Brevet FR3148789A1 — publié le 20241122

L'invention concerne un système de distillation d'eau modulaire et flottant, très basse consommation d’énergie et « low tech », utilisant l'énergie solaire pour chauffer l'air et provoquer l'évaporation de l'eau à distiller. Les modules peuvent être individuels ou connectés pour couvrir une plus grande surface. Le flux d'air est contrôlé pour optimiser le rendement. La condensation de l'eau distillée est réalisée par refroidissement, soit passivement en utilisant la température de l'eau environnante ou l'air, soit activement avec un système de refroidissement dédié. Les modules sont fabriqués avec des matériaux accessibles et peuvent être améliorés pour maximiser l'absorption solaire, l'isolation thermique et l'interface eau chauffée/air. Le système flotte sur des matériaux isolants et est conçu pour maximiser la température intérieure du module, permettant un taux d'évaporation optimal. Modules de désalinisation et de dépollution flottants fonctionnant à la chaleur solaire L'invention présentée concerne le domaine de la désalinisation et dépollution à très basse consommation d'énergie et est dite "low tech", applicable à petite échelle et à échelle industrielle. L'invention concerne plus précisément des modules flottants captant la chaleur solaire afin de saturer l'air d'humidité. L'eau contenue dans l'air est ensuite récupérée par condensation. Art antérieur Différentes technologies existent actuellement autour de la désalinisation de l'eau: Distillation multi-étagée (MSF) : La distillation multi-étagée est un processus de désalinisation thermique qui utilise la chaleur pour évaporer l'eau salée et ensuite condenser l'eau douce. L'eau salée est chauffée et passe par plusieurs étages avec des températures et des pressions décroissantes, ce qui permet d'obtenir de l'eau douce par condensation. Cette méthode est énergivore, mais a une longue histoire d'utilisation dans la production d'eau potable et industrielle. (EP2039407) Distillation à effet multiple (MED) : La distillation à effet multiple est une autre méthode de désalinisation thermique. Elle fonctionne en utilisant la vapeur d'eau produite dans un effet (une chambre d'évaporation) pour chauffer l'eau salée dans l'effet suivant, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie. La vapeur d'eau est ensuite condensée pour récupérer l'eau douce. (EP2862842) Osmose inverse (OI) : L'osmose inverse est un processus de désalinisation basé sur la filtration membranaire. L'eau salée est pressurisée et poussée à travers une membrane semi-perméable qui retient les sels dissous et laisse passer l'eau douce. L'osmose inverse est actuellement la technologie de désalinisation la plus répandue et la plus efficace en termes énergétiques, en particulier pour les petites et moyennes installations. (EP2377817) Nanofiltration (NF) : La nanofiltration est une autre technologie de filtration membranaire qui fonctionne sur des principes similaires à l'osmose inverse, mais avec des pores de membrane légèrement plus grands. Elle est généralement utilisée pour des applications spécifiques, telles que la réduction de la dureté de l'eau ou l'élimination des contaminants organiques. Désalinisation solaire : Cette méthode utilise l'énergie solaire pour chauffer l'eau salée et provoquer son évaporation. La vapeur d'eau est ensuite condensée pour récupérer l'eau douce. Bien que cette méthode soit moins efficace que d'autres technologies de désalinisation, elle a l'avantage d'utiliser une source d'énergie renouvelable et d'être particulièrement adaptée aux petites installations décentralisées. (WO2022006681, WO2006021139, WO2006077593, WO2008006253, EP0345236, WO2007054143) L'invention présentée fait partie de cette dernière catégorie. Sa particularité est son déploiement en surfaces aquatiques, notamment maritime, de marrés salant, saumure ou d'eau polluée, et sa modularité. Elle fonctionne soit par modules de l'ordre du mètre carré, soit sur une surface de plusieurs dizaines de mètres carrés, selon les besoins et la stabilité de la surface exploitée (mer ou bassin artificiels par exemple). Description générale de l'invention Le principe de base de l'invention présentée s’appuie sur la variation de l'humidité absolue en eau de l'air en fonction de la température. En effet ce taux est proche de 10 à 20 g/m3 pour une température ambiante comprise entre 20 et 30° et croît exponentiellement pour atteindre des valeurs de 150 à 300 g/m3 pour des températures comprises entre 60 et 80°. Ainsi le refroidissement d'un volume d'air d'un mètre cube d'air de 80° saturé d'eau à 20° produit la condensation d'environ 1/4l d'eau distillée. L'objectif de l'invention est de proposer un système facile à construire et à déployer grâce à des technologies simples et des matériaux accessibles. Sachant cela, l'invention décrite se base sur la fabrication de modules flottants sur la mer ou sur toute surface plane d'eau nécessitant une distillation (1.7) (désalinisation, dépollution, épuration) exposée