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mercredi 10 janvier 2018

Filtre à sable biologique

Selon l'OMS 2,1 milliards de personnes n'ont pas accès à l'eau potable, elles risquent leur santé en buvant une eau contaminée par les bactéries et les virus. Pourtant il existe des solutions pour rendre l'eau potable à domicile. On peut la faire bouillir, la désinfecter chimiquement (chloration), l'exposer au soleil (méthode Sodis et Solvatten), la filtrer avec une LifeStraw, un filtre en céramique ou un filtre à sable biologique.

Parmi ces solution nous avons choisi de nous intéresser au filtre à sable biologique car c'est une méthode efficace, naturelle, qui fonctionne quelque soit la météo, qui est relativement facile à mettre en œuvre et qui ne nécessite aucune source d'énergie.

Fonctionnement du filtre à sable

Ses composants 

Le filtre à sable biologique est un récipient rempli de sable fin avec du gravier au fond pour le drainage. Ce sable est maintenu sous l'eau grâce à un système de siphon. On peut voir de quels éléments il se compose ci-dessous :

Mécanismes de purification de l'eau

Il élimine les bactéries et même les virus (selon des tests effectués en laboratoire) grâce à des actions biologiques et mécaniques.

- Action biologique : le sable est maintenu sous l'eau  pour favoriser le développement de micro-organismes sur la surface du sable (2 premiers cm). Ces micro-organismes mangent les bactéries, ils forment ainsi une couche biologique. C'est l'élément clé de la purification de l'eau.
Le filtre est opérationnel au bout de 30 jours d'utilisation quotidienne, c'est le temps nécessaire pour la couche biologique soit suffisamment développée.
On peut voir ci-dessous un graphique représentant l'efficacité de traitement les 30 premiers jours d'utilisation :


- Action mécanique : les bactéries sont retenues par les grains de sable, elles sont coincées ou se collent sur les grains. Enfin en profondeur les bactéries n'ont plus assez d'oxygène pour survivre. 

Ci dessous un schéma résume ces mécanismes :

Efficacité

L’efficacité du filtre a été prouvée scientifiquement. Il est préférable que la turbidité soit inférieur à 50 NTU


Utilisation

Des règles sont à respecter pour que la filtration soit efficace :
Il faut effectuer au moins une filtration par jour et laisser un temps de pause d'au moins une heure à 48h maximum entre chaque filtration. 
Cette période de pause est nécessaire afin que les micro-organismes de la couche biologique  aient le temps d'éliminer les pathogènes. En versant l'eau pour la filtrer, on chasse l'eau traitée qui a stagné dans le filtre.

Entretien

- Il faut veiller à ce que le robinet soit propre (désinfecté). Par contre le réservoir ne doit pas contenir de produits chimique.

- Au bout d'un certain temps le débit du filtre devient trop lent pour l'utilisateur, cela est dû à la couche de sable qui se colmate en surface. Pour rétablir un débit normal il suffit de pratiquer la procédure du "remuer-jeter" :
1/ Remplir 1/3 du réservoir avec de l'eau
2/ Remuer légèrement la couche de sable en surface avec la paume de la main
3/ Écoper l'eau sale et la jeter en dehors du filtre
4/ Effectuer une filtration 
Refaire cette procédure jusqu'à ce que le débit revienne à la normal. Cela perturbe la couche biologique, mais au bout de quelques jours d'utilisation le filtre redevient opérationnel.


Les caractéristiques techniques

Pour que le filtre à sable fonctionne il faut respecter des règles de conception :

Les dimensions 



Ce modèle en béton proposé par CAWST a les dimensions optimales pour une capacité de 12L/filtration

Le diffuseur

Le diffuseur est une sorte de passoire qui permet de réduire l'écoulement de l'eau afin que la couche biologique ne soit pas perturbée. L'espacement des trous doit être de 2,5 cm et leur diamètre de 3 mm.

