L'évaporation pourrait-elle être une source importante d'énergie renouvelable ?

Un inconvénient de l'énergie éolienne et solaire est l'intermittence, ce qui entraîne le besoin de stockage d'énergie. Dans une interview Yale Environment 360, le biophysicien Ozgur Sahin explique comment l'évaporation des lacs et des réservoirs pourrait être transformée en une source stable d'énergie renouvelable.

Par Diane Toomey • 28 septembre 2017

En 2015, le biophysicien Ozgur Sahin a trouvé un moyen de transformer le processus d'évaporation en une source d'énergie renouvelable, en construisant des dispositifs qui allumaient des LED et électrifiaient une petite voiture, le tout alimenté par les variations du taux d'humidité dans l'air. Maintenant, Sahin et ses collègues de l'Université de Columbia ont publié un nouvel article dans la revue Nature Communications qui estime que l'évaporation sur les lacs et réservoirs américains pourrait théoriquement fournir près de 70 % des besoins en électricité du pays.

Ozgur Sahin

La technologie, qui utilise des spores absorbant l'eau de la bactérie du sol B. subtilis pour générer de l'énergie, en est encore aux premiers stades de développement. Mais Sahin, professeur agrégé de sciences biologiques et de physique à Columbia et récipiendaire d'un prix du jeune chercheur 2016 de l'Office of Naval Research, affirme qu'il présente des avantages importants par rapport aux autres formes d'énergie renouvelable. "L'énergie éolienne et solaire sont des sources intermittentes", a-t-il déclaré. "Dans le cas de l'évaporation, vous ne fluctuez pas beaucoup. Vous pouvez vous attendre à une évaporation très importante même la nuit."

Dans une interview avec Yale Environment 360, Sahin explique comment fonctionne ce nouveau type de production d'électricité, ses limites et la nécessité d'une large collaboration scientifique pour tester si la technologie pourrait devenir une source d'énergie importante aux États-Unis et dans le monde.

Yale Environnement 360 : Dans un travail publié en 2015, vous et vos collègues avez inventé quelques machines qui utilisaient le processus d'évaporation pour générer une force mécanique. Pour ce faire, vous avez utilisé des spores bactériennes inoffensives qui se dilatent et se contractent en réponse aux changements d'humidité. L'un des appareils que vous appelez le "moteur d'évaporation". Décrivez comment cette machine particulière fonctionne.

Sahin : Le moteur d'évaporation a des bandes de plastique recouvertes de spores. Les spores se dilatent et se contractent en réponse aux changements d'humidité, et elles le font avec beaucoup de force. Et donc, lorsque cela se produit, ces bandes s'allongent et se raccourcissent en réponse. Ils fonctionnent essentiellement comme un muscle, que vous pouvez ensuite convertir en énergie électrique.

L'humidité elle-même ne change généralement pas aussi rapidement dans l'environnement - elle change sur une échelle de temps quotidienne - mais lorsque vous avez une surface d'eau libre, vous avez une évaporation et vous pouvez l'exploiter avec un appareil. Pour ce faire, nous plaçons les bandes sous les volets. Lorsqu'ils s'ouvrent, ils peuvent laisser passer l'humidité, et lorsque ces volets sont fermés, ils bloquent l'humidité. Vous pouvez connecter cet [appareil] à un générateur ou à quelque chose qui convertit le mouvement et l'énergie mécanique en électricité, et ainsi vous pouvez générer de l'électricité. C'est le concept général derrière notre appareil.

e360 : La deuxième machine que vous avez conçue s'appelle le "moulin à humidité". Vous avez pu mettre une petite voiture en mouvement avec celui-là. Il ressemble à une roue et fonctionne sur le même principe. Parlez-moi un peu de cela.

Sahin : Ce deuxième appareil a essentiellement un cercle en plastique et des bandes de plastique recouvertes de spores qui sont placées autour du cercle. Nous insérons le cercle dans une chambre à mi-chemin, et à l'intérieur de la chambre, c'est humide parce qu'il y a un papier humide qui tapisse les parois de la chambre, et cette humidité provoque l'expansion des spores sur cette moitié du cercle. Et à l'extérieur, la moitié restante du cercle, l'air est sec, donc les bandes de ce côté sont un peu plus bouclées car les spores sont dans un état contracté.

