Production distillation solaire Version olympiades

DistillaSun_Vaucanson_CGénial_2016 Page 1 sur 20

Année 2015-2017

« Distilla’Sun » ou

Comment distiller des eaux florales avec l’énergie solaire ?

Un projet Solidaire, Durable et Sociétal

Waldan GIRARD et Rohan NOWAK - Ourazazate – 07/05/2 016


SOMMAIRE Page Sommaire 2 Introduction 3 Résumé 3 A- Comment distiller avec l’énergie solaire ? 4

1) Mimétisme entre méthode traditionnelle et méthode solaire 4 2) Le choix d’une parabole 6

a) Puissance apportée par un brûleur à gaz 6 b) Puissance apportée par une parabole 6

B - Les eaux florales sont-elles comparables à celles obtenues par une méthode traditionnelle ?

10

1) Espèces chimiques attendues 10 2) Analyse quantitative par extraction par solvant 10 3) Analyse qualitative par CPG 11

C- Comment fabriquer un dispositif bon marché ? 12

1) Recyclage d’une parabole satellite 13 a) Le pavage d’une parabole satellite 13 b) Position du support 13

2) Construction d’une parabole 15 D- Optimisation du dispositif suite aux premiers essais et échanges avec des spécialistes

17

1) Conduit pour les vapeurs 17 2) Sortie des vapeurs 18 3) Refroidissement de l’eau 18

Conclusion et Perspectives 20


INTRODUCTION Les eaux florales obtenues par hydrodistillation sont très utilisées au Maroc tant pour l’eau de

fleur d’oranger en cuisine, l’eau de rose démaquillante ou encore l’eau de thym ou de romarin

pour leurs vertus curatives des affections respiratoires et digestives. Nos partenaires marocains

avec lesquels notre établissement entretient des liens depuis 2012, nous ont demandé d’étudier un

dispositif d’hydrodistillation utilisant l’énergie solaire limitant ainsi les rejets de gaz à effet de

serre et le rendant accessible financièrement au plus grand nombre.

Dans un premier temps, nous avons dû, par mimétisme, réfléchir à un dispositif permettant de

distiller, optimisant le fonctionnement et le coût. Dans un second temps, nous avons dû vérifier

que les eaux obtenues étaient proches tant en quantité qu’en qualité de celles recueillies par une

méthode traditionnelle.

Lien vers notre site Internet : http://www.vaucanson.org/php5/Accueil/index.php/distilla-sun Lien vers notre vidéo de présentation : http://www.dailymotion.com/video/x3wsjky Lien vers le suivi de notre participation à la COP22 de Marrakech par France 3 – Centre Val de Loire : http://france3-regions.francetvinfo.fr/centre/indre-et-loire/tours/du-scolaire-au-solaire-1082209.html Lien ver notre page facebook : https://www.facebook.com/distillasun/

Résumé Les eaux parfumées obtenues par entraînement à la vapeur sont très utilisées au Maroc pour leurs

vertus culinaires, cosmétiques ou encore thérapeutiques. Nos partenaires marocains depuis 2012,

qui sont la Fondation Dar Bellarj et la Maison de la Photographie, nous ont demandé de mettre au

point un dispositif utilisant l’énergie solaire limitant ainsi les rejets de gaz à effet de serre et le

rendant accessible financièrement au plus grand nombre pour raviver cette tradition ancestrale.

Nous avons dû tout d’abord, par mimétisme, réfléchir à un dispositif permettant de distiller,

optimisant au fur et à mesure, tant le fonctionnement que le coût. D’autre part, nous avons dû nous

assurer que les eaux obtenues étaient proches tant en quantité qu’en qualité à celles recueillies par

une méthode traditionnelle. La promotion de notre dispositif est dores et déjà engagée : nous

avons distillé aux côtés des artisans à l’occasion de la Fête de la fleur d’oranger à Marrakech les

26 et 27 mars et rencontré des associations et professionnels en aval du Festival de la rose à Kalaa

N’Gouma les 7 et 8 mai. Suite à ces deux déplacements nous avons été invités à participer à la

COP 22 qui s’est déroulé à Marrakech en novembre 2016.


A- Comment distiller à l’aide de l’énergie solaire ? 1) Mimétisme entre méthode traditionnelle et méthode solaire

Du 18 au 20 novembre 2015, nous nous sommes rendus à Marrakech pour rencontrer artisans et femmes de la Médina qui distillent des eaux florales. Nous avons constaté que cette tradition perdure dans les certaines familles et que des artisans vendent leurs produits dans le souk. Nous avons récolté bon nombre d’informations relatives aux secrets de procédés et aux ratios fleurs/eau utilisée/distillat obtenu. Le principe est simple et proche de celui que nous avons rencontré en cours de physique-chimie, appelé hydrodistillation : � De l’eau est portée à ébullition � Les vapeurs traversent les fleurs dont on souhaite extraire les huiles essentielles � Les huiles sont alors entraînées par les vapeurs d’eau dans lesquelles elles sont totalement

solubles à l’état gazeux � Ces vapeurs sont liquéfiées dans un réfrigérant avec de l’eau froide � On récupère un distillat dans lequel il est parfois possible de distinguer nettement une phase

organique surnageant si les huiles sont très peu solubles dans l’eau à l’état liquide, comme nous avons pu le constater avec le romarin.