Le réservoir

Volume max. du réservoir = Volume de la porosité du sable

La capacité du réservoir ne doit pas dépasser le volume de la porosité du sable filtrant. Par porosité on entend : l'espace entre les grains de sable. Pour mesurer cette porosité il suffit de verser 1 volume de sable sec dans un même volume d'eau et de mesurer le volume d'eau qui reste au dessus du sable. On soustrait ce volume restant au volume d'eau total pour obtenir le volume de la porosité. Cette porosité est en général de 40% du volume de sable.
Cependant il faut aussi veillez à ce que la hauteur d'eau, réservoir rempli, ne dépasse pas 20 cm pour des question de pression.

Le débit
 

Le taux de charge efficace du filtre est de : 400 L/h/m²
Il s'agit d'une indication de pression à ne pas dépasser pour le bon fonctionnement du filtre. Ce taux permet de calculer le débit normal du filtre avec cette formule :

Débit = Taux de charge x Surface de sable

Si le filtre a un diamètre de 46 cm la surface de sable est de 0,17 m²
Donc : Débit = 400 x 0,17 = 68 L/h  ->  68/60 = 1,1 L/min


Le débit ne doit pas dépasser 6,7 L/min


Les modèles existants

Actuellement il existe deux modèles de filtres à sable : un en béton (version 10.0) et un en plastique (HydrAid). Le système du filtre à sable biologique a été inventé par le Dr. David Manz dans les années 90 et développé par CAWST fondé en 2001. 



Ces modèles on des proportions optimales pour avoir une capacité de 12L/filtration, un débit correcte (de 0,4L/min) et faire des économie de matière (pas de surplus inutile). Ils sont ni trop grand ni trop petits  et on une durée de vie assez longue (béton:+30 ans, plastique : +10 ans). Des tutoriels détaillés sont disponibles sur cawst.org pour fabriquer le modèle en béton.

Cependant ils sont difficiles à mettre en oeuvre. Le modèle en béton nécessite des coffrages en acier, il faut des connaissances en fabrication du béton et en ferronnerie. De ce fait le processus de fabrication est assez long et fastidieux.
Pour le modèle en plastique il faut l'acheter tout prêt.

Leur prix sont aussi relativement élevé pour une population pauvre : 
béton -> 12 à 50 $* (les prix varies en fonction des pays)
plastique -> 75 $*
*prix de revient du filtre uniquement
On peut se poser la question du financement. 


Au départ notre objectif était de créer un modèle de filtre à sable qui ne coûte quasiment rien en utilisant des matériaux de récupération. Cependant nous nous sommes rendu compte que cet objectif était impossible à atteindre. C'est pourquoi nous avons essayé de comprendre comment les filtres à sable étaient mis en place sur le terrain.
Nous nous sommes appuyé sur un article de l'association ACTED qui a distribué des filtres à sable en Haïti (en 2009). 

Mise en place des filtres à sable sur le terrain

Quand on sait que le salaire moyen d'un haïtien est de seulement 2,1$/jour (63,3$/mois), on imagine bien qu'il n'est pas en mesure de se procurer les matériaux et les outils nécessaires à la fabrication d'un filtre à sable. 

C'est pourquoi des association viennent en aide au population qui n'ont pas accès à l'eau potable en distribuant des filtre à sable.
C'est le cas de ACTED qui a collaborée avec le Programme d’appui aux initiatives du développement humain (PAIDEH), une ONG haïtienne, pour la fabrication et la promotion des filtres à sable. 

L'association a renforcé les équipes de PAIDEH en formant des techniciens pour la fabrication des filtre à sable, mais aussi des formateurs pour éduquer les bénéficiaires et assurer le suivi.
CAWST a collaboré avec ses associations, en tant que consultant, pour les aider à fabriquer leur filtre à sable correctement, leur donner le savoir et les compétence nécessaire.

ACTED a ainsi distribué des filtres à sable à 1200 familles réparties dans trois villages.
Cette action faisait partie d'un projet financé par ACTED avec le soutien de l'Union Européenne et de l'Unicef. 


Contexte & Problématique

Comme dans cet exemple, la mise en place de nos filtres à sable se ferait avec l'aide d'une association qui apporterait son soutien technique et financier. 


