Il y a presque trois ans que Gang Chen, professeur Carl Soderberg en génie énergétique et chef du département de génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology, a reçu un financement de J-WAFS Solutions pour son projet « Récepteurs solaires flottants à chaleur localisée pour le dessalage distribué ». « Opening Doors » s’est entretenu avec lui à Boston pour constater l’avancement du projet et en apprendre davantage sur l’impact potentiel de ses recherches novatrices.

 Q : Entre septembre 2016 et août 2017, vous avez étudié les possibilités de production d’eau potable à partir d’eau de mer à faibles coûts d’investissement. Comment cette recherche a-t-elle évolué et sur quoi travaillez-vous actuellement ?

Gang : Nous essayons de créer une méthode d’utilisation de l’énergie solaire pour générer de la vapeur surchauffée, c’est-à-dire de la vapeur chauffée à plus de 120 degrés Celsius, plutôt qu’au point d’ébullition atmosphérique normal de 100 degrés. À plus de 120 degrés, la vapeur peut être utilisée dans des applications de stérilisation. Nous nous intéressons à un large éventail de questions : dessalage, traitement des eaux usées, procédés industriels, cuisson et stérilisation. De nombreux procédés industriels et alimentaires ont également besoin de températures plus élevées. Ces procédés n’exigent pas tous de la vapeur surchauffée, mais cette dernière s’avère particulièrement utile pour des applications telles que la stérilisation.

Q : Pouvez-vous décrire la solution que vous avez proposée ?

Gang : Pour créer de la vapeur surchauffée à partir de la lumière du soleil, on pense généralement à des solutions optiques, telles que des lentilles ou des miroirs, pour concentrer la lumière du soleil, mais ces techniques peuvent être coûteuses et complexes.

Au lieu de cela, nous développons une approche nettement moins coûteuse centrée sur un « absorbeur », qui est fondamentalement un morceau de métal recouvert d’un film. Cette technique est déjà disponible dans le commerce car elle est souvent utilisée dans les systèmes d’eau chaude à énergie solaire.

Pour commencer, l’appareil est placé au-dessus d’une bassine d’eau et à l’intérieur d’une enceinte en polymère. Cela permet de minimiser la perte de chaleur.

L’autre problème auquel nous avons dû faire face est la dégradation par les polluants présents dans l’eau ou l’encrassement biologique. Nos recherches initiales utilisaient des dispositifs flottant à la surface de l’eau, qui pourraient souffrir d’encrassement biologique, mais à présent, notre dispositif est suspendu juste au-dessus de la surface de l’eau, évitant ainsi ce problème. L’appareil est de la taille d’une tablette et comporte trois couches : sur la partie supérieure, la surface en composite céramique en métal absorbe la chaleur du soleil ; en dessous, un matériau semblable à de la mousse capte et réchauffe davantage la vapeur créée avant qu’elle ne soit évacuée par un tube de sortie. Et en dessous, sur la couche inférieure de l’appareil, se trouve l’élément le plus proche de l’eau. Cette partie de l’appareil émet de la chaleur infrarouge dans l’eau située juste au-dessous par le biais d’un revêtement noir à la surface. La vapeur est générée à partir de la surface de l’eau et pénètre dans les matériaux ressemblant à de la mousse.

Q : En termes simples, comment ça marche ?

Gang : La couche supérieure de l’appareil absorbe les rayons du soleil. En raison du revêtement, la perte de chaleur du système est en fait relativement faible à mesure qu’il chauffe. La température peut être supérieure à 100 ºC. Comme elle est en contact avec la mousse, la structure de la mousse peut elle aussi arriver à une température supérieure à 100 °C.

MIT, research

La mousse est en contact avec l’autre côté du canal, qui est recouvert de noir et émet de la chaleur infrarouge dans l’eau. Bien que l’eau n’absorbe pas normalement les longueurs d’ondes visibles à la lumière du soleil, elle absorbe fortement les longueurs d’ondes infrarouges émises par cet objet chaud. En conséquence, la surface de l’eau chauffe, ce qui l’aide à générer de la vapeur qui monte enfin dans l’appareil.

À ce stade, la vapeur générée n’est encore qu’à 100 degrés Celsius environ. Mais quand elle monte vers l’absorbeur chaud lui-même, qui dépasse déjà largement les 100 degrés, elle est chauffée davantage, créant la vapeur surchauffée que nous recherchons dans la couche intermédiaire de l’appareil.