Conseils des « spécialistes » Marrakchis Choix de matériel Eviter les pertes de vapeur Dispositif étanche : Cocotte minute avec joint en bon état Apporter suffisamment de chaleur pour avoir un bon débit de vapeur

Source apportant une puissance la plus grande possible : « parabole solaire » concentrant les rayons lumineux sous la cocotte

Maintenir les plantes les plus sèches possibles

Peindre la cocotte totalement en noir pour qu’elle chauffe en totalité et pas simplement dessous

5L d’eau pour 1 kg de fleurs Dans une cocotte de 8L, seulement 2,5 L d’eau et 500 g de fleurs pour laisser un peu d’espace entre l’eau et les fleurs

Toutes les vapeurs doivent passer dans les plantes

Panier de même diamètre que celui de l’intérieur de la cocotte pour limiter les vapeurs ne traversant pas les plantes

Maintenir le distillat froid avec un linge humide : en effet leur système de refroidissement permet de liquéfier les vapeurs mais ne refroidit que peu le distillat

Préférer un réfrigérant plus important comme sur le doc. 1 pour que les eaux récupérées soient plus froides afin de limiter les pertes par évaporation, à défaut d’un véritable essencier trop onéreux.

Préférer un récipient en verre Bouteille en verre pour récupérer le distillat. Essai avec une bouteille en plastique : les huiles apolaires adhèrent au polyéthylène apolaire

Doc.1 : Hydrodistillation traditionnelle

�

�

�

�

�

Source : CIRAD Mayotte

Doc.2 : Dispositif utilisé au Maroc


$

Adaptation de la sortie existante pour flexible étanche

Utilisation des vis de la poignée pour maintenir le panier

Panier percé pour les fleurs, seul chemin possible pour les vapeurs

17.5 cm

3 cm

9,5 cm

25 cm

1.5L d’eau

Chaudière et cucurbite Cocotte minute de 8L recouverte d’une peinture noire haute température qui lui confère un coefficient d’absorption mesuré α=0,91. Peinte totalement en noire, pour pouvoir : - négliger son ombre sur la parabole car elle

capte directement les rayons ; - maintenir une température élevée dans la

cocotte dès le début de la chauffe et donc maintenir les plantes assez sèches.

Col de Cygne Tuyau flexible pour faciliter le suivi du Soleil

Foyer ou source de chaleur Paraboloïde de profondeur 24cm, et diamètre 1,50m qui conduit à une distance focale de 61cm confirmée par les mesures expérimentales avec une source à l’infini. - Recouvert d’un papier autocollant

réfléchissant de coefficient de réflexion mesuré R =0,90.

- Orientable horizontalement pour suivre l’azimut du soleil et verticalement pour suivre son inclinaison

Réfrigérant Bidon rempli d’eau avec serpentin en cuivre recuit pour sa malléabilité et sa très bonne conductivité thermique. - vapeurs liquéfiées sur

les deux premiers tours et distillat refroidi avant d’être récupéré pour limiter les pertes par évaporation ;

- tuyau de vidanges remontant à la moitié du bidon pour évacuer l’eau chaude

Doc.3 : Dispositif de distillation solaire

Essencier Bouteille en verre pour récupérer le distillat


2) Le choix d’une parabole

La parabole plutôt que le four solaire s’est imposée lorsque nous avons vu à quelle vitesse l’artisan rencontré a porté l’eau à ébullition. Nos prédécesseurs avaient tenté d’adapter le four solaire à la distillation, mais avaient conclu que la puissance apportée à l’eau n’était pas suffisante pour permettre une ébullition rapide. En outre, le temps et le coût de fabrication de ce dispositif ne sont pas négligeables. Nous avons donc décidé de nous tourner vers la parabole solaire recyclant ainsi les paraboles satellite.

a) Puissance moyenne apportée par un brûleur à gaz

Nous avons évalué la puissance apportée à l’eau par un brûleur à gaz pour la comparer à une parabole solaire, l’objectif étant de choisir la dimension des paraboles à recycler, leur diamètre variant de 50cm à plus de 2m. Expérience : Mesure de la puissance apportée par un brûleur traditionnel

Protocole : - Introduire 6 L d’eau initialement à température ambiante dans la cocotte - Chauffer à l’aide du brûleur à pleine puissance - Mesurer le temps pour atteindre l’ébullition

Observations : L’eau bout en 17 min. On a donc : kWPeau 0,26017

)18100(18,46000 =×

−××=

Avec ceau = 4,18 J.g-1.K-1, la capacité calorifique massique de l’eau.

D’où kWPeau 0,26017

)18100(18,46000 =×

−××=

Conclusion : Cette puissance est grande, comparée à la constante solaire, soit le flux solaire au dessus de l’atmosphère qui est de 1361 W.m-2. Le flux solaire au sol sera nécessairement plus faible et donc, même avec un rendement de 100%, la parabole de plus grand diamètre possible semble s’imposer.

b) Puissance apportée par une parabole

La parabole solaire du commerce dont nous disposons à Tours comme à Marrakech, a un diamètre de 1,50m. Si pour le brûleur à gaz, la puissance apportée varie peu selon les expériences, pour la parabole, celle-ci sera fonction de l’ensoleillement. Nous allons donc chercher à déterminer le rendement du dispositif pour un ensoleillement donné en supposant qu’il soit indépendant de ce dernier.

Protocole : - Disposer la même cocotte minute contenant 6,0L d’eau sur le support central de la

parabole et la refermer tout en mesurant la température de l’eau - Orienter la parabole face au soleil selon l’horizontale et l’ajuster à la verticale pour que la

tache où convergent les rayons se trouve sous la cocotte - Mesurer l’inclinaison des rayons solaires par rapport à l’horizontal et celle de la cocotte - Mesurer le temps pour que l’eau entre en ébullition

Mesures du 21/01/2016 à 11h15 : ∆t = 52 min / θi= 20°C / θf = 100°C Inclinaison des rayons solaires αrayons=33° et Inclinaison de la parabole αpara=44°

kWWPeau 64,06436052

)20100(18,46000 ==×

−××=

Conclusion : La puissance apportée à l’eau par la parabole en janvier est donc considérablement plus faible qu’avec un brûleur à gaz. Ce n’est pas la période où les Marocains distillent leurs eaux florales, celle-ci s’étendant d’avril à juin, moment de floraison. Pour prévoir le temps de chauffe ou la puissance apportée à l’eau à cette époque, nous avons évalué le rendement du dispositif dans le cas présent.


