Eau potable: un bon verre de rosée

L'air peut contenir plus ou moins d'eau sous forme vapeur selon sa température et sa pression. Ainsi, un air chaud "tolère" une plus grande quantité de vapeur d'eau qu'un air froid.

Lorsqu'un air se refroidit, il peut atteindre une température à partir de laquelle il ne peut plus tolérer la quantité de vapeur d'eau qu'il contient. L'air est alors saturé en eau et atteint une température dite du "point de rosée". Par exemple, avec un air à 20° et d'humidité relative de 50%, la température de rosée est de 10°. A partir de ce seuil, l'eau en surplus condense et se retrouve sous forme liquide.

Diagramme de l'air humide Source : www.wallonie.be

Carte du point de rosée en Europe le 30 mai 2007 à 15h20
Source : www.alertes-meteo.com

En refroidissant la vapeur d'eau, on diminue en effet l'agitation des molécules : elles se condensent et se rassemblent en gouttelettes d'eau. Si on met un substrat, c'est-à-dire une surface ou une petite particule dans une vapeur qui a tendance à se transformer en eau, on va favoriser cette condensation.

Le brouillard et la rosée sont les manifestations de ce phénomène. Ainsi, la rosée se dépose sur n'importe quel type d'objet dès lors que sa température est inférieure de quelques degrés à celle de l'air ambiant. La nuit, il suffit alors que l'air soit un peu humide et que le ciel soit raisonnablement dégagé. Les calculs théoriques montrent que la quantité d'eau ainsi produite ne peut pas excéder un litre par mètre carré et par nuit.⁴

Les gouttelettes de rosée s'organisent selon un ordre particulier. A leur naissance sur une surface, elles sont de très petite taille (quelques millionièmes de millimètres). Elles grossissent peu à peu en agglomérant les molécules de vapeur autour d'elles.

En augmentant de taille, elles vont se toucher et fusionner. Ce phénomène est qualifié de coalescence. Elles forment alors une nouvelle goutte, plus grosse, de même forme, mais qui occupe moins de place que les gouttes avant fusion. Le support reste ainsi sec sur presque la moitié de sa surface.⁵

Différentes techniques permettent de recueillir, avec plus ou moins de succès, la rosée.


Les condenseurs aériens massifs

Les recherches du début du vingtième siècle se sont portées sur les condenseurs aériens massifs. Systèmes passifs, ils consistent en des empilements perméables de pierres. Ces dernières se refroidissent au cours de la nuit et leur masse leur permet de conserver la fraîcheur au cours de la journée. L'air extérieur contenant la vapeur d'eau pénètre à l'intérieur des tas, s'y refroidit et atteint le point de rosée, provoquant la transformation d'une partie de la vapeur en eau liquide.

Ces condenseurs sont très peu rentables car leur masse est trop importante pour permettre un refroidissement efficace. En fait, le gigantisme des condenseurs de rosée leur confère une grande inertie thermique. La température du condenseur se calque alors quasiment sur la moyenne de température du lieu. La condensation ne se fait alors que rarement, lorsque les écarts de température sont très importants

Les condenseurs aériens radiatifs

Le condenseur de rosée "idéal" est donc à l'opposé des recherches du début du vingtième siècle. En effet, le rendement chute fortement lorsque le rapport masse/surface de contact s'élève. Au contraire des masses en pierres, le condenseur doit être léger pour se rafraîchir rapidement la nuit. Ce refroidissement est possible grâce aux échanges radiatifs. Ces derniers (pour simplifier) sont doubles : le rayonnement solaire frappe le matériau, ce qui le chauffe, et le matériau émet des infrarouges, ce qui le refroidit. Le jour, le chauffage direct ou indirect du soleil l'emporte sur le refroidissement. La nuit, le substrat cède sa chaleur à l'espace interstellaire et se refroidit. La vapeur d'eau peut alors se condenser à sa surface.