Carte des rivières et lacs
Compte tenu des quantités d'eau nécessaires pour faire fonctionner un filtre à sable l'implantation de notre projet doit se faire dans des régions où la population a un accès à une source d'eau douce abondante (carte ci-contre). De ce fait les régions au climat sec ne sont pas propices à l'utilisation de filtre à sable (voir la carte ci-dessous).


Carte mondiale des climats
Pour le design notre objectif était de créer un modèle de filtre à sable pour une utilisation familiale facile et rapide à mettre en oeuvre, contrairement aux modèles existants, avec des matériaux que l'on peut se procurer sur place, pour un coût raisonnable (inférieur aux modèles existants).

Prototypes

Nous avons expérimenté deux autres prototypes. Un composé d'un caisson en bois qui soutient un sac plastique contenant le sable et un petit modèle individuel avec un tube en pvc. Le premier nécessite beaucoup d'étapes de fabrication et des techniques particulières pour concevoir le sac (couture renforcée+colle ou thermosoudage plastique), ce qui rend sa mis en oeuvre complexe; le deuxième est une bonne solution mais le débit est faible et son utilisation réservée à une personne.

Fabrication

Nous avons constaté que dans les pays en voie de développement la population dispose de beaucoup de récipients pour stocker l'eau par manque d'eau courante. La solution la plus simple que nous avons trouvée est donc d'utiliser un fût métallique ou en plastique pour fabriquer notre filtre à sable. 



- Ce fût doit mesuré au moins 80 cm de haut et ne doit pas avoir contenu des produits toxiques. 
- Pour le réservoir d'eau et le diffuseur nous avons utiliser une bassine que l'on a percée. 
- Pour le tuyau : des  tubes pvc assemblés avec des coudes
- La traversée du tuyau à travers le fût est jointée avec du mastique d'étanchéité, cela revient moins chère qu'une traversé de parois à boulons et il permet de fabriqué plusieurs filtres à sable.
- Nous avons aussi ajouter un pré-filtre fait avec un tuyau souple et de la moustiquaire.
- Pour adapter le réservoir au fût et faire un couvercle nous avons découpé une plaque de bois.

Voir le tutoriel

Caractéristiques

Hauteur totale = 105 cm
Hauteur du fût = 85 cm
Hauteur de sable filtrant = 50 cm
Hauteur du réservoir = 15 cm (18 cm à raz bord)
Diamètre extérieur = 49 cm
Diamètre intérieur = 46 cm
Débit = 1,1 L/min
Volume par filtration =  17 L en 15 min
Volume porosité du sable = 32 L

Remarque : les dimensions ne sont pas idéal pour une filtration de 17 L car dans l'idéal le volume de la porosité doit être égale au volume du réservoir, hors notre bassine est limitée à 20 L et le fût n'est pas assez haut pour accueillir un réservoir de plus de 30 L (au raz bord). 

COÛT DES MATÉRIAUX


Les prix sont ceux des magasins Brico en Belgique, Amazon.fr (coudes PVC), Ecocuves.be (fût en plastique) et Le Chien Vert (fil à coudre).


Si on veut fabriquer un seul filtre à sable le coût est élevé, mais avec certains matériaux achetés en quantités supérieure on peut fabriquer d'autre filtres. Le coût par filtre est alors de 37,92€ et si l'on arrive à récupérer (gratuitement) certains matériaux le coût atteint 5,47€. On estime que le sable est aussi récupéré.

CONCLUSION

Ce filtre répond à nos objectifs :
- Créer un modèle pour un usage familiale 
- Créer un modèle facile et rapide à fabriquer sans compétences nécessaires 
- Apporter des améliorations techniques : pré-filtre, débit plus élevé
- Utiliser des matériaux disponible sur place
- Réduire les coût des matériaux grâce à la récupération

Nous avons réussit à créer un modèle alternatif aux modèles conçu par CAWST. Du moment que l'on a bien assimilé le principe du filtre à sable et ses règles de conceptions on peut le fabriquer avec n'importe quel récipients étanches, d'une hauteur assez grande et non toxique. Une association pourra se charger du financement et de la fabrication des filtres à sable destinés aux populations pauvres.



