Production d’eau douce
L’eau est partout et est l’ingrédient essentiel pour toute forme de vie sur Terre, l’accès à des approvisionnements d’eau douce potable et propre étant un besoin humain majeur. Malheureusement, ce besoin fondamental n’est pas toujours disponible pour un grand nombre de personnes vivant dans des climats chauds et poussiéreux, ce qui rend la production d’eau douce vitale dans ces zones.
Bien qu’il soit vrai que les océans, les mers et autres eaux superficielles couvrent presque les trois quarts de la surface de la Terre, la quantité d’eau propre, non contaminée et potable représente moins de 3 %, dont la majorité est de l’eau souterraine et des aquifères (rivières souterraines).
De plus, les effets perpétuels du changement climatique et du réchauffement climatique, dus à la combustion de combustibles fossiles non renouvelables libérant des gaz à effet de serre nocifs dans l’atmosphère, exercent une pression croissante sur l’environnement de la Terre. L’infrastructure mondiale en matière d’eau, qui comprend les défenses contre les inondations, le drainage, l’hydroélectrique et les systèmes d’irrigation, est particulièrement touchée.
Les effets combinés de ces changements climatiques défavorables sur les systèmes d’eau douce devraient s’accentuer à mesure que la population mondiale augmente, la production d’énergie et d’eau douce étant les deux défis les plus importants auxquels le monde est confronté.
L’eau douce (c’est-à-dire de l’eau sans sel) est utilisée non seulement par les humains et les animaux comme eau potable, mais également pour l’irrigation des cultures destinées à la production alimentaire ou pour l’arrosage de nos fleurs et pelouses dans les jardins. De plus, la culture de cultures énergétiques pour la production de biomasse peut accroître la concurrence non seulement pour l’utilisation des terres, mais aussi pour les ressources en eau douce disponibles.
Il est évident que l’accès à l’eau douce en quantités et en qualités suffisantes est d’une importance extrême, même si les ressources en eau douce diminuent en raison de la contamination et de la surexploitation par les activités humaines.
Aujourd’hui, nous pouvons produire de l’eau douce propre grâce à l’application de systèmes d’énergie renouvelable tels que l’énergie éolienne, l’énergie solaire et d’autres technologies renouvelables pour alimenter divers processus de traitement de l’eau pour la production d’eau douce.
Ces ressources d’énergie renouvelable et d’énergie verte peuvent être utilisées pour produire de l’eau douce propre pour la consommation, l’agriculture et d’autres usages à partir d’eau de mer, d’eaux souterraines minéralisées, d’eaux usées ou contaminées, ainsi que d’eaux résiduelles domestiques, municipales et industrielles, appelées recyclage des eaux grises.
Le traitement et l’approvisionnement en « eau propre » signifie qu’une sorte de traitement est nécessaire, ce qui exigera de l’énergie, car la production d’eau douce, en particulier par dessalement, nécessite de grandes quantités d’énergie.
Ensuite, le traitement de l’eau est essentiel pour répondre à la demande croissante et garantir l’approvisionnement futur en eau douce de quantité et de qualité suffisantes. Cependant, l’énergie utilisée pour la production d’eau douce doit provenir de sources économiquement viables et écologiquement amicales, telles que l’utilisation de sources d’énergie renouvelable ou de méthodes écoénergétiques à faibles émissions de carbone, qui contribuent à atténuer le changement climatique mondial.
Il a été démontré sur ce site Énergie Alternative que les potentiels économiques et industriels des énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire, géothermique, éolienne et des vagues, présentent de nombreux avantages environnementaux par rapport à la combustion de combustibles fossiles. La distillation d’eau sale est l’un des nombreux processus qui peuvent être utilisés pour fournir de l’eau potable propre, car elle nécessite uniquement l’énergie thermique solaire gratuite du soleil pour chauffer l’eau.
Il existe de nombreuses façons de produire de l’eau douce, mais les deux méthodes principales utilisant l’énergie solaire consistent à chauffer directement et à évaporer l’eau dans un distillateur solaire passif (ce processus est appelé distillation solaire) ou à capturer l’énergie solaire à l’aide de turbines, de photovoltaïques, etc., et à la transformer en énergie électrique ou thermique pour conduire un processus de dessalement.