A l’aide d’un site internet, nous avons pu récupérer le flux solaire Φ maximal au sol en fonction du jour de l’année. Le 21/01 à 12h00 il était de 681 W/m² avec une hauteur maximale du soleil de 38°. Remarquons que les rayons solaires n’arrivent pas sur la parabole parallèlement à son axe optique, mais inclinés de β=13° (β=90-αpara-αrayons). Ainsi la surface solaire récupérée sera diminuée, S’=Scosβ=0,97S. Nous perdons seulement 3%, mais ceci a permis au dispositif de gagner en stabilité comme nous le verrons par la suite.

Ainsi la puissance solaire collectée par la parabole est : βπβ cos²cos RSPsolaire Φ=Φ=

A.N. : 13cos2

50,1681

2

××= πsolaireP = 1172 W = 1,17 kW.

Nous avons précédemment vu que l’eau récupérait 0,64 kW. Le rendement du dispositif est donc de 55%. Où sont passés les 0,53 kW manquants ? Première hypothèse : La première hypothèse que nous ayons formulée fût sur le papier miroir : il absorbe une partie de la lumière qu’il reçoit. Ce coefficient d’absorption dépend aussi probablement de la longueur d’onde de la lumière utilisée. Expérience :

- Mesurer la puissance incidente d’un rayon laser HE-Ne (633 nm) - Mesurer la puissance réfléchie par le papier miroir pour différents angles

Conclusion : Le coefficient de réflexion R vaut 0.90 pour un angle de 10°.

Rayons parallèles à l’axe optique

Axe optique

Rayons lumineux

Parabole

Rayons inclinés de β par rapport à l’axe optique

Doc. 5 : Surface solaire récupérée selon l’inclinaison de la parabole

β

β

αrayons

αparabole

Axe optique

Source : https://ptaff.ca/soleil/

Doc 4 : Flux solaire maximal quotidien à Marrakech sur l’année


Conduction

Convectionnnnn

2de hypothèse : La cocotte n’absorbe pas la totalité de la lumière qu’elle reçoit même peinte en noir.

Expérience : Avec un radiomètre, nous avons mesuré son albédo, c'est-à-dire le pourcentage de lumière renvoyé par diffusion.

Conclusion : 9% (±1%) de la lumière est diffusé, donc la cocotte n’absorbe que (91±1)% de la lumière qu’elle reçoit, son coefficient d’absorption vaut α= 0,91. Donc, nous avons expliqué que quel que soit le flux incident sur la parabole, la puissance absorbée par la cocotte est Pabs = αRPsolaire = 0.82 Psolaire . Une perte de 18% s’explique donc mais pas de 49%. 3ème hypothèse : La cocotte qui s’échauffe va perdre de l’énergie par rayonnement mais aussi par convection et conduction car elle ne sera pas à la même température que son environnement. La figure ci-dessous résume tous les transferts de chaleur ayant lieu :

Connaissant ces différentes pertes, nous avons souhaité établir un modèle permettant d’évaluer le temps nécessaire pour atteindre l’ébullition d’un certain volume d’eau avec un ensoleillement donné. Nous ne prendrons pas en compte les pertes par conduction, même si probablement elles sont non négligeables sur le support de la cocotte. - Perte de chaleur due au rayonnement thermique : 4

cot.. tecoRAY sTσε=P

- ε est l’émissivité de l’acier inoxydable recouvert de noir. Avec l’hypothèse du corps noir, ε=α=0,91 - σ = 5,6696.10-8 est la constante de Boltzmann - Tcocotte est la température à la surface du métal (en K). - s est la surface de contact entre la cocotte et l’air (en m²). Remarquons que ces pertes dépendent de la température qui varie. - Perte de chaleur due à la convection naturelle : )Ths(T=P airtecoCONV −cot

- s est la surface d’échange entre l’air et la cocotte (en m²) - Tair est la température de l’air ambiant (en K) - h est le coefficient d’échange de surface de l’air. Il dépend de la température, la viscosité, la conductivité, la diffusivité, la masse volumique de l’air, etc. Dans notre cas, nous avons pris la valeur maximale de h (10 W/m².K) que nous avons trouvée sur internet de manière à ne pas minimiser les pertes. Une fois encore, ces pertes dépendent de la température de la cocotte qui varie. Ne considérant que ces pertes, la conservation de l’énergie s’écrit : Peau= PABS – (PRAY + PCONV)

)Ths(TεσsTSαR=dt

dTmc air

4eau −−−Φ βcos

Doc 6 : Transferts de chaleur au niveau de la cocotte


Nous obtenons une équation différentielle du premier ordre non linéaire. Nous l’avons résolue par la méthode d’Euler.

)(cos 41airii

iieau TThssTSR

dt

TTmc −−−Φ=−+ εσβα

ieau

airiii Tdt

mc

TThssTSRT +−−−Φ=+

)(cos 4

1

εσβα

Connaissant la température initiale de l’eau, nous pouvons petit à petit en choisissant un pas d’incrémentation peu important, remonter à la durée d’ébullition.

t (en s) t (en min) T ( en K) α 0.91 0 0.0 293 R 0.9 20 0.3 293.7 θ (en °) 13 40 0.7 294.4 D (en m) 1.5 60 1.0 295.1 d (en m) 0.25 80 1.3 295.8 H (en m) 0.175 100 1.7 296.5 S (en m²) 1.76625 120 2.0 297.1 s' (en m²) 0.2355 140 2.3 297.8 Text (en K) 293 160 2.7 298.5 dt (en s) 20 180 3.0 299.2 m (en g) 6000 200 3.3 299.9 h (W/m².K) 10 220 3.7 300.5 Φ (W/m²) 681 240 4.0 301.2 Pabs (en W) 960 …. …. ….