Sources : 

Wikiwater 
http://www.wikiwater.fr/e17-les-methodes-simples-de.html

CAWST* informations 
https://www.cawst.org/services/expertise/biosand-filter/more-information
https://www.biosandfilters.info/faq

A Layman's guide to clean water
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filters.html
http://www.clean-water-for-laymen.com/biosand-filter.html

Tutoriel détaillé CAWST*
https://www.pseau.org/outils/ouvrages/cawst_manuel_du_filtre_biosable_conception_construction_installation_fonctionnement_et_entretien_2010.pdf

Article ACTED
http://www.acted.org/fr/les-filtres-sable-une-reponse-durable-aux-enjeux-de-l-eau-potable-en-haiti


*Center for Affordable Water and Sanitation Technology








A9-Projet Final-Rose d'eau




La récupération de l’eau de rosée peut répondre à de nombreuses problématiques dans le monde. Nous avons utilisé ce phénomène physique dans notre projet pour récolter de l’eau pour des nomades comme des randonneurs ou encore des campeurs. Le phénomène se déroulant la nuit, il permet aux nomades d’installer notre prototype en même temps que leurs campements et ainsi de récupérer l’équivalent d’une bouteille d’eau de 1,5L à leur réveil. Nous avons imaginé notre projet avec comme objectif de le concevoir léger, compact et facile à déployer. Pour arriver à ce résultat, nous nous sommes inspirés des condensateurs radiatif existants, de la forme d’un parapluie et de la texture des feuilles pour le drainage. Ensuite, nous avons designé un prototype HighTech ainsi qu’un LowTech sur le même principe.

Contexte et problématique :

Notre prototype HighTech est donc destiné à des
randonneurs, campeurs qui font des treks et des
bivouacs. Cette pratique nécessite de prévoir de l’eau en suffisance en fonction de son itinéraire mais celle-ci devient très vite encombrante quand on sait que 1L pèse un kilo et qu’un marcheur boit en moyenne 1,5 L d’eau par jour. Il se contentera dés lors du minimum. Dès lors, le marcheur est souvent dépendant de la situation de son campement qui doit être proche d’un point d’eau. Le but du prototype serait alors de rendre plus libre les utilisateurs et de garantir la production de l’équivalent d’une bouteille d’eau par jour. Néanmoins, le système ne doit pas être trop lourd et doit être facilement dépliable pour faciliter son utilisation et son transport. L’utilisation du phénomène de rosée permet de
récupérer de l’eau pendant les heures de sommeil pour que le randonneur puisse démarrer sa journée
avec une bouteille d’eau.  

En effet, dans l’air, il y a une quantité d’eau qui ne demande qu’à être extraite. L’eau de rosée est une source d’eau venue du ciel et notre système l’exploite.

En résumé, le prototype doit être compact, léger, facile d’utilisation et récolter 1,5L.

Design :

Le design est inspiré de la forme inversée d’un parapluie ainsi que du mode de rangement des piquets de tente dans un sac (des tubes métalliques, se clipsant les uns dans les autres et reliés par un fil élastique passant à l’intérieur de chaque petite barre), ce système permet à l’outil de se ranger de manière efficace et compacte. La forme de parapluie inversée quant-à-elle permet la concentration de l’eau en un point central

Notre projet portant sur la récolte de la rosée, nous avons effectué un état de l’art des différents dispositifs des condensateurs radiatifs et constaté que, pour optimiser le drainage, une pente à 30° était idéale.(voir état de l'art)

Afin de produire notre design, nous avons examiné les différents critères auxquels notre design/structure devait répondre :

·         Déploiement facilité : montable et démontable rapidement afin de faciliter l’utilisation par un randonneur, pour qu’il puisse déplacer son campement facilement et profiter de sa journée de marche par exemple.
·         Caractère léger : l’outil doit être léger afin de faciliter le transport et d’éviter une charge supplémentaire pour le randonneur (l’outil doit, de fait, être plus léger qu’une bouteille d’eau d’un litre et demi).
·         Caractère compact : l’outil doit être compact afin de faciliter le rangement de celui-ci dans le sac du randonneur.