au soleil. Ces modules peuvent être individuels ou connectés successivement par le même flux d'air (2.1) afin d'augmenter la surface recouverte. Un flux d'air optimisé pour la rentabilité est imposé dans les modules en entrée (1.1) et en sortie (1.5), soi mécaniquement (moteur, pompe), soi par captation et régulation du vent. La chaleur absorbée par la surface des modules (1.4) fait augmenter la température du volume d'air contenu dans le module provoquant l'évaporation de l'eau à distiller contenue dans le module, faisant tendre l'humidité vers la saturation à la température atteinte, et cela en fonction du taux de renouvellement de l'air dans les modules. Pour la condensation , l'air est pompé (3.1), donc renouvelé dans le module, et refroidi après la sortie (3.2), idéalement à l'aide la température de l'eau environnante, pouvant être amélioré grâce à l'aide de diffuseurs (type de radiateurs) de température en contact avec l'eau (3.4). Un système équivalent au-dessus de la surface de la mer peut aussi être réalisé afin d'avoir un refroidissement par air pour éviter de réchauffer l'eau environnante (par soucis écologiques). Dans les deux cas, il s'agit de la variante à condensation passive de l'invention. Une variante utilise un système de refroidissement par échangeur thermique (4.2). Ce refroidissement provoque la condensation de l'eau contenue dans l'air, produisant ainsi l'eau distillée. La chaleur produite par le système est récupérée et réinjectée dans le module par un flux d'air entrant en (4.3) et injecté dans le module en (4.1). L'air injecté traverse ensuite le module et est évacué en (4.4) après condensation dans le système de refroidissement profitant de l’émission de froid de l’échangeur thermique. Il s'agit de la variante à condensation active de l'invention. Dans tous les cas l'eau distillée est recueillie dans un réservoir (3.5, 4.5). Le module contenant le volume d'air peut être construit en n'importe quels matériaux (bois, métal...), mais typiquement en plastique (EHD, PE, Polyéthylène, polypropylène, PVC en fonction de leur résistance), de préférence noirs pour absorber un maximum de rayonnement solaire. Ces matériaux doivent être résistants à l’eau de mer et les dégradations que cette dernière peut engendrer, tels que la corrosion ou encore l’accumulation d’organismes marins. Un radiateur de diffusion de chaleur (1.2) permet d'optimiser la chauffe de l'air du module, et peut être composé d'une surface métallique, très bon conducteur de chaleur. Ces radiateurs peuvent atteindre l'eau et peuvent être recouverts d'un matériau à fort pouvoir de capillarité afin d'augmenter au maximum l'interface eau chauffée/air dans le but d'augmenter au maximum la vitesse d'évaporation (tels que les tissus éponges, fabriqués à partir de fibres de coton, de viscose, de polyester ou de polyamide) (5.1). Un simple système de projection et de vaporisation d’eau du module dans le volume du module peut-être aussi adjoint pour augmenter activement l’interface air/eau. La partie exposée au soleil (1.4) peut être recouverte d'une peinture noire à forte absorbance, par exemple de peinture silicone noire ou époxy pouvant dépasser 95% d'absorbance. Enfin, la partie extérieure peut-être recouverte d'un système de verrière en verre ou plastique (1.3) afin de bénéficier d'un "effet de serre" en laissant une lame d'air entre la verrière et le module, appelé espace d'isolation. Il est à noter que les performances de cet espace d'isolation peuvent être améliorées en étant mis sous vide. Ce module est posé sur un système de flotteur perméable (1.6). L'équilibre hydrostatique permettra d'avoir un niveau d'eau à distiller suffisant afin de permettre la mise en saturation. Le flotteur permet aussi d'isoler thermiquement l'eau contenue dans le module de l'eau extérieure en étant composé de néoprène, d'aérogel, de polystyrène, voir de bois. En somme, de tout matériau permettant une bonne isolation thermique tout en fournissant la flottaison. Pour atteindre l’équilibre hydrostatique, les flotteurs peuvent couvrir toute ou en partie la partie extérieure dudit module, au-delà de la ligne de flottaison si nécessaire. L'objectif étant d'augmenter et de maintenir la température du volume d'air contenu dans le volume au maximum. Les prototypes ont démontré qu'aux expositions maximales la température peut aisément dépasser 60°. Il a été estimé que, dans une construction optimale, la température du volume d'air peut dépasser les 100°, température d'ébullition au niveau de la mer, mais l'important reste l'optimisation entre la température, la circulation d'air et le temps d'évaporation de l'eau. Un système électronique de mesure de quantité d’eau distillée par heure et de régulation de flux d’air permettant d'optimiser ledit flux d'air en fonction de la quantité d'eau produite, afin d'en obtenir la quantité maximale, peut être adjoint. Considérations physiques et expectatives de rentabilité: Dans cette description, le présent brevet prend chaque élément considéré dans