2880 48.0 373.3 Doc.7 : Estimation théorique du temps pour atteindre l’ébullition

En utilisant cette technique de résolution et nos hypothèses, nous avons trouvé que l’eau aurait dû bouillir en 48min et non 52min, soit un écart d’environ 8%. L’expérience ayant commencé vers 11h00, le flux n’était pas à son maximum comme le justifie la hauteur du soleil mesurée à 33° et non 38°, maximum théorique ce jour en question. Les pertes par conduction ont été négligées, celles par convection forcée (vent) aussi…Le modèle est donc perfectible. Ainsi, nous avons pu estimer de deux façons différentes le temps de chauffe de l’eau en partant d’une température voisine, soit 20°C pour nos prochains déplacements :

- soit en supposant que le rendement sera le même, soit 55%. Les pertes instantanées étant proportionnelles à la température de l’eau ou à sa puissance 4, et non au flux solaire, le rendement sera supérieur lorsque le flux solaire sera plus important.

- Soit en utilisant le modèle ci-dessus. -

Fin mars Début mai Flux solaire (W/m²) 990 1080 Puissance solaire (kW) 1,72 1,87 Puissance moyenne apportée à l’eau (kW)

0.95 1.03 (50% par

rapport brûleur à gaz) Temps de chauffe (min) de 2,5* L pour un rendement de 55%

9 8

Temps de chauffe de 1,5* L avec le modèle théorique 8 7

Temps de distillation pour 0,75* L (min)

29 27 * : volumes utilisés lors de nos distillations.


Calcul du temps de chauffe pour passer de 20 à 100°C : eau

ifeaueau

eau

eau

P

cm

P

Et

)( θθ −==∆

Calcul du temps de distillation : eau

vapeau

eau

onvaporisati

P

Lm

P

Et ==∆ avec Lvap,eau= 2257 J/g

Pour conclure, nous constatons qu’à la saison où cette parabole est censée servir, elle ne permet de concurrencer le gaz qu’à 50%. Ceci reste considérable car nous utilisons une énergie gratuite et sans aucun gaz à effet de serre B- Les eaux florales sont-elles comparables à celles obtenues par une méthode traditionnelle ? Lors de notre déplacement en janvier, nous avons réalisé plusieurs extractions avec à chaque fois les mêmes quantités de fleurs et d’eau. La seule variable a été le temps de distillation, la puissance apportée par le brûleur à gaz étant plus importante. Hydrodistillation du 21/01/16 à Marrakech : m =500g de romarin/Veau = 2,5 L d’eau/Vdistil= 75 cL.

1) Espèces chimiques attendues

Doc. 8 : Composition des huiles essentielles de romarin

Espèce chimique

Formule brute

Formule semi-développée

θfus(°C) θθθθeb(°C)

Solubilité dans l’eau

Huiles de romarin

du Maroc

Huiles de romarin

d’Espagne

Alpha-Pinène

C10H16

-65 / 156 9-14% 18-26%

1-8 Cinéol Eucalyptol

C10H18O

1,5 / 176 38-55% 16-25%

Camphre C10H16O

180 / 204 1,6 g/L 5-15% 13-21%

Bornéol C10H18O

208 Sublimation à

pression atmosphérique

1,5-5% 2-4,5%

2) Analyse quantitative et propriétés physiques

Choix du solvant d’extraction : Le solvant à retenir devait être non miscible à l’eau et le plus volatil possible pour limiter le chauffage lors de son élimination pour ne pas dénaturer les huiles essentielles. Nous avons retenu l’éther diéthylique dont la température d’ébullition est de 34,6°C à pression atmosphérique. Protocole : Extraction par solvant :

- Dans une ampoule à décanter, introduire les 750 mL d’eau parfumée obtenue - Y ajouter 100 mL d’éther


- Agiter tant qu’une surpression se produit - Extraire la phase aqueuse après décantation - Récupérer la phase éthérée dans un erlenmeyer - Renouveler l’extraction avec 100 mL d’éther sur la

phase aqueuse. Séchage de la phase éthérée :

- Ajouter du sulfate de magnésium anhydre tant que celui-ci prend en masse pour absorber l’eau contenue dans la phase éthérée

- Filtrer la phase éthérée dans un ballon à colle rodé préalablement taré.

Vaporisation du solvant : - A l’aide d’un évaporateur rotatif, vaporiser l’éther sans

trop chauffer, simplement en abaissant la pression. Descendre simplement à 750 mbars pour éviter toute perte de substances volatiles qui seraient présentes dans les huiles.

- Peser le ballon une fois tout l’éther vaporisé. - Mesurer la densité.

Résultats :

Type de distillation Matière

première (en g)

Volume d’eau (en L)

Volume d’hydro-distillat (en L)

Temps (en min)

Masse d’huiles obtenues

(en g)

Densité des

huiles

Indice de réfraction

Traditionnelle 0,75 L 30 6.9 0.91 1.467

Solaire 500 g de romarin

2,5 L 0,75 L 60 7,1 0.91 1.467

Conclusion : Les caractéristiques physiques mesurées sur les huiles extraites sont très proches voire non différentiables pour les deux techniques. D’autre part pour des quantités égales de plantes traitées et de distillats récupérés, les masses d’huiles extraites sont sensiblement les mêmes.