Le prototype est donc conçu pour répondre à ces trois attentes, il est composé de pièces réalisées en impression 3D et de tiges en aluminium. Le prototype s’articule autour d’une pièce principale en plastique, dans laquelle viennent s’emboiter les tubes en aluminium sur lesquels se fixent des petites pièces plastiques, dans lesquelles viennent à nouveau s’introduire des tubes en aluminium. L’ensemble de ces pièces est relié par un fil élastique (à l’instar des piquets de tente) et compose les baleines et les pieds du prototype. Ceux-ci sont donc inclinés à 30° afin
d’optimiser le drainage (voir plus haut).


Concernant le modèle LowTech, nous avons simplifié la pièce centrale pour que les baleines et les pieds soient reliés entre eux et ne forment plus qu’une pièce. Pour remplacer l’aluminium, nous pouvons utiliser comme matériaux des tuyaux de plomberie ou des tuyaux en plastique pour l’électricité car ceux-ci possèdent des dimensions universelles et sont disponibles partout dans le commerce.


Fonctionnement :

L’outil fonctionne grâce au phénomène de la rosée. C’est la transformation de la vapeur d’eau présente dans l’air atmosphérique en gouttelettes d’eau. Cela se produit principalement la nuit sur un support froid lorsque l’humidité de l’air dépasse 100% : c’est le point de rosée. Pour provoquer cette condensation, il suffit de refroidir la surface de quelques degrés. En outre, le phénomène n’a pas besoin d’apport en énergie pour fonctionner.



La récolte de la rosée se fait sur un textile combiné à un maillage de fil de soie (voir article). Le textile produit la surface de production et de percolation tandis que la fibre du fil de soie ajoute des points de percolation et permet un drainage de l’eau plus rapide. Pourquoi ce choix du textile ? Vous trouverez à ce sujet plusieurs articles sur notre blog.

Etant donné que la production d’eau avec la rosée dépend des conditions météorologiques, nous avons surdimensionné l’objet de manière à obtenir une récupération d’eau équivalant à 1.2l en une nuit (en moyenne).  Des conditions de climatiques idéales, permettrait la récolte de 2l d’eau. Bien évidemment, dans le cas contraire où les températures seraient fort basses, le prototype ne serait pas efficace et ce, étant donné le peu d’eau contenu dans l’air (voir graphique).

Le déploiement simple et rapide du système est l'une de ses grandes qualités. Son utilisation, quant-à-elle, consiste simplement à laisser mère nature agir durant la nuit. L’eau condense et percole sur la bâche et ensuite ruisselle vers la pièce centrale et tombe dans une bouteille d’eau fixée à celle-ci.

L’objet ne devrait en soi pas avoir besoin d’un quelconque entretien. En effet, il demanderait le même entretien que l’on accorde à notre parapluie. C’est à dire peu d'entretien.


Evaluation :

Notre prototype récolte à la fois l’eau de rosée mais aussi de l’eau de pluie. Nous avons réussi à récolter plus de 1L d’eau en une nuit (voir les résultats d’expérience). Par contre, le prototype est solide mais pas au niveau de la pièce principal. Nous avons constaté qu’à certains endroits la couche de plastique est très faible et qu’elle pourrait devenir fragile avec l’usure.

Le temps de production est très long, surtout pour l’impression 3D des pièces  mais le temps de mise en place n'est pas très long. Le devise est assez simple à monter et à démonter . Quand a son poids , il ne dépasse pas 1kg mais le volume du prototype plié reste encore un peu trop encombrant à notre gout.



Synthèse Globale - Arnaud et Marie

Article Blog  DFS 2017-2018


Évaluation du Prototype



Résumé



Notre projet est de proposer un dispositif de distillation et de re-minéralisation de l'eau. Ce dispositif utilise le soleil ou la chaleur d'un feu comme source d'énergie.  L'eau est chauffée dans un alambic, se transforme en vapeur et se condense dans le condensateur. Suivant les besoins de l'utilisateur, l'eau distillé peut être utilisée comme tel ou être transformée en eau potable par les filtres re-minéralisateurs. Ce dispositif est entièrement constructible avec des matériaux de récupération trouvable abondamment à travers le monde. Notre objectif est de soulager les populations fragilisées dans la tâche de se fournir en eau potable. 


