Principe du Raindancer,
distillation de l'eau de mer presque sans éléctricité
Je ferai jaillir des fleuves sur les collines,...
Autour de 2020, on désalinisait chaque jour dans le monde 95 M (millions) de m3 d'eau de mer, la prophétie d'IsaÏe vieille de 2700 ans semble en passe de se réaliser sous nos yeux.
Malheureusement, le miracle est coûteux, la désalinisation réclame beaucoup d'énergie.
Trois méthodes sont utilisées, la distillation, l'eau salée est évaporée dans un récipient, la vapeur est acheminée vers un autre récipient ou elle est condensée (de 2 à 15 kWh/m3), l'osmose inverse filtre le sel en pressant fortement l'eau à travers des membranes (4 kWh/m3) et l'électrodialyse (1,5 kWh/m³) qui ne convient pour le moment que pour des eaux faiblement salines. Ces notions de coûts énergétiques sont déterminantes, il faut prendre en compte que la consommation moyenne d'une maison dans un pays riche est de 40 kWh/jour. Si cette maison était située dans un désert il faudrait fournir 5 m3 d'eau/jour par habitant soit 20 kWh/jour (osmose inverse).
Pour l'heure, le miracle est non seulement coûteux, mais aussi très insuffisant. Autour de 2020, deux milliards d'individus pâtissaient du stress hydrique, le stress hydrique est un seuil de disponibilité en eau fixé à 5 m3/jour par habitant en-dessous duquel la production alimentaire ne suffit plus. Le réchauffement global fait diminuer la pluviométrie, il est prévu qu'en 2040, quatre milliards d'individus souffriront de stress hydrique.
Si l'on décidait dès à présent de fournir 1 m3/jour/personne aux deux milliards, cela consommerait près d'un quart de la production mondiale d'électricité. Ceci est impossible en termes de coûts énergétiques, mais aussi en termes d'investissements et d'équipements.
Il est préférable de ne pas s'attarder sur les conséquences désastreuses qui semblent en passe de se produire, mais il apparaît clairement que l'abaissement des coûts énergétiques de la désalinisation est bien plus qu'un enjeu économique, c'est un enjeu vital.
A l'heure actuelle, la recherche tend à perfectionner les systèmes existants, à abaisser les coûts énergétiques de l'osmose inverse et de l'électrodialyse, mais la distillation pourrait receler une possibilité inattendue.
Le principe du raindancer n'est différent d'une distillation courante qu'en un point, le récipient de condensation doit se situer le plus haut possible par rapport au récipient d'évaporation. Le raindancer, le danseur de pluie est un personnage de certains folklores qui fait tomber la pluie pour le prix d'une danse, gratuitement. Ce pourrait être ce qu'opérerait une machine construite suivant ce principe dans quelques cas, mais dans tous les cas la distillation d'eau de mer avec condensation en hauteur permettrait d'abaisser très sensiblement les coûts énergétiques.
Les croquis ci-dessous permettront d'asseoir le raisonnement en montrant des formes de distillation de plus en plus complexes mais efficientes.
Deux récipients sont reliés par un tube, le système est fermé hermétiquement. L'un contient de l'eau salée, l'autre est vide. Sous l'effet du soleil, un peu de vapeur se forme qui se déposera dans les deux récipients la nuit. On pourra recueillir très peu d'eau distillée...
En mettant le récipient vide à l'ombre, le processus s'accélère un peu, la distillation reste gratuite.
Le récipient contenant l'eau de mer est placé sur un radeau afin de minimiser les frais de pompage (et de subir sans dommages la montée des eaux). Un tuyau d'aspiration est figuré ainsi qu'un appareil destiné à retirer tout gaz dissous de l'eau entrante. Le vide doit être établi avant l'entrée de l'eau, cela aura pour effet d'obtenir immédiatement dans tout le système une vapeur dont la pression dépendra de la température ambiante. Retirer les gaz à l'entrée de l'eau entrante pourrait être demander moins de 0,1 kWh/m3. La dispersion de la saumure coûterait entre 0,2 et 0,4 kWh/m3 pour un rayon de 50 à 100 km.
Un champ de capteurs solaires a été rajouté, des serpentins de chauffage à l'entrée de l'eau de mer et de refroidissement à l'entrée du récipient de condensation ainsi qu'un échangeur de chaleur ont été rajoutés qui permettront d'augmenter les volumes distillés dans un temps donné. Les collecteurs permettent de chauffer l'eau à une température supérieure à celle de l'atmosphère, ceux-ci sont placés sur terre, mais ils pourraient être placés sur des radeaux et chauffer l'eau directement. L'échangeur de chaleur permet de faire circuler un fluide rafraîchi par la température de l'eau de mer vers le récipient de condensation, lequel chargé de la chaleur échangée avec la vapeur ira réchauffer l'eau entrante ou sera injecté à l'entrée du champ de capteurs. Le coût électrique de fonctionnement de ces appareils constitue la principale dépense du système. Un minimum théorique a été fixé pour les distillations (0,563 kWh/m3), ce système emprunte des traits à la distillation par dépression qui coûte de 2 à 3 kWh/m3, engendrant un coût global compris entre 3 et 4 kWh/m3, proche de celui de l'osmose inverse.
Le récipient de condensation et une partie des appareils sont placés en hauteur. Une conduite forcée sort du récipient et alimente une turbine fournissant de l'hydroélectricité, le reste de la chute permet de distribuer l'eau par gravité. Il serait intéressant de réserver 200 m de chute au minimum à la distribution, cela épargnerait les coûts de pompage et d'élévation (0,8 kWh/m3) . Une chute de 200 m permet d'envoyer de l'eau à 100 km de distance à une hauteur de 100 m, il ne serait pas intéressant de convertir la pression en hydroélectricité pour l'utiliser en pompage. Par contre toute falaise qui dépasserait la hauteur de 200 m pourrait permettre de générer 800kW/m3 par 100 m supplémentaires.
Le Raindancer ne devient vraiment rentable qu'à condition de le doter, au sortir du conduit vapeur, de turbines et d'alternateurs empruntés à la technologie des centrales thermiques, quel que soit le mode de chauffage, tout en permettant la distillation et le stockage du volume vaporisé.
Au sortir des turbines la pression est très basse. Il est possible de comprimer celle-ci (le snarck, la pompe centrifuge modifiée, pourrait être utile) et d'envoyer l'eau chaude, au moyen d'un conduit en U d'échanger la chaleur avec l'eau entrante avant de la laisser remonter refroidie vers des citernes. La liquéfaction obtenue par compression permettrait de se passer du dispositif d'échange de chaleur tout en permettant un recyclage égal ou supérieur au circuit en usage.
Quel que soit le mode d'échange de chaleur, le recyclage augmentera la production d'eau et d'électricité.
Voilà la danse est terminée, l'eau devrait tomber bientôt.