L’ère de l’eau : un avenir radieux pour l’humanité

les technologues ont tendance à se concentrer sur les ressources naturelles et les matières premières les plus précieuses ou techniquement utiles, telles que l’or, les terres rares ou le lithium. Cependant, une ressource beaucoup plus simple est nécessaire quotidiennement en quantités massives pour soutenir notre civilisation : l’eau douce.

Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.

Les investisseurs et les technologues ont tendance à se concentrer sur les ressources naturelles et les matières premières les plus précieuses ou techniquement utiles, comme l’or, les terres rares ou le lithium. Cependant, une ressource beaucoup plus simple est nécessaire quotidiennement en quantités massives pour soutenir notre civilisation : l’eau douce.

While it literally falls from the sky in most of the world, its availability is still under severe pressure in modern civilization, as we consume much of it for industry, agriculture, and human needs.

Bien qu’il tombe littéralement du ciel dans la majeure partie du monde, sa disponibilité est toujours soumise à de fortes pressions dans la civilisation moderne, car nous en consommons une grande partie pour l’industrie, l’agriculture et les besoins humains.

Only 3% of the world’s water is usable fresh water, with 97% being saline (saline groundwater and seawater). Of this freshwater, 69% is held in glacier and polar ice caps, 30% is groundwater, and only 1% is surface water.

Seulement 3 % de l’eau mondiale est constituée d’eau douce utilisable, dont 97 % sont salées (eaux souterraines salées et eau de mer). De cette eau douce, 69 % sont contenues dans les glaciers et les calottes glaciaires polaires, 30 % sont des eaux souterraines et seulement 1 % sont des eaux de surface.

Source: USGS

Source : USGS

As a result, in many places, the only available water source is saline. Desalination is possible but requires a tremendous amount of energy. Until now, it has often been done with fossil fuels, as most desalination techniques are energy-intensive and require constant and stable energy inputs.

En conséquence, dans de nombreux endroits, la seule source d’eau disponible est l’eau salée. Le dessalement est possible mais nécessite une énorme quantité d’énergie. Jusqu’à présent, cela s’est souvent fait avec des combustibles fossiles, car la plupart des techniques de dessalement sont gourmandes en énergie et nécessitent un apport énergétique constant et stable.

This could change, thanks to a new method developed by MIT engineers and published in Nature Water under the title “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

Cela pourrait changer grâce à une nouvelle méthode développée par les ingénieurs du MIT et publiée dans Nature Water sous le titre « Électrodialyse photovoltaïque à entraînement direct via un contrôle de courant commandé par flux ».

Solar Desalination

Dessalement solaire

At first glance, solar power seems to be the most logical energy source for powering desalination operations. Not only is it provided for free by the Sun, but it is also generally abundant in dry regions like deserts, which often need desalination the most.

À première vue, l’énergie solaire semble être la source d’énergie la plus logique pour alimenter les opérations de dessalement. Non seulement il est fourni gratuitement par le Soleil, mais il est également généralement abondant dans les régions sèches comme les déserts, qui ont souvent le plus besoin de dessalement.

With solar power becoming cheaper by the day, it will likely continue to grow as an energy source, as we covered in our article “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

L’énergie solaire devenant de jour en jour moins chère, elle continuera probablement à se développer en tant que source d’énergie, comme nous l’avons expliqué dans notre article « L’ère solaire : un avenir radieux pour l’humanité ».

There is still one problem – solar energy is only produced when the sun shines. This means that to operate efficiently, most solar-power-only desalination operations would need to be coupled to a battery system, increasing costs.

Il reste un problème : l’énergie solaire n’est produite que lorsque le soleil brille. Cela signifie que pour fonctionner efficacement, la plupart des opérations de dessalement utilisant uniquement l’énergie solaire devraient être couplées à un système de batteries, ce qui augmenterait les coûts.

This is especially problematic for current desalination techniques, like reverse osmosis, which needs stable conditions and a stable energy supply to be efficient. This is because it requires constant pressure on the osmosis membranes.

Cela est particulièrement problématique pour les techniques de dessalement actuelles, comme l’osmose inverse, qui nécessitent des conditions stables et un approvisionnement énergétique stable pour être efficaces. En effet, cela nécessite une pression constante sur les membranes d’osmose.

This precludes any small-scale desalination and any low-cost methods, at least as long as energy storage is still expensive. This might change, as we discussed in “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”; still, it could be better to also adapt to the natural fluctuation of solar power, including very short-term ones like clouds passing by.

Cela exclut tout dessalement à petite échelle et toute méthode peu coûteuse, du moins tant que le stockage de l’énergie reste coûteux. Cela pourrait changer, comme nous l’avons évoqué dans « L’avenir du stockage d’énergie : technologie des batteries à l’échelle industrielle » ; néanmoins, il pourrait être préférable de s’adapter également aux fluctuations naturelles de l’énergie solaire, y compris celles à très court terme comme le passage des nuages.