Lorsque cela se produit, le centre de gravité du cercle devient un peu décalé par rapport à l'axe de rotation du cercle. La rotation [suivante] apporte des spores qui étaient dans la moitié sèche, dans la région humide, et il faut des spores humides qui sont dans la partie humide, qui vont dans la partie sèche. Il continue de tourner tant que le papier à l'intérieur de la chambre est humide. Nous avons mis en place un système simple, semblable à un jouet, à partir de pièces Lego qui commence à rouler sur la surface. Ce n'est pas la voiture la plus rapide, mais c'est probablement la première à manquer d'eau.

e360 : Dans ce dernier article, vous explorez le potentiel de l'évaporation naturelle en tant que source d'énergie renouvelable. Vous envisagez des sources d'eau à ciel ouvert telles que des lacs et des réservoirs couverts par des récupérateurs d'énergie basés sur l'évaporation. À quoi cela ressemblerait-il ? Y aurait-il simplement des versions plus grandes de cet appareil avec les volets d'ouverture et de fermeture au-dessus de ces sources d'eau à ciel ouvert ?

Sahin : Certains concepts de base seraient probablement utilisés, mais vous n'avez pas nécessairement besoin des mêmes mécanismes d'obturation, ce qui serait un système compliqué à grande échelle. Il faudrait trouver quelque chose qui fonctionnerait, et qui aurait peu de composants mobiles, pour faciliter la mise en œuvre à grande échelle.

e360 :Envisagez-vous d'utiliser les spores bactériennes ou existe-t-il d'autres moyens d'exploiter la puissance d'évaporation ?

Sahin : L'un des objectifs est de fabriquer quelque chose comme une feuille à partir du matériau des spores, de sorte que ces feuilles puissent se dilater et se contracter sur une surface, et cela en soi pourrait être la base du dispositif. Le matériau final pourrait produire une quantité importante d'énergie. Peut-être pas aux limites théoriques que nous avions prédites, mais cela pourrait toujours être intéressant compte tenu des coûts et d'autres facteurs.

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e360 :Vous calculez qu'aux États-Unis, jusqu'à 325 gigawatts de puissance d'évaporation sont potentiellement disponibles, ce qui, comme vous l'écrivez, représente près de 70 % du taux de production d'énergie électrique aux États-Unis en 2015. Comment êtes-vous arrivé à ce chiffre ?

Sahin : Ce que nous avons inclus dans ce nombre, ce sont les réservoirs et les lacs existants que nous connaissons. Nous avons ignoré les réservoirs trop petits et nous avons également ignoré les Grands Lacs. Nous l'avons fait parce qu'il est plus facile de modéliser des étendues d'eau ouvertes lorsqu'elles ne sont pas si grandes - "pas si grandes" signifiant si elles sont inférieures à 100 kilomètres de diamètre.

La première chose que nous avons supposée est que l'appareil peut fonctionner à un niveau dans les limites de la thermodynamique. Ensuite, nous avons voulu savoir comment les conditions environnementales imposeraient des limites supplémentaires ? Ainsi, la météo affectera les taux d'évaporation, la température, la vitesse du vent, la quantité de lumière solaire disponible à cet endroit particulier, l'humidité de l'air. Nous avons mis tous ces paramètres dans un modèle, quelque chose que nous avons en fait construit en utilisant des modèles antérieurs développés par des hydrologues… À partir de là, nous avons calculé à un endroit donné avec des données météorologiques données, quelle serait la puissance que vous pouvez obtenir d'une zone spécifique - disons, un mètre carré ? Cela nous donne essentiellement une carte du pays, et vous pouvez dire que s'il y a un plan d'eau à cet endroit, vous pouvez vous attendre à cette puissance de ce plan d'eau.

e360 :Avez-vous été surpris du chiffre total ?

Sahin : Le nombre en soi est important, mais si cette technologie est construite, elle sera certainement plus petite. Mais cela peut encore apporter une contribution aux énergies renouvelables car les énergies renouvelables existantes ne sont pas développées à cette échelle, de l'ordre de dizaines de gigawatts. Même une petite fraction de ce potentiel disponible, s'il se concrétise, serait encore importante.

e360 :Quels sont les avantages ou les inconvénients que l'énergie d'évaporation pourrait avoir par rapport au solaire ou au vent ?

Sahin : L'éolien et le solaire sont des sources intermittentes. Vous avez besoin de technologies de stockage d'énergie pour résoudre ce problème, car les consommateurs ont besoin d'électricité à différents moments de la journée et à différents moments de l'année. Dans le cas de l'évaporation, vous ne fluctuez pas beaucoup. Par exemple, vous pouvez vous attendre à avoir une évaporation très importante même la nuit. La principale raison en est que l'eau elle-même peut stocker de la chaleur. Ainsi, la chaleur qui provient de la lumière du soleil pendant la journée est stockée dans l'eau, et elle y reste la nuit, et elle peut alimenter directement l'évaporation. Cela crée donc un profil lisse des taux d'évaporation. Ensuite, si vous avez des appareils, vous gagnez un contrôle supplémentaire sur le taux d'évaporation. Ainsi, ce contrôle, associé à la capacité de stockage de l'eau, est un moyen potentiel de faire correspondre la demande d'énergie à l'alimentation sans dépendre de batteries ou d'autres mécanismes de stockage d'énergie.