Eau douce par dessalement
Le dessalement (élimination du sel de l’eau) est un processus par lequel de l’eau potable fraîche et propre est produite à partir d’eau normalement non potable, comme de l’eau sale, contaminée ou de mer. Le dessalement de l’eau à l’aide de l’énergie solaire constitue une bonne alternative aux méthodes conventionnelles de production d’eau douce, en particulier dans les petites zones éloignées ou rurales qui utilisent des quantités d’eau relativement faibles, ou lorsque le transport ou la construction d’un pipeline comme source d’eau douce ne sont pas rentables.
Le dessalement par énergie solaire est une méthode dans laquelle l’énergie du soleil est utilisée pour dessaler l’eau de mer, produisant ainsi de l’eau potable fraîche, et l’association de sources d’énergie renouvelable avec le dessalement de l’eau pour la production d’eau douce promet d’être bénéfique pour les régions confrontées à la pénurie d’eau. En théorie, l’énergie solaire peut remplacer tout autre type de source d’énergie, mais cela n’est pas encore réalisable, surtout pour les grandes centrales de dessalement.
Les deux principales méthodes par lesquelles les sels de l’eau de mer, les contaminants et les particules dissoutes sont éliminés dans le processus de production d’eau douce sont : Dessalement par membrane ou Dessalement thermique.
- Dessalement par membrane – consiste à éliminer le sel de l’eau de mer à l’aide de membranes semi-perméables (d’où son nom), agissant comme des filtres et des charges électriques pour séparer les sels de l’eau. Les processus par membrane comprennent l’osmose inverse et l’électrodialyse.
- Dessalement thermique – consiste à éliminer le sel en chauffant d’abord l’eau de mer, puis en condensant la vapeur purifiée (vapeur) à l’aide de tuyaux ou de plaques froids pour produire de l’eau distillée. Les processus thermiques utilisent soit de la vapeur générée à partir de sources géothermiques, soit de l’électricité du réseau pour chauffer l’eau de mer.
Les usines de dessalement alimentées par l’énergie solaire utilisées pour la production d’eau douce combinent généralement l’énergie thermique solaire ou la production d’énergie photovoltaïque avec des méthodes de dessalement conventionnelles. Le dessalement par énergie thermique solaire utilise des réflecteurs paraboliques ou des collecteurs de type dish (utilisant de l’huile comme fluide de transfert de chaleur) et/ou des tours solaires pour générer la vapeur, tandis que les systèmes photovoltaïques (PV) convertissent directement la lumière du soleil en électricité à l’aide de cellules solaires, pour chauffer l’eau de mer.
Un avantage des systèmes photovoltaïques est que le réseau électrique peut être utilisé comme source d’énergie de secours lors des jours de faible irradiation et tout excès d’énergie électrique généré par le système photovoltaïque lorsque l’usine de dessalement ne produit pas peut être réinjecté dans le réseau, réduisant ainsi les coûts énergétiques.
L’énergie éolienne peut également être considérée comme une source d’énergie fiable et rentable. Les usines de dessalement alimentées par des éoliennes deviennent de plus en plus fréquentes car l’énergie éolienne peut être utilisée plus efficacement, à condition qu’il y ait une vitesse de vent adéquate pour faire tourner les turbines. Le dessalement alimenté par l’énergie éolienne présente de nombreux avantages, notamment dans les endroits venteux et isolés, en réduisant leur coût de production d’eau par rapport à l’utilisation de combustibles fossiles comme source d’énergie ou au transport de l’eau douce là où elle est nécessaire, produisant ainsi de l’eau potable sûre et propre.
Eau douce par distillation
En ce qui concerne la production d’eau douce, la distillation est le processus de purification de l’eau sale en la faisant bouillir, laissant derrière elle tous les contaminants, puis en condensant la vapeur en eau douce. La distillation par énergie solaire existe depuis la nuit des temps. L’énergie du soleil, qui agit comme un immense processus de distillation solaire, crée le climat qui transforme l’eau de mer en eau douce et en pluie, dans le cadre de son cycle de l’eau.
La purification de l’eau grise ou saline (par exemple, l’eau de mer), ainsi que de l’eau de puits impure dans une ferme, peut être réalisée à l’aide d’un distillateur solaire. Un distillateur solaire peut être un équipement très simple qui convertit le rayonnement solaire en énergie thermique en fournissant un espace de stockage pour la chaleur.
Nous avons tous observé la condensation qui se forme sur la vitre d’une serre en raison de l’arrosage des plantes à l’intérieur, et un distillateur solaire basé sur cet effet de serre est le plus simple à construire.