Contexte



Notre projet s'inscrit, en autre, dans le contexte de camps de réfugiés qui se sont multipliés ces dernières années sur le globe due à l'augmentation de la fréquence des catastrophes et aux conflits armés. Ces camps sont surpeuplés. Le rationnement de nourriture, de soins et d'eau sont le quotidien des personnes déplacées. Ils survivent grâce à l'aide des organisations internationales. Les files de distribution sont des lieux de hautes tensions car chacun craint de ne pas recevoir sa ration. Elles sont également des cibles choisies pour les attentats visant ces populations regroupées. 

Le dispositif a pour but de se diffuser dans les camps de manière virale et que chacun puisse s'en construire un et autonomiser quelque peu des distributions. Ceci aura pour effet d'augmenter la résilience des personnes et diminuera le manque en eau propre et potable. Les ressources disponibles dans les camps sont les seules utilisées pour la fabrication du dispositif. L'assemblage des pièces du dispositif sont très faciles à exécuter le rendant accessible à tous.


Critères d'évaluation d'un low-tech


Comme proposé dans le google doc de Denis, nous avons essayé de définir une liste de critères et d'analyser selon ceux-ci notre projet. Les critères extraits sont des critères qui permettraient d'analyser n'importe quel objet ou principe Low-Tech. Une des particularités de travail de binôme, est que nous nous sommes obligés à travailler dans un contexte de récupération obligatoire. Rien n'est acheté, tout vient de la récupération. Les critères en rapport avec l'accessibilité, financière ou matérielles, sont donc plus prégnants. 

Voici donc cette liste:

-Disponibilité des matériaux. Sont ils abondants dans le monde entier ? Toutes les zones d'un même pays possèdent-elles de manière égale ces matériaux ? 

- Facilité de mise en œuvre/ construction. Les assemblages sont-ils simples ? Sont-ils facilement explicables et compréhensibles ? La mise en œuvre est-elle destructive, est qu'on peut casser ou détruire des matériaux pendant la mise en place ? 

-Résistance. Le système est-il résistant ? Les joints tiennent-ils bien ? Les ancrages au sol sont-ils stables ? Est-ce que le prototype survit à des chocs, comme des bousculades ou des chutes ? 

-Efficacité. Les quantités d'eau produites sont-elles suffisantes ? Le ratio construction/quantité d'eau est-il intéressant ? L'utilisation est-elle aisée ? Ne demande-t-elle pas trop d'étapes ? Le système n'est pas dangereux. Son utilisation ne peut pas provoquer de blessures. 

-Prix/Couts. Ce système cout-il de l'argent ? Ici, il ne peut rien coûter ? 

-Adaptabilité/Augmentation d'échelles. Le projet peut-il grandir/ changer d'échelles ? 


Évaluation de notre Low-Tech


-Disponibilité des matériaux. Les matériaux utilisés sont des déchets. On peut les trouver dans les camps puisque les organisations amènent la nourriture avec des conserves et l'eau aussi avec des bouteilles. Les joints d'étanchéités peuvent être réalisé des différentes façons: avec des chambres à air, avec des sachets plastiques et avec de la colle à base d'amidon de riz, lui aussi disponibles via les ONGs. 

- Facilité de mise en œuvre/ construction. Nos assemblages ne nécessite pas d'outils complexes ou rares.  Il faut juste de quoi couper, un clou et de quoi l'enfoncer. Une grande partie de la mise en œuvre peut être fait à la bougie/ou au feu en durcissant le plastique des bouteilles pour lier les éléments ensemble. Les découpes sont simples, il n'y pas de formes géométriques dures à découper. Le modelage du plastique est assez intuitif, l'apprentissage de la technique de la bougie est presque instantanée et est même un exercice ludique.    