Le canal entre les couches supérieure et inférieure nous permet de diriger la vapeur générée à travers un tube dans la direction nécessaire. L’intérêt de ce système réside dans le fait qu’il est complètement passif : une fois l’appareil construit, il n’a pas besoin d’alimentation supplémentaire pour pouvoir commencer et continuer à absorber les rayons du soleil. Donc, peu d’entretien et peu coûteux.

Q : Où cette solution pourrait-elle être appliquée ? Si vous pouvez la mettre sur le marché, quel est son impact potentiel ?

Gang : C’est une bonne question. Lorsque nous avons commencé cette recherche, nous avons envisagé des applications potentielles dans le dessalage, le traitement des eaux usées, la vapeur industrielle ou la stérilisation. Celles-ci sont toutes encore possibles. Nous étudions en ce moment le marché le plus approprié pour cette technologie. Elle pourrait également être utilisée pour fournir de l’eau chaude aux foyers, mais chacune de ces applications potentielles doit être évaluée en fonction de sa propre viabilité financière.

Q : Notre appareil actuel a à peu près la taille d’une tablette. Est-il possible d’en augmenter la taille et de développer quelque chose à une échelle beaucoup plus importante ?

Gang : Nous sommes en train d’essayer de créer un système à plus grande échelle. La technologie est assez simple et nous ne voyons pas vraiment d’obstacle à son développement. Notre problème est que nous travaillons dans une université, et nous n’avons tout simplement pas la place pour ce genre de projet de grande envergure. Espérons que, une fois que nous aurons identifié un point d’entrée sur le marché financièrement viable, cela conduira soit à un partenariat, soit à un produit dérivé, afin de travailler dans un contexte commercial et de réaliser cette opération à plus grande échelle.

Q : Vous travaillez depuis plusieurs années sur la production de vapeur solaire. Comment décririez-vous les progrès que vous avez réalisés ?

Gang : Nous avons effectué une série de petits projets, chacun nous ayant conduit où nous sommes aujourd’hui. La première tâche que nous avons réalisée était un matériau flottant et poreux à la surface de l’eau, car la lumière visible du soleil n’est pas absorbée par l’eau elle-même. En faisant flotter ce matériau poreux à la surface, puis en isolant cette zone couverte de la majeure partie de l’eau de manière à ce que cette dernière soit « aspirée » par la tension superficielle, nous pourrions créer une région localement chaude à la surface. Plus tard, nous avons pu concevoir un modèle permettant à l’eau d’atteindre son point d’ébullition sans utiliser aucune optique, simplement la lumière du soleil.

En réalité, ma fille, qui n’avait alors que 16 ans, a joué un rôle important en nous aidant à faire ces premiers pas. Nous avons constaté que notre appareil perdait beaucoup de chaleur par convection. À l’époque, ma fille travaillait sur un projet d’expo-sciences à l’école. Elle devait fabriquer une serre avec des matériaux simples, dont l’un était du papier bulle. Nous avons trouvé qu’il était très efficace (elle pouvait le chauffer à 160 degrés Fahrenheit !) d’envelopper le papier bulle autour de notre appareil, les bulles transparentes permettant à la lumière de pénétrer dans l’appareil et fournissant un effet de capture qui maintenait la chaleur à la surface de l’appareil.

En fin de compte, nous avons rencontré quelques difficultés avec cette idée. Dans le matériau poreux, nous avons trouvé une formation de cellules, une bio-formation et une formation de particules. C’est là que le financement de J-WAFS Solutions est entré en jeu. Cela nous a permis de vraiment explorer l’application de la technologie pour résoudre ces obstacles. C’est de là que nos idées actuelles ont évolué.

Q : Ce projet est-il lié au travail de dessalage que vous avez entrepris précédemment, à savoir des tapis de dessalage flottants ?

Gang : Oui, cette solution pourrait également être utilisée pour le dessalage. Lorsque vous surchauffez de l’eau en vapeur, l’eau qui se condense à partir de cette vapeur est essentiellement pure : elle ne contient ni les sels ni la biomasse qui existaient avant qu’elle soit chauffée. En fait, les performances système de cette dernière solution sont, en termes d’efficacité, très similaires à celles que nous avions auparavant. Et l’avantage de cette dernière solution est qu’elle évite les problèmes de bio-formation rencontrés auparavant.

