L'urgence climatique et les défis de l'humanité
Dans un contexte d'urgence climatique, l'humanité est confrontée à deux grands défis : l'obtention d'eau potable et le stockage de l'énergie renouvelable. Traditionnellement, ces défis ont été abordés séparément par la désalinisation par osmose inverse pour produire de l'eau potable et l'utilisation de batteries pour stocker l'énergie. Cependant, la combinaison des deux solutions pourrait représenter un progrès significatif dans la transition énergétique. Une technologie émergente qui promet d'intégrer ces solutions est la désalinisation par flux redox (RFD), un domaine dans lequel l'Université de New York a récemment réalisé des avancées considérables.
Qu'est-ce que les batteries à flux redox ?
Pour comprendre la désalinisation par flux redox, il est important de d'abord connaître le concept des batteries redox. Ces batteries stockent l'énergie dans des solutions liquides appelées électrolytes, qui contiennent des composés chimiques capables de passer d'un état oxydé à réduit et inversement. Pendant le fonctionnement, deux types d'électrolytes sont pompés depuis des réservoirs séparés à travers une cellule électrochimique centrale. Dans cette cellule, les électrolytes interagissent à travers une membrane d'échange d'ions, générant de l'électricité qui peut être utilisée ou stockée. Les batteries redox sont particulièrement utiles pour le stockage d'énergie renouvelable en raison de leur capacité à supporter de nombreux cycles de charge et de décharge sans se dégrader de manière significative.
Schéma pour un RFD à quatre canaux en mode à une étape avec une A/A*, représentant les réactions électrochimiques des espèces redox dissoutes dans des solutions de sels conducteurs et des canaux séparés par une membrane d'échange cationique (CEM) et une membrane d'échange anionique (AEM).
La nouvelle génération de batteries redox désalinisatrices
La désalinisation par flux redox (RFD) est une technique innovante qui combine la désalinisation de l'eau et le stockage de l'énergie en un seul système. Au lieu d'utiliser des méthodes traditionnelles, le RFD fait circuler des solutions de sel et des agents redox à travers des cellules électrochimiques. Les membranes d'échange d'ions permettent le transfert sélectif des ions, extrayant le sel de l'eau de mer et produisant de l'eau douce. En plus de produire de l'eau potable, le processus RFD permet de stocker l'énergie excédentaire des sources renouvelables dans les molécules redox, qui peut ensuite être libérée lorsque nécessaire, fonctionnant comme une batterie.
Avancées à l'Université de New York
Des chercheurs de l'École d'Ingénierie Tandon de l'Université de New York ont réalisé un progrès significatif dans la désalinisation par flux redox (RFD), une technique électrochimique émergente qui non seulement convertit l'eau de mer en eau potable, mais stocke également l'énergie renouvelable de manière rentable.
Dans une étude publiée dans Cell Reports Physical Science, l'équipe de NYU Tandon, dirigée par le Dr André Taylor, professeur de génie chimique et biomoléculaire et directeur de DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), a augmenté l'efficacité du système RFD. Ils ont optimisé les taux de flux de fluides, augmentant le taux d'élimination du sel d'environ 20 % tout en réduisant simultanément la consommation d'énergie.
Le système RFD développé par NYU utilise une structure de quatre canaux séparés par des membranes d'échange d'ions (IEM). Augmenter la vitesse de flux dans les canaux d'électrolyte réduit la résistance à l'interface électrolyte-membrane, améliorant ainsi considérablement l'élimination du sel et l'efficacité énergétique. Par exemple, augmenter la vitesse de flux de 5 à 50 mL/min a permis d'augmenter la taux d'élimination du sel par 16,7 fois et de réduire la consommation d'énergie.
Schema del sistema di desalinizzazione a flusso redox a 4 canali del professor Taylor, interpretato dall'IA Dall-E.
Caractéristiques du système RFD
Le système de désalinisation par flux redox (RFD) présente plusieurs avantages :
Pour comprendre la désalinisation par flux redox, il est important de d'abord connaître le concept des batteries redox. Ces batteries stockent l'énergie dans des solutions liquides appelées électrolytes, qui contiennent des composés chimiques capables de passer d'un état oxydé à réduit et inversement. Pendant le fonctionnement, deux types d'électrolytes sont pompés depuis des réservoirs séparés à travers une cellule électrochimique centrale. Dans cette cellule, les électrolytes interagissent à travers une membrane d'échange d'ions, générant de l'électricité qui peut être utilisée ou stockée. Les batteries redox sont particulièrement utiles pour le stockage d'énergie renouvelable en raison de leur capacité à supporter de nombreux cycles de charge et de décharge sans se dégrader de manière significative.
Schéma pour un RFD à quatre canaux en mode à une étape avec une A/A*, représentant les réactions électrochimiques des espèces redox dissoutes dans des solutions de sels conducteurs et des canaux séparés par une membrane d'échange cationique (CEM) et une membrane d'échange anionique (AEM).