Flexible Batch Electrodialysis

Électrodialyse par lots flexible

The MIT researchers favored this approach. They studied electrodialysis, an alternative method to reverse osmosis for desalination. Electrodialysis uses an electric field to draw out salt ions as water is pumped through a stack of ion-exchange membranes.

Les chercheurs du MIT ont privilégié cette approche. Ils ont étudié l'électrodialyse, une méthode alternative à l'osmose inverse pour le dessalement. L'électrodialyse utilise un champ électrique pour extraire les ions de sel lorsque l'eau est pompée à travers un empilement de membranes échangeuses d'ions.

Source: Nature Water

Source : Eau naturelle

For their new design, they created a model-based control system connected to sensors in all parts of the system. It predicted the optimal rate at which to pump water and the voltage that should be applied to maximize the amount of salt drawn out of the water.

Pour leur nouvelle conception, ils ont créé un système de contrôle basé sur un modèle connecté à des capteurs dans toutes les parties du système. Il a prédit le débit optimal auquel pomper l’eau et la tension à appliquer pour maximiser la quantité de sel extraite de l’eau.

By doing so, the desalination operation could fluctuate according to the solar power produced in real-time.

Ce faisant, l’opération de dessalement pourrait fluctuer en fonction de l’énergie solaire produite en temps réel.

Source: Nature Water

Source : Eau naturelle

On average, the system directly used 77 percent of the available electrical energy produced by the solar panels, which the team estimated was 91 percent more than traditionally designed solar-powered electrodialysis systems.

En moyenne, le système utilisait directement 77 pour cent de l'énergie électrique disponible produite par les panneaux solaires, ce que l'équipe a estimé être 91 pour cent de plus que les systèmes d'électrodialyse à énergie solaire de conception traditionnelle.

Further Improvement

Amélioration supplémentaire

The almost doubled rate of solar power utilization compared to previous electrodialysis systems could still be improved with more regular optimization & automation:

Le taux d'utilisation de l'énergie solaire presque doublé par rapport aux systèmes d'électrodialyse précédents pourrait encore être amélioré avec une optimisation et une automatisation plus régulières :

We could only calculate every three minutes, and in that time, a cloud could literally come by and block the sun.

Nous ne pouvions calculer que toutes les trois minutes, et pendant ce temps, un nuage pouvait littéralement passer et bloquer le soleil.

The system could be saying, ‘I need to run at this high power.’ But some of that power has suddenly dropped because there’s now less sunlight. So, we had to make up that power with extra batteries.”

Le système pourrait dire : « Je dois fonctionner à cette puissance élevée ». Mais une partie de cette énergie a soudainement chuté parce qu’il y a désormais moins de lumière solaire. Nous avons donc dû compenser cette énergie avec des batteries supplémentaires.

Amos Winter – Director of the K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

Amos Winter – Directeur du K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center au MIT

This was a proof-of-concept work and will be turned into a commercial design soon, as the team will be launching a company based on their technology in the coming months.

Il s’agissait d’un travail de validation de principe qui sera bientôt transformé en conception commerciale, puisque l’équipe lancera une entreprise basée sur sa technologie dans les mois à venir.

This research project was also supported in-kind (provided material for free) by Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) and Xylem Goulds (XYL -1.17%).

Ce projet de recherche a également été soutenu en nature (matériel fourni gratuitement) par Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) et Xylem Goulds (XYL -1,17%).

Not Just Seawater

Pas seulement l'eau de mer

The research team focused on the desalination of brackish groundwater found underground in New Mexico. As many dry area population centers are far from the sea, this can be an important water source currently unavailable due to its salt content.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur le dessalement des eaux souterraines saumâtres trouvées sous terre au Nouveau-Mexique. Comme de nombreuses agglomérations des zones arides sont éloignées de la mer, celle-ci peut constituer une source d’eau importante actuellement indisponible en raison de sa teneur en sel.

“The majority of the population actually lives far enough from the coast, that seawater desalination could never reach them. They consequently rely heavily on groundwater, especially in remote, low-income regions. And unfortunately, this groundwater is becoming more and more saline due to climate change.”

« La majorité de la population vit en réalité suffisamment loin de la côte pour que le dessalement de l’eau de mer ne puisse jamais l’atteindre. Ils dépendent donc fortement des eaux souterraines, en particulier dans les régions reculées et à faible revenu. Et malheureusement, ces eaux souterraines deviennent de plus en plus salées à cause du changement climatique.»

Jonathan Bessette – MIT PhD student in mechanical engineering

Jonathan Bessette – Doctorant en génie mécanique au MIT

The research model was already able to provide enough fresh water

Le modèle de recherche était déjà capable de fournir suffisamment d'eau douce