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L'autre avantage est la relation directe avec les ressources en eau. Récupérer l'énergie de l'évaporation réduit nécessairement le taux d'évaporation. Donc, si vous avez des réservoirs artificiels - par exemple, ceux créés pour l'irrigation ou l'hydroélectricité - la réduction de cette perte d'eau pourrait être un autre avantage important. Cette eau pourrait être utilisée par les agriculteurs ou par d'autres habitats en aval.

En termes d'inconvénients, bon nombre de ces masses d'eau ont des utilisations récréatives et autres, comme la pêche. Il pourrait y avoir un compromis, le cas échéant. Il pourrait également être possible, en envisageant des matériaux flexibles comme des feuilles fabriquées à partir de certains matériaux biologiques, que ces choses puissent potentiellement être retirées et remises en place plus facilement que des constructions rigides comme les fermes solaires et les éoliennes. Bien sûr, cela doit être développé et testé, mais de mon point de vue, cela peut potentiellement être en harmonie avec l'environnement et les autres utilisateurs potentiels de ces ressources.

e360 :Bien sûr, il peut y avoir d'autres impacts environnementaux négatifs.

Sahin : Absolument. Ce que nous, en tant que chercheurs, espérons, c'est attirer l'attention de plus de personnes et d'experts dans d'autres domaines qui peuvent réfléchir soit aux problèmes potentiels, soit aux solutions à ces problèmes potentiels. Les projets énergétiques eux-mêmes sont très compliqués et comportent de nombreux aspects différents, de l'économie à l'environnement. Il est difficile d'entreprendre un tel projet dans un seul laboratoire de recherche, alors ce que nous essayons de réaliser avec cette publication est de présenter une pièce du puzzle : il y a un potentiel de puissance important. Maintenant, il vaut la peine d'examiner ces autres aspects qui pourraient en faire une possibilité ou remettre en question sa mise en œuvre. Mais même s'il y a des défis, il pourrait y avoir des moyens de les contourner car il semble que ce soit une technologie relativement flexible.

e360 :Avez-vous des inquiétudes concernant les écueils qui guettent le développement de cette technologie?

Sahin : Il pourrait y avoir des choses que je n'avais pas anticipées, et je pense qu'en ce moment, ce que nous devrions faire, c'est essentiellement faire des démonstrations et aller au-delà du dispositif de preuve de principe et voir à quoi la technologie pourrait ressembler et à quoi elle pourrait mener. Cela pourrait éclairer les discussions futures.

e360 : Dans votre document, vous avez un tableau dans lequel vous donnez une ventilation État par État de la production potentielle d'électricité. L'Utah, la Californie et le Texas figurent parmi les trois premiers. Outre la surface d'eau libre disponible, quelles sont les conditions environnementales qui permettent une plus grande production potentielle d'électricité à partir de l'évaporation ?

Sahin : Plus un endroit est ensoleillé, plus vous pouvez attendre de puissance d'une zone donnée. Et si la zone est sèche, c'est quelque chose qui améliore les taux d'évaporation. Cela augmente également la puissance d'une zone donnée, et ces deux composantes ont tendance à être plus importantes dans le sud-ouest des États-Unis.

e360 :Votre étude était limitée aux États-Unis, mais imaginez-vous que l'énergie d'évaporation pourrait avoir une applicabilité dans les zones hors réseau des pays en développement ?

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Sahin : Nous avons limité nos études aux États-Unis, principalement parce que nous avions accès aux données qui entrent dans nos modèles. Mais en général, nous nous attendons à ce que cela soit applicable dans de nombreuses autres parties du monde. Si un agriculteur dispose d'un bassin d'eau utilisé pour l'irrigation, cela pourrait être utilisé comme source d'énergie.

e360 :Quelles sont les prochaines étapes pour votre laboratoire ?

Sahin : Nous nous concentrons principalement sur le passage de ces spores individuelles à de gros matériaux en assemblant les spores en feuilles. En utilisant cela, nous essaierons de construire des appareils plus grands, pas nécessairement de la taille d'un test pilote, mais peut-être un appareil de table plus grand, peut-être une petite piscine que nous pourrons assembler et tester à la surface de cette eau. Et cela nous indiquerait probablement si les matériaux sont prêts pour un test plus important. Mais il reste encore beaucoup de questions fondamentales auxquelles il faut répondre.

Diane Toomey est une journaliste de radio publique primée qui a travaillé pour Marketplace, le World Vision Report et Living on Earth, où elle était rédactrice scientifique. Ses reportages ont remporté de nombreux prix, dont le Media Award de l'American Institute of Biological Sciences. Elle contribue régulièrement à Yale e360 et est actuellement chercheuse associée à l'émission scientifique PBS NOVA. En savoir plus sur Diane Toomey →

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