Q : Est-il possible de développer un double usage pour cette solution, en utilisant la vapeur pour alimenter quelque chose, peut-être une turbine, et l’eau condensée résultante disponible pour les populations locales dans des environnements aux ressources limitées ?

Gang : Oui, c’est un excellent point. Dans notre étude de marché, nous examinons où nous pourrions faire cela et faire d’une pierre deux coups. Nous devons prendre beaucoup de choses en compte. Par exemple, nous pourrions l’utiliser pour la production d’électricité, mais nous devons tenir compte du coût de la turbine. Ce sont des choses pour lesquelles nous devons passer du temps sur l’évaluation du point de vue des opportunités de marché et des coûts économiques.

Q : Pourriez-vous co-localiser les usines de dessalage et cette technologie de manière à générer l’énergie nécessaire à son fonctionnement ?

Gang : L’osmose inverse nécessite beaucoup d’énergie pour créer la pression nécessaire, et je ne sais pas encore si nous pouvons y parvenir. Il est certes possible d’utiliser cette technologie dans le dessalage, mais nous devons approfondir notre compréhension de la taille et du lieu appropriés de cette approche avec notre solution, puis comparer ces coûts à l’osmose inverse ou à la distillation éclair en plusieurs étapes, les deux principales technologies de dessalage actuellement utilisées.

Q : Quelle a été l’importance du financement de J-WAFS pour vous permettre de faire avancer votre travail ?

Gang : Il a été extrêmement important et très apprécié. Il est difficile d’obtenir un financement réel du gouvernement pour ce type de travail, et le financement de J-WAFS nous a permis de poursuivre le projet et de continuer à faire travailler des étudiants. Sans cela, notre dernière idée ne se serait jamais matérialisée. J-WAFS a également été très utile pour nous aider à réfléchir d’un point de vue plus commercial à nos marchés potentiels. Cela a été très, très bénéfique, à tel point que nous avons reconnu la contribution continue de J-WAFS dans notre dernier document, même si ce travail a été effectué après la fin du financement du projet.

Q : Quelles sont vos priorités pour l’année prochaine ? Comment espérez-vous aller de l’avant ?

Gang : Nous avons des étudiants qui souhaiteraient évaluer sérieusement les opportunités de marché. Identifier le meilleur marché pour la technologie est maintenant une priorité majeure. Nous recherchons un marché d’entrée afin de pouvoir traduire cette technologie en une solution réelle.

Notre autre ambition est plus technique et porte davantage sur la manière dont nous pouvons améliorer l’efficacité du système pour différentes applications.

Nous cherchons également à obtenir une démonstration plus large de la technologie pour la présenter à des partenaires commerciaux et investisseurs potentiels.

Q : Quand serez-vous en mesure de mettre votre produit sur le marché ?

Gang : Juger les délais est toujours très difficile en recherche. La chose la plus importante pour nous est de nous assurer que nous sommes sûrs de nous adresser au bon marché. J’espère que nous y parviendrons au cours des 12 prochains mois.

Comment la vapeur surchauffée est-elle déjà utilisée ?

La vapeur surchauffée est le produit de la vapeur saturée (« normale ») chauffée au-delà de la température de saturation. Le résultat de cette énergie thermique supplémentaire est la production de vapeur sèche, l’absence de gouttelettes d’eau offrant des avantages dans de nombreuses utilisations.[1].

  • Production d’énergie : la vapeur surchauffée est souvent utilisée pour entraîner des turbines[2] et dans les systèmes de distribution de vapeur, pour réduire « le risque de coups de bélier et d’érosion des canalisations[3]».
  • Chauffage : la vapeur surchauffée peut être « utilisée comme source de chaleur pour chauffer dans des conditions sans oxygène[4]».
  • Cuisine : la vapeur surchauffée constitue non seulement une méthode de cuisson efficace, mais peut également réduire la teneur en graisse et en sel des aliments à cuire[5].
  • Nettoyage : la vapeur surchauffée est un outil de nettoyage efficace pour la pierre, le marbre et l’ardoise, car elle tue et élimine la mousse, les algues et autres polluants.

 

[1] What is superheated steam? Kadant, 23 July 2013

[2] Superheated Steam, Science Direct, accessed February 2019

[3] What is superheated steam? Kadant, 23 July 2013

[4] Types of Steam, TLV, accessed February 2019

[5] Reduce Calories, Sharp, accessed February 2019