Stockage thermique avec un PCM de température moyenne pour améliorer les performances d’un distillateur solaire dans les conditions chaudes égyptiennes

Transformer la lumière du soleil en eau potable sûre

Le monde manque d’eau potable au moment où de nombreuses régions ensoleillées, de l’Afrique du Nord au Moyen‑Orient, disposent d’une énergie solaire largement inutilisée. Cette étude examine comment convertir cette lumière abondante en eau potable de façon plus efficace à l’aide de « distillateurs solaires » simples de la taille d’un toit. En ajoutant des matériaux spéciaux de stockage de chaleur et, dans une version plus avancée, une boucle d’eau chaude, les chercheurs montrent comment un dispositif de faible technologie peut produire beaucoup plus d’eau douce à partir d’eaux salées ou saumâtres tout en réduisant les coûts et l’impact climatique.

Pourquoi l’eau propre issue du soleil est importante

Des milliards de personnes n’ont pas un accès fiable à de l’eau potable, et les usines de dessalement traditionnelles sont coûteuses, énergivores et souvent dépendantes des combustibles fossiles. Les distillateurs solaires offrent une alternative plus douce : on remplit peu profondément un bassin sombre d’eau salée, on le recouvre d’un couvercle transparent, et le soleil entraîne l’évaporation. La vapeur se condense sur la face interne du couvercle et dégoutte dans un canal de collecte sous forme d’eau douce. Ces dispositifs sont simples et robustes, mais un inconvénient majeur les limite : en conditions extérieures réelles, un distillateur solaire standard ne produit généralement que quelques litres d’eau par mètre carré et par jour, et cesse de fonctionner peu après le coucher du soleil.

Stocker la chaleur du jour pour travailler la nuit

Pour prolonger la journée de fonctionnement d’un distillateur solaire, l’équipe s’est tournée vers les matériaux à changement de phase, ou PCM. Ces substances absorbent de grandes quantités de chaleur en fondant et la restituent lentement en se solidifiant, un peu à l’inverse d’un pack réfrigérant. Les chercheurs ont choisi un PCM commercial à base de sel qui fond à environ 48 °C, une température couramment atteinte à l’intérieur des distillateurs solaires durant les étés chauds égyptiens. Ils ont installé des modules de PCM gainés de métal sous le bassin d’un distillateur afin que, pendant l’ensoleillement, le matériau emmagasine silencieusement la chaleur et la restitue à l’eau après le coucher du soleil, maintenant ainsi l’évaporation plus longtemps dans la soirée.

Tester trois voies pour produire plus d’eau douce

En extérieur, à la ville de 10th of Ramadan en Égypte, l’équipe a fait fonctionner trois distillateurs presque identiques côte à côte : un modèle de base, une version avec PCM sous le bassin, et une conception hybride combinant PCM et une boucle d’eau domestique chaude avec échangeurs de chaleur. Ils ont varié systématiquement la masse de PCM ajoutée et enregistré avec précision le rayonnement solaire, les températures et le volume d’eau distillée. Pour le distillateur uniquement équipé de PCM, ils ont trouvé un point optimal à 2,5 kilogrammes de PCM. À cette charge, le bassin est resté de 6 à 10 °C plus chaud que l’unité conventionnelle pendant une grande partie de la journée, surtout en fin d’après‑midi et en début de nuit, et le distillateur a produit environ 2,48 litres d’eau douce par mètre carré et par jour — soit environ 74 % de plus que le modèle de base.

Des gains d’efficacité aux bénéfices économiques et climatiques

Le bassin plus chaud et la période d’évaporation prolongée se sont traduits par une meilleure utilisation de l’énergie solaire entrante. Le distillateur optimisé assisté par PCM a atteint une efficacité énergétique proche de 25 % et une efficacité d’exergie (ou « travail utile ») d’environ 7 %, toutes deux sensiblement supérieures à de nombreuses conceptions antérieures. Parce que la chaleur supplémentaire provenait du soleil stocké plutôt que d’un carburant ou d’une électricité additionnels, le coût par litre d’eau a en réalité diminué malgré le matériau supplémentaire. Selon les hypothèses de l’étude, le prix par litre est passé d’environ 6,8 cents pour le distillateur de base à 3,1 cents pour la version enrichie en PCM. Sur une durée de vie de dix ans, la conception améliorée pourrait également éviter plus de 40 tonnes d’émissions de dioxyde de carbone comparée à une alternative alimentée par des combustibles fossiles de rendement similaire.

Aller plus loin avec une boucle d’eau chaude hybride

Le système hybride a fait un pas supplémentaire en faisant circuler de l’eau domestique chaude dans des échangeurs à l’intérieur du distillateur, au‑dessus de la couche de PCM. Cette source de chaleur supplémentaire a maintenu le bassin encore plus chaud en fin de journée et a permis d’utiliser efficacement une masse de PCM légèrement plus importante (environ 3 kilogrammes). Dans le meilleur des cas, la production d’eau douce a augmenté de plus de 50 % par rapport au PCM seul et a plus que doublé par rapport au distillateur conventionnel. Cependant, cette complexité et ce coût initial supplémentaires rendent la rentabilité très dépendante de la manière dont cette eau chaude est produite dans des contextes réels.

Ce que cela signifie pour les régions ensoleillées en manque d’eau

Pour les communautés dans les climats chauds et ensoleillés disposant d’une infrastructure limitée, l’étude montre que des matériaux de stockage de chaleur soigneusement choisis peuvent transformer un distillateur solaire modeste en une source d’eau douce bien plus performante. Une conception relativement simple enrichie en PCM, utilisant un matériau de température moyenne déjà disponible dans le commerce, peut fournir beaucoup plus d’eau chaque jour à un coût inférieur et avec des réductions de gaz à effet de serre significatives. Bien que les expériences n’aient couvert qu’une courte période estivale et que des tests à plus long terme, en différentes saisons et lieux, restent nécessaires, les résultats indiquent des options pratiques et extensibles de dessalement solaire susceptibles d’atténuer le stress hydrique en Égypte et dans des régions similaires.

Citation: Elsayed, M., Mansour, M.S., Yahya, H. et al. Thermal buffering with medium-temperature PCM for enhanced solar still performance in hot Egyptian conditions. Sci Rep 16, 12733 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47006-7

Mots-clés: dessalement solaire, alambic solaire, matériau à changement de phase, stockage d’énergie thermique, eau potable