La nouvelle génération de batteries redox désalinisatrices
La désalinisation par flux redox (RFD) est une technique innovante qui combine la désalinisation de l'eau et le stockage de l'énergie en un seul système. Au lieu d'utiliser des méthodes traditionnelles, le RFD fait circuler des solutions de sel et des agents redox à travers des cellules électrochimiques. Les membranes d'échange d'ions permettent le transfert sélectif des ions, extrayant le sel de l'eau de mer et produisant de l'eau douce. En plus de produire de l'eau potable, le processus RFD permet de stocker l'énergie excédentaire des sources renouvelables dans les molécules redox, qui peut ensuite être libérée lorsque nécessaire, fonctionnant comme une batterie.
Avancées à l'Université de New York
Des chercheurs de l'École d'Ingénierie Tandon de l'Université de New York ont réalisé un progrès significatif dans la désalinisation par flux redox (RFD), une technique électrochimique émergente qui non seulement convertit l'eau de mer en eau potable, mais stocke également l'énergie renouvelable de manière rentable.
Dans une étude publiée dans Cell Reports Physical Science, l'équipe de NYU Tandon, dirigée par le Dr André Taylor, professeur de génie chimique et biomoléculaire et directeur de DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), a augmenté l'efficacité du système RFD. Ils ont optimisé les taux de flux de fluides, augmentant le taux d'élimination du sel d'environ 20 % tout en réduisant simultanément la consommation d'énergie.
Le système RFD développé par NYU utilise une structure de quatre canaux séparés par des membranes d'échange d'ions (IEM). Augmenter la vitesse de flux dans les canaux d'électrolyte réduit la résistance à l'interface électrolyte-membrane, améliorant ainsi considérablement l'élimination du sel et l'efficacité énergétique. Par exemple, augmenter la vitesse de flux de 5 à 50 mL/min a permis d'augmenter la taux d'élimination du sel par 16,7 fois et de réduire la consommation d'énergie.
Schema del sistema di desalinizzazione a flusso redox a 4 canali del professor Taylor, interpretato dall'IA Dall-E.
Caractéristiques du système RFD
Le système de désalinisation par flux redox (RFD) présente plusieurs avantages :
- Scalabilité et flexibilité : Le système offre une approche évolutive pour le stockage d'énergie, permettant une utilisation efficace des sources renouvelables intermittentes telles que l'énergie solaire et éolienne.
- Réduction de la dépendance aux réseaux conventionnels : RFD peut diminuer la dépendance aux réseaux électriques conventionnels et favoriser la transition vers un processus de désalinisation neutre en carbone.
- Amélioration de l'efficacité du système : L'intégration des batteries à flux redox avec les technologies de désalinisation améliore l'efficacité et la fiabilité du système.
Fonctionnement du système
Le processus RFD implique la division de l'eau de mer entrante en deux flux : le flux de salinisation et le flux de désalinisation. De plus, deux canaux contiennent l'électrolyte et la molécule redox, séparés par une membrane d'échange cationique (CEM) ou une membrane d'échange anionique (AEM). Dans une opération inverse, où la saumure et l'eau douce se mélangent, l'énergie chimique stockée est convertie en électricité renouvelable.
Applications et potentiel
Le système RFD peut servir de "batterie" unique, capturant l'énergie excédentaire des sources solaires et éoliennes pour la libérer à la demande. Cette dualité démontre son potentiel non seulement en désalinisation, mais aussi comme une contribution innovante aux solutions d'énergie renouvelable.
Collaboration et reconnaissances
Le succès de ce projet est largement attribué à Stephen Akwei Maclean, premier auteur de l'article et doctorant en génie chimique et biomoléculaire à NYU Tandon. Maclean a conçu l'architecture du système en utilisant une technologie avancée d'impression 3D dans l'espace Maker de NYU.
L'équipe de chercheurs de NYU Tandon comprend Syed Raza, Hang Wang, Chiamaka Igbomezie, Jamin Liu, Nathan Makowski, Yuanyuan Ma, Yaxin Shen et Jason A. Röhrl. En outre, Guo-Ming Weng de l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine a collaboré en tant que membre crucial de l'équipe.
Implications futures
Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les découvertes de l'équipe de NYU Tandon suggèrent une voie prometteuse vers un processus RFD plus rentable. Cette avancée est cruciale dans la recherche mondiale d'eau potable, particulièrement dans un contexte de changement climatique et de croissance démographique.
Ce travail s'inscrit dans la mission de DC-MUSE, une initiative de collaboration établie à NYU Tandon pour faire avancer les recherches visant à réduire l'impact environnemental des processus chimiques par l'utilisation d'énergie renouvelable.
Publications et réalisations
Cette réalisation marque la 100e publication du Laboratoire des Matériaux et Dispositifs Transformateurs de Taylor, établi à l'origine à Yale en 2008 et transféré à NYU Tandon en 2018. Le laboratoire se concentre sur le développement de matériaux et dispositifs innovants pour la conversion et le stockage d'énergie, reflétant l'engagement durable de Taylor envers la recherche transformative dans le domaine.
Pour plus d'informations sur cette recherche et d'autres projets innovants de NYU Tandon, visitez le site de l'École d'Ingénierie de NYU Tandon.
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