la simulation numérique qui a permis d'arriver au résultat prévisionnel final. Absorption de la chaleur par rayonnement solaire Les matériaux faible coût permettant d’absorber un très grand taux d'énergie solaire, de 0.9 à 0.95 d’absorption. Ces peintures sont la Peinture acrylique noir mat ou satinée : Les peintures acryliques sont généralement moins chères que les peintures époxy et sont disponibles dans une variété de finitions. Elles sont faciles à appliquer et sèchent rapidement. Cependant, elles peuvent être moins durables que les peintures époxy, surtout lorsqu'elles sont exposées à des conditions marines extrêmes. Peinture époxy noir mat ou satinée : Les peintures époxy offrent une excellente résistance à l'eau de mer, à la corrosion et aux conditions difficiles. Bien qu'elles soient généralement plus coûteuses que les peintures acryliques, elles sont plus durables et offrent une meilleure protection à long terme. Peinture silicone noir mat ou satinée : Les peintures silicone offrent une excellente résistance aux conditions marines, à l'humidité et à la corrosion. Elles sont hydrophobes, ce qui les rend idéales pour les applications en milieu marin. Les peintures silicone sont également flexibles, résistantes aux UV et peuvent être formulées avec des agents biocides pour prévenir la croissance d'algues et de moisissures. Cependant, elles peuvent être plus coûteuses que les peintures acryliques et époxy, et leur application peut nécessiter un peu plus de compétence pour assurer une couverture uniforme et une adhérence optimale. Ainsi, des zones méditerranéennes à l'équateur, reçoivent de 800 à 1000W d'énergie solaire au zénith. Ce qui permet d'estimer la quantité totale par jour ensoleillé est de l'ordre de 5 kW. Il est à noter, en comparaison de rentabilité, que l'énergie photovoltaïque est rentable à environ 20%, ce qui met en perspective l'usage direct de l'énergie solaire totale dans un cadre de désalinisation. Vitesse d'évaporation de l'eau Étant donné que la présente invention se base sur l'évaporation de l'eau au sein d'un flux d'air continu, la vitesse de ce flux est à considérer dans l'efficacité de l'invention. Il est important de noter que l'énergie thermique emportée par l'air sortant de l'invention est de l'énergie perdue, ce flux devra donc optimiser la rentabilité d'évaporation et la déperdition d'énergie décrite plus tard. La vitesse d'évaporation suit une loi classique exponentielle de charge définie par où : est la charge du condensateur au temps , est l'humidité maximale (100% en termes d'humidité relative), est le temps écoulé depuis le début de l'évaporation, est la constante de temps de vaporisation, qui détermine la vitesse d'augmentation d'humidité relative de l'air dans l'invention. L’important dans l’optimisation de l’invention est la réduction de ce paramètre par l’augmentation de l’interface air/eau notamment (par augmentation de la surface, ou encore par vaporisation). Déperdition par diffusion La déperdition de l'invention est directement proportionnelle à : sa surface extérieure exposée à l'air, sa surface extérieure exposée à l'eau, sa qualité d'isolation sur ces deux interfaces. Cette déperdition peut être définie par où est la quantité de chaleur transférée (en watts), est la surface totale à isoler (en m²), est la différence de température entre les deux côtés de l'isolant (en Kelvin) et est la résistance thermique (en m².K/W). Cette déperdition peut-être gérée grâce aux différents matériaux et flotteurs ainsi que leur épaisseur utilisée dans l'invention. Déperdition par extraction Une partie très importante de l’énergie perdue est due à l’énergie emmagasinée par les fluides sortants du module, c’est-à-dire l’air chaud et la vapeur d’eau. Ce flux peut être aisément calculé par différence d’enthalpie totale entrante (par exemple un air saturé en eau à 20° ainsi que l’enthalpie de l’eau liquide), et sortante (par exemple un air chargé d’humidité à 60°). L’enthalpie sortante dépend du flux d’air, du taux d’humidité, de la température sortante, etc. et peut être simulée. Cette valeur est dominée par l’enthalpie de la vapeur d’eau (2600 kJ/kg), et permet de calculer que le flux théorique maximum d’eau distillée produite est d’environ 2 l/h/² de surface exposée à une exposition solaire de 1kW. Résultats de simulation et expérimentaux Sur la base des considérations décrites ci-dessus la simulation d'une installation idéale mais réaliste est à peu près de 1 à 1,5 l/h/m² en zone méditerranéenne ensoleillée entre 12h et 14h (Marseille). L'expérience permise par un prototype nous donne le même ordre de grandeur, validant les calculs. Descriptions complémentaires des figures Les figures illustrent les différents aspects et exemples de l'invention présentée, ainsi que certains éléments de sa structure, de ses composants et matériaux similaires. Ils sont indexés à l'aide de différents chiffres, pouvant être répétés pour les mêmes éléments, et différents pour les éléments différents. Cette indexation indique le numéro