-Résistance. L'assemblage global et sa solidité profite de l'emboitement des conserves/canettes et est renforcée par les ceintures de chambres à air et de plastique durci. Les pieds sont aussi maintenu grâce à des cercles de plastique durci. Les conserves sont très résistantes car elles sont conçues par les industrielles comme telle. Elles possèdent des stries horizontales qui les renforcent contre les forces de compressions et de chocs. Le bas et le couvercle sont aussi des parties conçues pour résister aux forces extérieures. Le prototype est fixé à l'aide de pieds en bois ancrés dans le sol et sont donc assez stables. En règle général, tout le prototype profite des processus d'amélioration des fabricants industriels pour la solidité des contenants. 

- Efficacité. L'utilisation du système est simple. Il suffit de remplir l'évaporateur d'eau, à l'aide d'une autre bouteille, d'allumer un  feu ou de placer la lentille, de récolter l'eau distillée et de la verser dans le filtre re-minéralisateur et enfin de recueillir l'eau consommable dans une dernière bouteille.  Le système ne présente pas de dangers, la seule partie à surveiller est celle du feu ce qui est à la portée de tous. Nous rajouterons que les feus de camps sont déjà présents dans les camps, ce n'est pas le prototype qui l'introduira donc. De plus, là où le temps le permettra, la lentille pourra remplacer le feu comme source d'énergie. 

- Prix/Couts/Valeurs. Notre prototype ne coute rien.  Aucun des composants n'est susceptibles d'être sujet à un commerce dans les camps. La reproductibilité et la facilité de mise en œuvre casse la potentielle valeur de l'objet final. L'objet n'est pas une cible de vol plausible au sein des camps. 

- Adaptabilité/Augmentation d'échelles ? Le principe mis en place tient sur celui de l'alambique, vieux comme l'histoire des hommes. Les principes physiques sous-jacent sont applicables et "scalables". Les augmentations d'échelles pourraient permettre une amélioration des rendements et en faire une dynamique de communauté ou de famille, permettant à chacun de créer de la ressource pour le reste du groupe. Le prototype à l'échelle plus individuelle reste cependant toujours valables par son caractère "autonomisateur". L'autonomie individuelle servant à réduire le poids de la personne sur le système global, l'allégeant d'un poids.  



Test et validations




Principes physiques

Les différents principes physiques qui tiennent le projet sont simples. Ils sont ceux-ci : évaporation de l'eau grâce à la chaleur. Condensation de la vapeur grâce à la pression générée et ensuite le refroidissement via un condensateur. Voici pour la partie "physique". Ensuite pour la partie "chimie/biologie". La re-minéralisation de l'eau distillée par une série de filtres où l'eau va se charger en divers minéraux. 

Construction

Les principes de la construction marchent. Ils se reposent sur des éléments que nous avons pu voir fonctionner sur internet ou autres. Nous les avons tester, et conserver les seuls qui donnaient des résultats probants. Peu de parties sont dures et fragiles, et si elles le sont, ce n'est pas du au contexte du projet mais c'est que sont généralement des parties plus "dures" à réaliser. Nous parlons surtout ici des joints d'étanchéités. La technique de la colle de riz, renforcée ou non par des éléments de plastique fondu, remplit parfaitement les besoins des joints. Bien que ces joints marchant, une erreur de mise en place ou un défaut ne mettra pas en péril la productivité global de l'objet. Nous avons réduit au max son usage. Le condensateur à la base avait besoin de deux oints, nous les avons remplacé par un ballon d'eau froide, nous permettant d'éliminer deux joints autour des tuyaux sur 3 au total. Les joints entre les conserves, fait a base de plusieurs ceintures de plastique et d'une bande de caoutchouc sont efficaces et étanches ainsi que résistant aux températures maximums survenant dans notre projet . 

Fonctionnement

Pour analyser le fonctionnement de l'objet, nous allons suivre le cours de l'eau dans le prototype. Nous commençons donc dans l'évaporateur. L'eau est facilement chauffée à travers les parois ou la résistance. La vitesse de l'évaporation dépend de l'intensité des sources de chaleurs. Dans l'hypothèse de l'énergie thermique fournie par le feu, celle-ci peut être très vite importante en ajoutant plus de carburants et ajustables en fonction de l'urgence du besoin en eau. S'étant transformée en vapeur, l'eau passe par la bouteille modelée en forme de "col de cygne", forme optimale pour le transfert de la vapeur d'eau dans un tube. Avec la pression, la vapeur est bien conduite à travers ce tuyau pour ensuite être en contact avec les parties du tuyau refroidies par le ballon d'eau froide. Elle se condense assez vite en gouttelettes qui se rassemblent et s'écoulent vers le bas du tuyau, pour enfin atterrir dans une bouteille. 