3) Analyse quantitative et composition chimique des huiles obtenues

L’analyse des huiles obtenues a été réalisée par chromatographie en phase gazeuse (CPG). - Le gaz vecteur est le dihydrogène - La phase stationnaire est un polymère « peu polaire »

Doc. 10 : Chromatogramme des huiles extraites avec la méthode traditionnelle

Doc. 9 : Extraction par solvant


Doc. 11 : Chromatogramme des huiles extraites avec la méthode solaire

Analyse des deux spectres (en rouge les principaux pics donc composants des huiles): Conclusion : La composition des deux huiles, l’une provenant d’une distillation traditionnelle, l’autre d’une distillation solaire, sont très proches. On peut même faire des suppositions quant à la nature des espèces correspondant aux différents pics sachant que les temps de rétentions en CPG, sont liés à la polarité des espèces et donc à leurs températures d’ébullition : plus la température d’ébullition est faible, moins le temps de rétention est élevé. Ainsi, nous avons supposé que les différents pics pouvaient correspondre :

- le premier pic à l’alphapinène qui bout à 156°C et dont le pourcentage attendu était de 9 à 14%

- le second à l’eucalyptol qui bout à 176°C avec un pourcentage attendu de 38 à 55% - Le troisième pic au camphre qui bout à 204°C, avec un pourcentage attendu de 5 à15%.

Nous avons pu obtenir au laboratoire, le camphre et l’eucalyptol. Leur chromatographie a confirmé que ce sont bien ces molécules que nous avions identifiées. Notons enfin, que ces pourcentages sont cohérents avec le romarin que l’on trouve au Maroc (confère tableau p.10).

C- Comment fabriquer un dispositif bon marché ?

Cette parabole achetée dans le commerce, représente un coût de 150€ frais de livraison compris, ce qui n’est pas cohérent avec l’un des critères de nos partenaires. Après une enquête sur les paraboles satellite les plus présentes sur Marrakech, nous avons constaté que les dimensions les plus fréquentes étaient soit 80cm soit 140cm de diamètre. Il est évident qu’un diamètre 80cm sera insuffisant par rapport à un de 140cm. Le flux solaire collecté par le premier sera 3 fois plus faible que pour le second.

²80

²140

²

'²'' ==ΦΦ=

R

R

S

S

E

E

ππ

= 3

Il faut donc prendre la parabole la plus grande possible.

Distillation traditionnelle Distillation solaire t (en min) % t (en min) %

4.741 8.8 4.801 11.8 5.028 2.8 5.086 3.5 5.496 2.5 5.552 2.7 5.644 1.3 5.697 1.3 6.258 1.9 6.313 1.8 6.421 50.1 6.483 51.3 7.422 1.7 7.47 1.1 8.248 19.7 8.303 16.5 8.601 4.6 8.652 3.4 8.913 4.6 8.964 3.3 12.09 2.1 12.113 1.6


1) Recyclage d’une parabole satellite

a) Le pavage de la parabole

Pour la recouvrir d’un matériau réfléchissant, il y a plusieurs possibilités : - utiliser du papier aluminium et de la colle, solution la moins onéreuse, mais probablement

la plus fragile. La surface réfléchissante serait très accidentée trop diffusante. - utiliser un papier miroir autocollant, solution simple mais plus coûteuse, que nous avons

adoptée. Notre premier problème a été qu’une parabole TV est loin d’être plane, ce qui fait aussi son intérêt. Nous avons cherché un moyen de la recouvrir en faisant un minimum de bulles. Sur le schéma ci-dessous, la distance SA est bien évidemment supérieure au rayon R. Nous avons décidé de décomposer la surface de la parabole en 16 secteurs afin de diminuer la présence de bulles d’air, la surface n’étant pas un disque. Sur le schéma du doc.13, est représentée en pointillé la portion de cercle de rayon R et d’angle α. En réalité, la portion de cercle que nous allons découper, devra avoir la même longueur d’arc, mais un rayon SA>R. Ainsi elle aura un angle β inférieur comme le montre le schéma.

Ainsi on a pour la longueur de l’arc l =R.α=SA.β d’où SA

R αβ .= avec α=2π/16 = π/8.

Doc. 12 : Vue de profil de la parabole et patron d’une pale de papier miroir à découper

Ainsi le triangle contenant cette portion de cercle aura une base BC à déterminer :

SA

BC

×=

22tan

βd’où

××=2

tan2β

SABC

××=SA

RSA

.16

.tan2

π

Lors de notre déplacement au mois de janvier, nos amis de la fondation Dar Bellarj avaient récupéré une parabole de grand diamètre soit 1,40m. Notre surprise a été de constater qu’elle n’avait pas un diamètre fixe mais compris entre 1,20m et 1,40m. Nous avons tout de même décidé de la paver en prenant le plus grand diamètre, soit 1,40m. b) Position du support Un miroir parabolique a pour intérêt de concentrer des rayons incidents parallèles entre eux en un point appelé foyer F si ceux-ci arrivent parallèlement à son axe optique.

Doc. 13 a) Réflexion des rayons parallèles et b) légèrement inclinés par rapport à l’axe optique

S

R A

S A

R

α

SA

β

AS

B

C

β


Si les rayons incidents ne sont pas parallèles à l’axe optique, ils ne convergent plus totalement en un point, mais on peut isoler une surface minimale où ces rayons réfléchis se concentrent. C’est cette situation qui s’impose puisque dans le dispositif, le support passe par le centre de la parabole. Pour la parabole solaire achetée dans le commerce, nous avons voulu déterminer la position de son foyer F par rapport à son sommet S pour voir si effectivement le constructeur avait positionné le support du récipient assez proche de son foyer.