de la figure ainsi que le numéro de l'élément, séparés par un point. (1.2) indique l'élément 2 de la , (3.6) l'élément 6 de la . Dans le texte l'indexation peut comprendre plusieurs valeurs séparées d'une virgule, indiquant plusieurs éléments à la fois, tel que (1.1, 1.2) fait référence aux éléments (1.1) et (1.2). La même indexation est utilisée sur la figure et dans le texte. Lorsqu'il a été nécessaire pour la clarté des figures, un trait fin noir lie les éléments et leur référence dans les figures. La est une schématisation du module de l'invention. Le module contient l'entrée d'air (1.1), le radiateur propageant la chaleur de l'extérieur à l'intérieur du module (1.2), la serre améliorant l'accumulation de chaleur (1.3), le corps du module contenant l'air chaud provocant l'évaporation (1.4), l'évacuation d'air saturé d'eau (1.5) et le système de flotteur couvrant toute la partie inférieure (1.6). La est une schématisation de la mise en série de deux modules (plus de modules pouvant être mis en série) reliés l'un à l'autre pour le flux d'air (2.1). La est une schématisation du module et du système passif de condensation utilisant la température de l'eau. L'air entrant en (3.1) dans le module se sature, est évacué par (3.2), est refroidi par des radiateurs passifs (3.4) par la température environnante de l'eau, l'eau est recueillie en (3.5), et l'air asséché est évacué en (3.3). La est une schématisation du module et du système actif de condensation utilisant typiquement un échangeur thermique. L'air entre en (4.3), est réchauffé par l'échangeur thermique en (4.2), puis injecté dans le module en (4.1). Après saturation l'air arrive en (4.5) et est refroidi par l'échangeur thermique (4.2). L'air asséché est enfin évacué en (4.4). La donne le détail du radiateur (1.2) équipé d'une surface absorbant et répartissant l'eau à distiller le long du radiateur (5.1) afin d'augmenter l'interface eau/air, et donc d'optimiser l'évaporation de l'eau. Un module de distillation d'eau caractérisé en ce qu’il est flottant et en ce qu’il comprend : a) un corps de module (1.4, 1.6) conçu pour flotter sur une surface d'eau (1.7) ; b) un système de chauffage solaire direct (1.2, 1.4) pour augmenter la température de l'air et de l'eau à l'intérieur du module ; c) un flux d'air entrant (1.1), absorbant l'eau en évaporation à distiller, et sortant (1.5) à l'extérieur du module ; d) un système de refroidissement passif (3.4) ou actif (4.2) pour refroidir l'air saturé en eau en sortie du module ; e) un moyen pour récupérer l'eau à partir de l'air refroidi. Le module de distillation d'eau flottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps du module est fabriqué à partir d'un matériau résistant à l'eau de mer, tel que le plastique, le bois ou le métal (1.4). Le module de distillation d'eau flottant selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la surface du module doit avoir une forte absorbance, de par sa nature ou l’application d’une peinture silicone noire ou époxy. Le module de distillation d'eau flottant selon une ou plusieurs des revendications précédentes, en outre caractérisé en la disposition d’un radiateur (1.2), typiquement métallique, pour conduire la chaleur à l'intérieur du module par un système de conduction thermique. Le module de distillation d'eau flottant selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par des radiateurs recouverts d'un matériau à fort pouvoir de capillarité pour augmenter l'interface eau chauffée/air et maximiser la vitesse d'évaporation, tel que, par exemple, un tissu éponge (5.1). Le module de distillation d'eau flottant selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en outre d’un système de verrière en verre ou en plastique (1.3) pour créer un effet de serre et une isolation thermique. Le module de distillation d'eau flottant selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par des flotteurs perméables permettant l’entrée continue de l’eau de mer ainsi que l’isolation thermique entre l'eau contenue dans le module et l'eau extérieure en recouvrant toute ou en partie la partie extérieure inférieure du dit module (1.6). Un système de distillation d'eau caractérisé par la pluralité de modules de distillation d'eau flottants selon une ou plusieurs des revendications précédentes, connectés entre eux pour augmenter la surface recouverte totale. Le système de distillation d'eau selon la revendication 8, caractérisé en ce que les modules sont connectés successivement au même flux d'air (2.1). Un procédé de distillation d'eau utilisant le module de distillation d'eau flottant selon une ou plusieurs des revendications 1 à 7 ou le système de distillation d'eau selon les revendications 8 ou 9, caractérisé par les étapes de : a) chauffer l'air à l'intérieur du module pour augmenter la température et provoquer l'évaporation de l'eau à distiller ; b) refroidir l'air saturé en eau à l'intérieur du module ; c) condenser l'eau à partir d'un système de refroidissement actif ou passif ; d) collecter l'eau.