau atmosphérique basé sur le VCC (VCC‑AWG).
Le mécanisme de la solution exploitait les gaz de combustion de la pile à combustible qui entraient dans le VCC‑AWG à une humidité relative plus élevée que l’air atmosphérique naturel en traversant un échangeur de chaleur ambiant pour éliminer la chaleur résiduelle électrochimique.
Les scientifiques ont proposé que l’humidité relative plus élevée pourrait augmenter le rendement en eau douce par unité d’énergie consommée. Les résultats ont montré qu’à une humidité relative de 0,75, l’ajout d’une pile à combustible de 2 kW générait jusqu’à 3 kg/h d’eau douce, soit 50 % de plus qu’en l’absence de la pile à combustible.
Avec une consommation énergétique spécifique de 200 Wh/kg, le VCC‑AWG pourrait être intégré avec de petites concessions à la puissance de la pile à combustible.
Systèmes intégrés
Enfin, plusieurs chercheurs ont également proposé des systèmes intégrés innovants qui combinent des roues dessiccantes et des refroidisseurs à évaporateur pour fournir à la fois de l’air refroidi et de l’eau condensée.
Plus important encore, ces systèmes intégrés ont démontré des capacités exceptionnelles de récolte d’eau dans des environnements arides. Par exemple, selon les données obtenues d’une expérience, un déshumidificateur d’un mètre cube pourrait fournir à une famille qatarie plus de 15 l d’eau douce quotidiennement sous des niveaux d’humidité relative de 50–70 %.
Alors que les communautés scientifiques du monde entier ont constamment exploré les possibilités de la récolte d’eau atmosphérique et repoussé ses limites, les entreprises ont développé des solutions qui sont adaptées à une adoption massive. Dans les sections suivantes, nous jetons un bref coup d’œil à quelques-unes de ces entreprises.
#1. Atoco
Source: Atoco
La technologie de récolte d’eau d’Atoco est capable de capturer et de générer de l’eau pure à partir de l’atmosphère, même dans des conditions sèches avec une humidité relative inférieure à 20 %.
Comme la recherche qui a lancé nos discussions, la solution Atoco peut fonctionner en mode passif sans utilisation d’électricité, permettant des opérations hors réseau avec une empreinte carbone nulle.
La qualité de l’eau qui résulte de l’utilisation par Atoco de matériaux réticulaires novateurs est extrêmement pure, ne nécessitant aucun filtrage supplémentaire. Elle est pleinement conforme aux normes mondiales, y compris les normes OMS et EPA pour l’eau potable ainsi que les normes de qualité de l’eau de la FAO pour les usages agricoles.
Fondée par le Prof. Omar Yaghi – le père de la chimie réticulaire – Atoco croit pouvoir s’attaquer à la fois à la cause et aux effets du changement climatique et répondre au réchauffement climatique et à la pénurie d’eau en développant des solutions durables, résilientes et transformatrices dans le domaine de la récolte d’eau atmosphérique.
#2. Watergen
Watergen, une entreprise israélienne pionnière et leader mondial sur le marché des dispositifs d’eau potable atmosphérique (AWG), propose des machines qui créent de l’eau potable de la manière la plus efficace et économique possible. Ses solutions sont présentes dans plus de 65 pays à travers le monde.
Sa solution commerciale Gen‑L peut produire jusqu’à 6 000 litres par jour, tandis que la petite solution Genny offre 30 litres par jour. Elle propose des solutions pour chaque type de besoin entre ces deux extrémités.
En 2022, Watergen a annoncé une coentreprise stratégique avec le groupe SMV Jaipuria avec un investissement prévu de plus de 50 millions USD au cours des 2‑3 prochaines années pour introduire les produits de technologie d’eau‑air en Inde.
Mots de conclusion
Dans l’ensemble, le monde est prêt à relever les défis de la pénurie d’eau en utilisant habilement une autre ressource naturelle dont nous disposons en abondance : l’air atmosphérique.
Cependant, il reste encore du travail à faire pour élargir les frontières en réduisant le coût de production et en rendant les processus écologiquement durables avec aucune ou minimale utilisation d’énergie.
De nombreux pays confrontés à la pénurie d’eau sont des économies à faible revenu. Ils ont besoin de solutions abordables pour les masses et déployables de la manière la plus fluide possible.
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