Doc. 14 : Réflexion des rayons sur la cocotte

Protocole : Pour déterminer la distance focale f, nous avons utilisé un projecteur halogène que nous avons placé à 20 m de la parabole afin de supposer que les rayons parviennent parallèles entre eux sur la parabole. Nous avons supposé que ces derniers étaient parallèles à l’axe optique de la parabole. Avec une plaque noire (pour limiter la réflexion) de petite dimension par rapport à la parabole, nous avons cherché la position pour laquelle les rayons réfléchis donnaient une tache de plus petit diamètre possible (en effet, l’endroit où convergent les rayons est loin d’être un point). Résultat : Nous avons obtenu f =(61±1)cm. Nous avons toujours supposé que la parabole solaire à disposition était une paraboloïde, mais notre professeur de mathématiques, nous a interpellés sur ce point, nous demandant si nous en étions sûrs et si ce n’était pas une coupole sphérique. Nous avons voulu le vérifier. Le diamètre de la parabole est de 1,50m soit un rayon de R=x=0,75m et une profondeur de y=p =0.23m. Doc. 15 : Représentations graphiques d’une parabole et d’un cercle Doc. 13 : Paraboloïde ou sphère Cet aparté étant fait, nous constatons que le constructeur a positionné le support du récipient au niveau du foyer ou légèrement décalé pour permettre toujours de le situer où se concentrent les rayons. Au premier coup d’œil à la parabole TV, nous avons constaté que sa profondeur était très faible par rapport à celle du commerce. Sa mesure a donné p=12cm. Donc en première approximation,

p

R

Si c’est une paraboloïde, f

xy

4

²= d’où

my

xf 62,0

23.04

²75,0

4

² =×

==

Nous en avons donc conclu que la parabole à disposition était bien une paraboloïde et non une portion de sphère.

S’il s’agit d’un miroir sphérique, sa distance focale f est égale à la moitié du rayon de la

sphère, 2

Rf = .

L’équation d’un cercle de centre C (a ;b) et de rayon R, est (x-a)²+(y-b)² = R² = 4f² Pour la situation dessinée ci-dessus, l’équation est x² + (y-2f)² = 4f² ↔ x² + y² - 4yf + 4f² = 4f² ↔ 4yf = x²+y² ↔ f = (x²+y²)/4y = (0.75²+0.23²)/(4x0,23) f = 0,67 m

C

F

S


en supposant une paraboloïde f = x²/4y = R²/4p = 1,2m. Ce résultat nous a interpellés et nous avons du faire allonger le support de la cocotte, fabriqué par les artisans marocains, afin d’avoir une tache où convergent les rayons de diamètre minimal.

Le dispositif a donné des résultats satisfaisants et un rendement équivalent à la parabole du commerce au mois de janvier soit 55 %. Il a permis de distiller comme avec celui acheté dans le commerce mais il nous a incités à chercher une autre solution car la distance focale est très importante, ce qui conduit à un dispositif peu stable. 2) Construction d’une parabole par la méthode des géodésiques (en cours de réalisation) A l’aide de Solidworks, nous avons envisagé de construire une parabole faite de différentes plaques d’aluminium d’imprimerie de récupération (plaques offset). Nous avons choisi les mêmes dimensions que celles achetées dans le commerce, soit 1,50 m de diamètre et 61cm de distance focale.

Doc.17 : Modélisation SolidWorks d’une parabole par la méthode des géodésiques

Doc. 16 : Parabole satellite recouverte de papier réfléchissant et concentrant la lumière sur la cocotte


Couleur Nombre Longueur

en cm

Lamelle avec matière pour trou en cm

Longueur des côtés des

triangles en cm Rouge 10 46,6 48,0 47,6 ? Bleue 5 38,7 40,1 39,5 Verte 5 42,3 43,7 43,2 Noire 10 52,1 53,5 53,0

Orange 5 49,1 50,5 50,1 Doc.18 : Découpage de la structure de la parabole Nous avons ensuite découpé les différentes lamelles en aluminium constituant l’armature, ainsi que les triangles correspondants en fonction des dimensions ci-dessus. Avant d’assembler le tout, nous avons eu la surprise de constater que les plaques d’aluminium de récupération ne réfléchissaient pas la lumière dans une direction donnée, mais la diffractaient, comme nous pouvons le voir sur la photographie ci-dessous. Nous avons alors voulu comprendre pourquoi et avons observé la surface des plaques au microscope optique, grossissement x40. Comment nous pouvons le voir sur la seconde photographie, les plaques ont été usinées toutes dans le même sens probablement par une brosse. Ainsi leur surface se comporte comme un réseau de diffraction, ou éventuellement comme une tige en verre. Toujours est-il qu’il ne nous était plus possible d’espérer concentrer la lumière sous la cocotte avec de tel matériaux…Cependant nous avons décidé de conserver ces plaques comme support car très souples (seulement 0,3 mm d’épaisseur) et de les recouvrir de papier miroir sachant que le coût au Maroc est d’environ 6€ le m².

Doc. 21 : Assemblage de la parabole Les tests menés sur le dispositif ont permis de faire bouillir 6L en 52 min début mai alors que le flux solaire était de 1080 W/m² avec une inclinaison des rayons sur la parabole de 14°. Cela nous a conduits à un rendement comme calculé dans la première partie, de 45% Ainsi le rendement est moins important que la parabole du commerce. Cela peut s’expliquer par la forme paraboloïde non parfaite prise par la parabole, mais aussi le fait que la réflexion sur les lamelles apparentes était moins bonne que sur les plaques. Pour conclure, ce dispositif est loin d’être simple à construire et nous y avons passé beaucoup plus de temps qu’escompté. Actuellement, nous sommes en discussion avec une entreprise de sidérurgie de Marrakech pour évaluer le coût de réalisation des taules constituant la parabole achetée dans le commerce.

Doc. 19 : Diffraction du rayon laser par une plaque offset Doc. 20 : Observation au Microscope (x40)


D- Optimisation du dispositif suite aux premiers essais et échanges avec des spécialistes

1) Conduit pour les vapeurs

Suite à la rencontre de spécialistes de la distillation, Dr Jalil Belkamel, aromathérapeuthe marocain spécialisé dans l’extraction, mais aussi Philippe Bertrand, Consultant dans les procédés extractifs et l’extraction végétale, nous avons clairement constaté leur réticence quant à l’utilisation d’un flexible de douche surtout si celui-ci est constitué d’un caoutchouc probablement non alimentaire. À haute température, le caoutchouc a la propriété de se dégrader, durcir et craqueler. Ainsi des particules peuvent se détacher et venir polluer les huiles extraites.