Pour amplifier ce phénomène, les chercheurs ont mis au point un matériau composé de micro billes d'oxyde de titane et de sulfate de baryum. Il émet naturellement des radiations infrarouges, ce qui permet d'abaisser la température du support. Cette perte n'est pas suffisante pour compenser, en plein jour, l'énergie amenée par les rayons du soleil, mais, la nuit, elle permet au support d'être plus froid que l'air ambiant. Ce produit permet d'abaisser la température de l'ordre de 4 à 10 degrés.⁶

Le point de rosée peut même être atteint dès le coucher du soleil, alors que ce phénomène n'apparaît normalement qu'au milieu ou en fin de nuit.

Ce produit est incorporable dans des peintures ou des films plastiques de polyéthylène, blancs ou translucides, appelés "foils". Un anti-UV est ajouté au matériau pour éviter sa dégradation ainsi que des molécules de savon alimentaire pour favoriser l'écoulement de l'eau.

En Europe, les feuilles radiatives coûtent autour de 2 euros le mètre carré, contre 0,4 en Inde. Les peintures sont un peu plus chères, mais plus faciles à mettre en oeuvre.⁶

Une inclinaison de 30°, voire un support en cône inversé, permet de recueillir jusqu'à 40% d'eau en plus. Un isolant thermique peut être ajouté sous le film (plaques de polystyrène, fibre de verre ou même de la paille) pour compléter le dispositif.⁷

Plusieurs conditions peuvent limiter le rendement des condenseurs. Les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère comme le gaz carbonique et la vapeur d'eau limitent le refroidissement infrarouge, qui peut même s'annuler quand la couverture nuageuse est dense. De plus, le taux d'humidité de l'air doit être supérieur à 70% et l'installation ne doit pas être perturbée par un vent fort.

Les condenseurs à eau de mer

L'échangeur peut éventuellement être refroidi par de l'eau de mer pompée en profondeur, typiquement à 500m à une température de 4,5°. ⁸

Un courant d'air est envoyé sur le support ainsi refroidit pour permettre la condensation. L'inconvénient de ces systèmes est leur fort besoin en énergie pour les pompes et les ventilateurs.

L'absorption-désorption sur dessicants

Le phénomène de condensation peut avoir lieu par l'intermédiaire de dessicants (aérogels de silice, zéolithes) qui ont la particularité d'absorber à température ambiante l'eau de l'atmosphère. La vapeur d'eau peut alors être récupérée par condensation à température ordinaire. Récupérer l'eau absorbée demande cependant une énergie considérable : les dessicants doivent être chauffés à 150-300° pour être régénérés.⁹

Des systèmes profitent de l'ensoleillement pour éviter ces dépenses énergétiques. De l'air est ventilé, de nuit, sur un lit de dessicants qui absorbe la vapeur d'eau. Durant le jour, l'enceinte est fermée et la température augmente par effet de serre. La vapeur d'eau est alors partiellement désorbée et se condense sur une surface froide où elle peut être récupérée. L'énergie nécessaire n'est plus alors que celle des installations annexes (ventilateurs...)..

Le brouillard est plus facile à capter que la rosée, car il est composé de gouttelettes d'eau liquide en suspension, condensée sur de petites particules (des poussières par exemple). Il apparaît cependant moins fréquemment que la rosée.

Cette technique est envisageable dans les déserts côtiers de l'ouest de l'Afrique (Namibie) et de l'Amérique du sud (Chili, Pérou) principalement. L'humidité venant de l'océan s'y condense en effet sous forme de brouillard sur les montagnes de moyenne altitude (à partir de 500m) durant la plus grande partie de l'année.

L'eau contenue dans les brouillards peut être recueillie grâce à des collecteurs fabriqués avec des filets en polypropylène, tendus entre des poteaux. Au passage de la brume, les gouttelettes d'eau se forment sur les mailles du filet et tombent ensuite dans des gouttières qui alimentent un réservoir.

Au nord du Chili, de tels filets permettent d'alimenter en eau un village de pêcheurs. Chacun des collecteurs est composé d'un grillage plastique d'une cinquantaine de mètres carrés, installé verticalement. Malgré les années sèches, ces installations ont donné en moyenne 11 000 litres d'eau par jour.¹⁰