Condensation de vapeur d’eau atmosphérique (rosée)

Participants: D. Beysens, V. Nikolayev (SBT et ESPCI); Collaborations: M. Muselli, O. Clus (Université de Corse), I. Melnytchouk (societé Arcofluid)

Cette activité s’est effectuée principalement avec l’UMR CNRS-Université d’Ajaccio 6134, l’Association OPUR, l’Institut hydro-météorologique de Croatie, l’Université de Polynésie Française et l’Indian Institute of Management dans le Gujarat. Vu l’intérêt de cette technique comme source d’eau alternative, elle a fait l’objet de nombreuses interventions dans les médias, notamment une exposition fin 2005 au Palais de la découverte.

La rosée est une condensation passive de vapeur d’eau atmosphérique sous l’influence du refroidissement radiatif. L’objectif de cette étude est de tenter de tirer profit des connaissances obtenues sur les transitions de phases en surface pour améliorer le rendement de cette ressource en eau [8].  La présence dans l’atmosphère des gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4) fait que le refroidissement radiatif n’est efficace que dans la fenêtre atmosphérique 8-16 µm (sky window). Le rendement ne peut ainsi excéder 0.8 L/m2, une valeur déterminée par le bilan net en énergie, de l’ordre de 50-150 W/m2 .

Les recherches dans cette période se sont consacrées à (1) Déterminer le meilleur angle du support de condensation, un compromis entre une surface de condensation horizontale, qui permet un refroidissement radiatif  maximum, et un arrangement vertical, qui augmente la collection d’eau par gravité. Ce « meilleur » angle est de l’ordre de 30° par rapport avec l’horizontale [1,3,4,7,10,11]. (2) A condenser et collecter le maximum d’eau par un revêtement de surface adéquat. Un brevet a été pris pour une matrice polymère (film, peinture) permettant une forte émissivité dans la « sky window », un mouillage parfait de l’eau permettant la nucléation d’eau dès que la température du point de rosée est atteinte et une récupération quasi-totale de l’eau condensée pour l’angle de 30° [14]. (3) A estimer la qualité chimique de l’eau. Les mesures ont montré que l’eau était peu minéralisée et potable et mis en évidence le rôle important joué par la rosée pour transformer la nuit les dérivés nitrés (Nox) en nitrites [5,6,12]. (3) A diminuer le réchauffement par le vent ambiant. Une simulation numérique 3D par CFD (Computational Fluid Dynamics, code Phoenics) a été mise au point ; elle permet, dans des conditions standards (air  à  15°C et 80% d’humidité relative), d’évaluer le refroidissement d’une structure et son efficacité de condensation en fonction d’un vent atmosphérique imposé [11].

Un certain nombre de structures ont été évaluées (plan horizontal, plan incliné à 30° sur pilotis, au sol,  toit à deux pentes, cône creux, surface ondulée trapézoïdale au sol) et aussi testées en situation réelle. Les structures planes d’angle 30° donnent des résultats presque identiques au sol ou sur pilotis (tests à Ajaccio), le cône creux d’angle au sommet 120° donne les meilleurs résultats et 40% de rendement en eau de plus qu’un plan incliné de 30° par rapport à l’horizontal (tests à Ajaccio). Une petite maison a été testée dans l’ île de Biševo en Croatie [11], des hangars et une usine  de 850 m2 au sol faite d’une structure ondulée ont été essayées en Inde [10].

Parallèlement, des mesures de rendement de rosée ont été effectuées sur plusieurs sites pour corréler des paramètres météorologiques simples et disponibles dans le monde entier et permettre de prédire le rendement potentiel d’un site [2, 10] ; cette étude, qui permettra à terme de mailler le globe est toujours en cours.  Elle est le dernier élément d’un ensemble d’outils [9] permettant (i) de prédire le rendement en eau d’un site donné et (2) de construire une structure adaptée au site considéré. L’eau de rosée deviendra ainsi une véritable ressource en eau [13].