Doc 22 : Craquèlement du caoutchouc Doc 23 : Intérieur du flexible en caoutchouc

Nous avons alors immédiatement décidé de sacrifier l’un des flexibles afin d’analyser sa composition. À première vue, le tuyau intérieur est bien du caoutchouc. Le problème est que les caoutchoucs utilisés sont synthétiques et donc comportent probablement de nombreux composés ajoutés lors de la synthèse dont des phtalates ou autres molécules pour augmenter leur souplesse et leur durée de vie. Doc 24 : Formule topologique d’un phtalate

Hypothèse : Les huiles contiennent des impuretés dues au caoutchouc. Expérience : À la recherche d’éventuelles impuretés dans les eaux récupérées, nous avons décidé de réaliser trois extractions avec trois tuyaux en matières différentes de même diamètre (10 mm) dans les mêmes conditions (même puissance de chauffe à l’aide d’un brûleur à gaz, mêmes plantes (soit du romarin sec), même volume d’eau utilisé et même volume d’hydrodistillat récupéré. Les conduits étaient : - Cuivre recuit ; - Flexible de douche ; - Multi-couche alimentaire, à savoir plusieurs couches de polyéthylène déposées les unes sur les autres ; Résultats : Nous avons analysé les huiles surnageantes à l’aide d’une CPG, mais cette fois plus lente suivie d’une spectrographie de masse.

Doc 25 : Chromatogramme des huiles obtenues avec différents conduits

Conclusion : Nous n’avons pu observer aucune différence sur les huiles récupérées. Il n’est pas improbable que des phtalates soient présent mais en quantité non détectable par la technique utilisée. Il est vrai que le flexible n’avait pas beaucoup servi et que ce n’est qu’après une répétition de chauffage puis refroidissement qu’il va se détériorer. Il est donc possible d’utiliser un tuyau en cuivre, mais le dispositif va perdre en mobilité. Il faudra alors disposer l’ensemble parabole + réfrigérant sur un même plateau tournant.

Noir : Multicouche

Rose : Lent (1h)

Bleu : Flexible

Marron : Cuivre


2) Sortie des vapeurs Lors de la précédente manipulation nous avons été surpris par une couche ressemblant à de la poussière entre la phase aqueuse et les huiles. La responsabilité du conduit a été immédiatement écartée car chacun a conduit à la même quantité de poussière. Hypothèse : Selon Philippe Bertrand, cela pouvait être dû à un débit de vapeur trop important. Il nous a répété qu’une bonne distillation devait durer autour d’une heure et non pas 30 minutes ou moins comme nous l’avions fait. Expérience : Nous avons donc immédiatement reconduit l’expérience précédente mais en réduisant la puissance apportée par le gaz à l’eau. Observation/conclusion : Le résultat est probant : la couche de « poussière » est nettement moins importante ! En effet, le débit des vapeurs étant moins important, elles n’entraînent pas autant de particules avec elles. Une autre remarque de M. Bertrand mais aussi de M. Belkamel a été sur la sortie des vapeurs de la cocotte minute, selon eux, trop étroite. En effet, lorsqu’on observe des alambics traditionnels, la sortie des vapeurs diminue progressivement (col de cygne). Cela permet : - de limiter la vitesse de sortie des vapeurs mais aussi - d’éviter une surpression, et par la même occasion une élévation de température d’après la loi des gaz parfaits. Remarquons que cette élévation de température, certes légère, pourrait favoriser certaines réactions d’oxydation des huiles, appelées plus communément réaction de Maillard (la caramélisation est une réaction de Maillard). Expérience : Nous avons donc décidé d’agrandir la sortie des vapeurs pour voir si effectivement, on pourrait constater un changement visuel ou non de qualités des huiles. L’idéal aurait été d’avoir un tuyau se rétrécissant progressivement mais notre objectif étant de rendre ce dispositif accessible à tous, nous avons opté par une diminution progressive du diamètre du conduit au moyen de raccords. Nous avons décidé d’utiliser une sortie de 16 mm de diamètre contre 10 auparavant. Cela permet donc de multiplier par 2,6 (s’/s = R’²/R² ) la section de sortie des vapeurs donc de diviser d’autant leur vitesse de sortie d’après l’effet Venturi. Doc. 27 : Sortie des vapeurs élargie Résultats : Les relevés de température nous ont permis de constater que dans les mêmes conditions, la température des vapeurs mesurée au niveau de la soupape était inférieure de 0,8° en moyenne à celles avec une sortie de 10 mm. Conclusion : Cette différence ne peut entraîner une caramélisation des huiles. 3) Refroidissement de l’eau

Pour le réfrigérant, il est préférable qu’il y ait la plus grande surface d’échange entre le serpentin et l’eau froide. L’hydrodistillat doit sortir avec la température la plus faible possible car en effet les huiles sont d’autant plus volatiles que la température est élevée (la pression de vapeur saturante augmente avec la température). Nous avons effectué des tests avec un serpentin réduit de moitié, mais cela nous a conduits à changer l’eau deux fois.