Fondamentalement, un distillateur solaire en serre se compose d’un bassin square, rond ou rectangulaire pour contenir l’eau sale, avec un couvercle transparent sur le dessus. Ce couvercle agit comme le principal condenseur et est incliné suffisamment pour permettre à l’eau qui se forme sur lui de s’écouler vers le bas dans un bac collecteur. Le couvercle réduit également les pertes de chaleur et empêche le vent d’entrer.
Le rayonnement solaire réchauffe et chauffe l’eau, qui s’évapore, puis la vapeur résultante se condense sur la surface intérieure du couvercle en verre. Évidemment, le côté du couvercle faisant face au soleil doit être transparent, tandis que le côté incliné dans la direction opposée peut être assombri ou réfléchissant pour fournir une surface de condensation plus fraîche à des températures ambiantes.
Des bacs de collecte sont placés au bas du couvercle pour recueillir l’eau distillée purifiée. Il existe de nombreux types de conceptions de distillateurs solaires, chacune avec ses avantages et inconvénients propres. Le bassin de certaines conceptions est rempli naturellement en utilisant l’eau de pluie, tandis que d’autres augmentent la quantité de rayonnement solaire incident en utilisant des réflecteurs pour le concentrer sur l’eau à l’intérieur.
Cet exemple simple est facile à construire, mais des systèmes de distillation solaire plus avancés, qu’ils soient directs ou indirects, peuvent être utilisés pour produire une plus grande quantité d’eau douce ou récupérer la chaleur à l’intérieur pour chauffer plus d’eau. Des centrales géothermiques à grande échelle situées le long du littoral d’une mer ou d’un océan peuvent utiliser leur vapeur résiduelle pour dessaler l’eau de mer en eau potable ou pour l’irrigation. La production d’eau douce utilisant des sources d’énergie renouvelables est donc facilement réalisable avec quelques compétences en bricolage et de l’imagination.
Résumé de la production d’eau douce
Une source propre et fiable d’eau potable commence à devenir une ressource rare. Bien que la Terre soit couverte d’eau, seulement environ 3 % d’entre elle est de l’eau douce potable, le reste, environ 97 %, étant de l’eau de mer. De plus, avec l’augmentation de la population, les impacts environnementaux sur la Terre, la pollution et le changement climatique contribuent tous à réduire la disponibilité de cette ressource en eau douce.
Nous avons vu ici brièvement que différents types de sources d’énergie renouvelable peuvent être utilisés pour alimenter une usine de dessalement. L’adéquation et l’utilisation de toute source d’énergie renouvelable pour alimenter les procédés de dessalement pour la production d’eau douce dépendent beaucoup des exigences énergétiques d’un tel processus et du type d’énergie renouvelable disponible, éolien, solaire, géothermique, etc.
La distillation solaire passive de l’eau est l’un des nombreux processus simples qui peuvent être utilisés pour la purification de l’eau et la production d’eau douce. Le processus le plus simple et le plus basique de la production d’eau douce s’effectue avec un distillateur solaire.
Les distillateurs solaires peuvent être de simples boîtes faites maison ou des systèmes élaborés avec des plaques et des miroirs de condensation multiples pour augmenter leur absorption de chaleur, ou avec de grandes tours d’eau et des étangs pour accroître leur production d’eau douce. Dans tous les cas, tous les distillateurs solaires fonctionnent sur le même principe : l’eau est chauffée, évaporée pour séparer la vapeur d’eau de toute matière dissoute, puis condensée pour produire de l’eau potable propre.
Le principal avantage des distillateurs solaires passifs est qu’ils n’ont pas de pièces mobiles et nécessitent uniquement une entrée d’énergie thermique pour fonctionner, qui peut être le rayonnement solaire direct du soleil. La distillation solaire passive dans les distillateurs solaires peut être davantage améliorée, comme dans les distillateurs solaires actifs, en fournissant une source d’énergie supplémentaire provenant de collecteurs thermiques solaires externes ou en utilisant l’énergie thermique résiduelle des centrales géothermiques ou de l’industrie.
La production d’eau douce à partir de sources d’énergie renouvelables a encore un long chemin à parcourir, mais aujourd’hui, des usines et systèmes de dessalement solaire sont déjà en cours de construction, avec une qualité de l’eau qu’ils peuvent produire étant très élevée.
Néanmoins, le dessalement solaire devient une forme moins coûteuse de traitement de l’eau, et contrairement à d’autres techniques industrielles basées sur la séparation physique de l’eau et des solides, telles que l’osmose inverse, l’électrodialyse, etc., qui utilisent de l’électricité générée par des combustibles fossiles, la production d’eau douce à l’aide de l’énergie thermique solaire est gratuite.
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