 

Figure 1: Condenseurs réels (haut) et virtuels (bas) étudiés par CFD. (a) plaque de PTFE de 0,4 x 0,4 m² isolée dans un boîtier (balance électronique de mesure). (b) condenseur « standard » de 1 m² incliné de 30° par rapport à l’horizontale, (c) condenseur de 3 x 10 m² et incliné de 30°. (d) condenseur conique de 7,32 m² avec un angle d’ouverture du cône de 120°. (e-e’) 3 rangées de condenseur « tranchée » de forme trapézoïdale (sommet et fond de 50 cm, deux faces de 100 cm inclinées à 30°, hauteur 50 cm, longueur 33 m sur une pente de 15°, dans le Gujarat (NW de l’Inde).

Figure 2: Toit de 15 m équipé en avril 2005 sur la petite île de Bisevo en mer Dalmate (Croatie) pour déterminer la fraction de rosée récupérée par rapport aux précipitations. Les premiers résultats cumulés (pluie en bleu et rosée en rouge, saison 2006) montrent la part importante de l’eau de rosée dans le bilan. Les données sont télémétrées par GSM. (Collaboration avec OPUR (www.opur.u-bordeaux.fr ) et l’Institut Hydrométéorologique de Croatie).

Références

1. D. Beysens, M. Muselli, I. Milimouk, C. Ohayon, S. Berkowicz, E. Soyeux, M. Mileta, P. Ortega, “Passive Radiative Condensers to Extract Water from Air”, Bull. of the Croatian Meteorological Society,  Hrvatski meteorološki časopis 39, 59-69 (2004)

2. D. Beysens, M. Muselli, V. Nikolayev, R. Narhe , I. Milimouk, Measurement and Modelling of Dew in Island, Coastal and Alpine Areas, Atmospheric Research 73, 1– 22 (2005)

3. M. Muselli, D. Beysens, I. Milimouk " A comparative study of two large radiative dew water condensers", Journal of Arid Environments 64 (2006) 54–76

4. D. Beysens, I. Milimouk, V. Nikolayev, S. Berkowicz, M. Muselli, B. Heusinkveld & A.F.G. Jacobs, “Comment on “The moisture from the air as water resource in arid region : hopes, doubt and facts” by Kogan & Trachtman”, J. of Arid Env 67, Pages 343-352 (2006)

5. M. Muselli, D. Beysens, E. Soyeux, “Is dew water potable? Chemical and biological analyses of dew water in Ajaccio (Corsica island, France), Journal of Environmental Quality 35: 1812-1817 (2006).

6. D. Beysens, C. Ohayon, M. Muselli, O. Clus, “Chemical and biological characteristics of dew and rain water in an urban coastal area (Bordeaux, France)”, Atmospheric Environment 40 3710–3723 (2006)

7. D. Beysens, M. Muselli, I. Milimouk, C. Ohayon, S. Berkowicz, E. Soyeux, M. Mileta, P. Ortega, Application of passive radiative cooling for dew condensation, Energy 31, 1967-1979 (2006)

8. D. Beysens, Dew nucleation and growth, C. R. Physique 7, 1082–1100 (2006).

9. D. Beysens, “Boire l’eau de la rosée du matin”, Revue de l’Association des Anciens Eleves de  l’ESPCI (2006)

10. G. Sharan, D. Beysens, I. Milimouk-Melnytchouk, “A Study of Dew Water Yields on Galvanized Iron Roof in Kothara (North-West India)” Journal of Arid Environments 69, 259-269 (2007).

11. D. Beysens, O. Clus, M. Mileta, I. Milimouk, M. Muselli and V.S. Nikolayev, “ Collecting dew as a water source on small islands: the dew equipment for water project in Biševo (Croatia)” Energy 32 , pp. 1032-1037 (2007)

12. Karin Acker, Daniel Beysens, Detlev Möller, “Nitrite in dew, fog, cloud and rain water - indicator for heterogeneous processes on surfaces“ (submitted to Atm. Res., 2007)

13. I. Mylymuk, D. Beysens,  A la Poursuite des Fontaines Aériennes ou Les Incroyables Aventures de Français en Ukraine, livre (Book-eBook, Sofia-Antipolis, 2005)

14. Dépot d’un brevet "Utilisation d’une composition comprenant une matrice polymère pour le refroidissement radiatif naturel et la condensation d’eau", D. Beysens, O.Clus, M. Muselli (dépot le 13/6/2007)

 

Maj : 03/09/2010 (432)

 

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