1 2

Doc. 26 : Hydrolat avec 1) forte puissance de chauffe, distillation sur 20 min 2) faible puissance, distillation sur 1h


Avec 10L d’eau froide, nous avons voulu savoir quelle température finale atteindrait l’eau intérieure du réfrigérant en fin d’opération. L’eau du réfrigérant sert à liquéfier les vapeurs et à refroidir l’hydrolat obtenu. Pour cela nous allons poser quelques hypothèses simplificatrices :

- L’hydrodistillat sortira avec une température constante, alors qu’en effet il sera plus froid en début de manipulation qu’en fin ;

- L’ensemble eau du réfrigérant – hydrodistillat est fermé, c'est-à-dire n’échange pas d’énergie avec l’extérieur ;

- L’hydrodistillat est exclusivement constitué d’eau ; Soit - θi= 20C, la température initiale de l’eau du réfrigérant ; - θf, la température finale de l’eau du réfrigérant ; - Veau = 10 L le volume d’eau dans le bidon ; - Vhydrodistillat = 0,75 L, le volume d’hydrodistillat recueilli ; - Lliq = - Lvap = -2250 kJ.kg-1, la chaleur latente de liquéfaction de l’eau ; - ceau = 4,18 kJ.kg-1.°C-1 la capacité calorifique massique de l’eau Si on néglige les échanges avec l’extérieur : ∆Heau + ∆Hhydrolat = 0 Avec ∆Heau = meauceau(θf-θi) et ∆Hhydrolat = -Lvap.mhydrolat + mhydrolatceau(θf-100). D’où : meauceau(θf-θi) -Lvap.mhydrolat + mhydrolatceau(θf-100) = 0

θf = eaueaueauhydrolat

hydrolatvapeaueaueauhydrolat

cmcm

.mL.cm100.cm

+++ iθ

soit θθθθf = 63°C

Il est donc nécessaire de changer l’eau au cours d’une distillation, car la température finale est un peu élevée. Nous avons essayé de réfléchir à un moyen de refroidir l’eau. Dans les centrales électriques, on utilise une chute de l’eau sur des grilles, ou encore des ventilateurs. Impossible pour nous. Nous avons cependant réfléchi à un moyen utilisant l’évaporation, comme cela est fait dans le désert pour maintenir des boissons froides. Avec un linge humide qui entoure le réfrigérant, nous avons voulu voir si cela aurait une conséquence suffisante. En effet, si un linge humide entoure le bidon, l’eau qu’il contient va s’évaporer, or l’évaporation étant un phénomène endothermique, elle va absorber de l’énergie au bidon. Les facteurs favorisant l'évaporation sont :

� la surface exposée (étendre le linge favorise l'évaporation) : Il faut recouvrir tout le bidon d’un linge humide

� le type de matériau imprégné (laine, coton, nylon...) : Quel est le meilleur pour nous ? � le vent : plus il y en aura mieux ce sera, mais au Maroc, pas tant que cela … � convection

forcée � un apport de chaleur tel que le soleil favorise le séchage par évaporation, car celle-ci,

est endothermique, c'est-à-dire qu'elle demande de la chaleur à l'environnement. Prendre un linge blanc pour qu’il ne sèche pas par absorption du rayonnement solaire, maintenir à l’ombre de la parabole. Il faut qu’il sèche par absorption de l’énergie à l’eau et non en puisant du côté soleil.

� Plus le taux d'humidité dans l'air est élevé moins l'évaporation est importante. C’est l’avantage du Maroc, un climat sec.

Lors de notre précédent déplacement au Maroc, nous avons testé cette hypothèse. En fin de manipulation, l’eau du réfrigérant était à 51°C. Nous avons en effet constaté que le linge humide utilisé pour entourer le réfrigérant séchait très rapidement, mais était généralement aidé par le fort vent que nous avions. Nous espérons réitérer cette expérience lors de notre prochain déplacement, afin de confirmer ou non cette hypothèse en faisant deux distillations en parallèle.


CONCLUSION ET PERSPECTIVES

C’est donc par mimétisme que nous avons pu mettre au point un dispositif à faible coût utilisant

l’énergie solaire pour distiller des eaux florales. Ce dernier nécessite certes au moins le double du

temps requis pour distiller des volumes équivalents qu’avec du gaz en pleine saison, mais utilise

une énergie gratuite et propre et permet de respecter des temps de distillation conseillés par les

spécialistes.

De nombreuses améliorations sont possibles, comme la mise en place d’un petit cerveau moteur

permettant à l’installation de suivre le soleil grâce à un moteur d’essuie-glace, mais puisque la

distillation nécessite un minimum de surveillance, la rotation peut se faire manuellement.

Nous sommes allés faire la promotion de notre dispositif en distillant au côté des artisans et en

rencontrant des Associations à l’occasion de la Fête du Printemps à Marrakech les 26 et 27 mars et

en aval du Festival de la rose à Kalaat les 7 et 8 mai en rencontrant des artisans. Ces déplacements

ont été riches en rencontres et nous avons été surpris par l’engouement que notre dispositif a

suscité. Nous avons reçu plusieurs invitations qui nous ont permis de nous joindre à des

associations et fondations dans la cadre de la COP22 qui a eu lieu à Marrakech du 5 au 18

novembre 2016. Les contacts ont été multiples et variés et beaucoup semblent prometteurs ! Le plus

difficile dans la coopération internationale est le suivi d’un projet. Il semble que cette fois, cela soit en

bonne voie. L’ONG Bolivia Inti Sud Soleil, basée à Nantes, s’est dite très intéressée et prête à se faire le

relai de ce projet dans les lieux où elle intervient déjà au Maroc. Le rendez-vous est pris pour le début

d’année à Tours pour sceller ce partenariat. Un entrepreneur français, Franck Simonutti à la tête de la

société Imagine Event, basée à Marrakech, réalisera un moule de la parabole courant janvier gratuitement

pour notre association ainsi que les tests de résistance à l’ensoleillement des palles qui seront suivis en

direct à Tours, via Internet. De nombreux contacts ont été pris avec des organismes gouvernementaux de

développement du Maroc mais aussi de nombreux pays d’Afrique.

Riad Denise Masson – 26/03/2016 COP 22 - Zone verte – MARRAKECH 12/11/2016

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Production distillation solaire Version olympiades