Ensuite l'eau distillée est versée dans les filtres, où elles cheminent lentement dans les différentes couches et acquière des minéraux et se débarrasse des derniers contaminants possibles. L'eau arrive finalement potable dans la bouteille en bas des filtres. Durant nos tests finaux du processus, très peu d'eau s'est échappée du système. L'eau recueillie et ensuite bouillie a laissé des dépôts blancs sur le fond du contenant, semblables à un dépot de calcaire ou de sels. 

Ce qui marche moins.

Comme évoqué si dessus, les parties les moins performantes sont dues à la difficulté fondamentale de la chose. 




Perspectives de diffusions et d'améliorations


Les perspectives sont celles d'une diffusion virale du prototype. Relayé par internet, par les médias, par des notices et des tutoriaux papiers et ensuite par une diffusion d'individu à individu, où les gens réaliseront l'efficacité et la facilité de l'objet et voudront à tout prix en fabriquer un. Après cette étape, quand les personnes auront l'expérience de la fabrication et de l'utilisation, ils pourront adapter, "tuner" le prototype avec les meilleurs matériaux disponibles localement et adapter la taille avec le nombre de personnes voulant participer à la dynamique. Le temps passant, tous les utilisateurs, nous en sommes persuadés amélioreront le projet, et surpasserons notre proposition. 

Le principe n'a pas que vocation à survenir dans les camps, mais aussi dans des zones fragilisées où il pourrait devenir une aide conséquente à la vie locale. A une échelle de communauté ou de village, il pourrait également devenir un lieu social et participatif. Plus participatif que le remplissage de bidons à une source ou un puit, parce que l'eau est fabriquée : elle aura une valeur particulière car elle sera produite par les gens. 

Dernièrement, les principes constructifs du prototype sont aussi de très bons pour principes pour d'autres utilisations. Notamment les ceintures de plastique durci qui ont de très vastes applications. 


Arnaud et Marie.





De l'eau par les phares

DE L'EAU PAR LES PHARES

Phare de Senetosa

CONTEXTE


plan de situation, phare de Senetosa, Corse


Dans le sud de la corse, se situe le phare de Senetosa. Pausé à flan de colline, il indique le cap sur la route maritime
du golfe d'Ajaccio à Bonifacio. C'est une région sèche, et très ensoleillée toute l'année.

     Le Phare, construit en 1890, a été racheté par un particulier et réhabilité en refuge pour randonneurs. L’accès y est très difficile, il n’y a pas de voie carrossable, et il est isolé des réseaux électrique et d’eau potable.

Le Refuge est ouvert d’avril à octobre et sa capacité est de 24 personnes.




PROBLÉMATIQUE
     Le nouveau propriétaire a fait un appel à projet pour la résolution des questions techniques concernant l’approvisionnement en eau potable. Il a communiqué son souhait d’utiliser des méthodes qui conservent l’autarcie du phare et qui s’inscrivent dans une démarche de développement durable,comme la récupération d’eau de pluie et son traitement.

   Éléments à supprimer de l’eau
        ➤ Bactéries
        ➤ Éléments venant de la surface de captation d’eau de pluie


FONCTIONNEMENT DU SYSTÈME

     Le phare dispose déjà d’anciennes cuves à mazout et d’une citerne de récupération d’eau de pluie, mais celle-ci n’est pas potable.
     Pour pouvoir boire l'eau de pluie stockée dans les cuves il faut tout d'abord la traiter en la chauffant, La pasteurisation. Pour ce faire, il faut la faire chauffer pendant un certain temps à une certaine température affin de détruire les bactéries. cette technique repose sur les lois de la destruction thermique des micro-organismes (4 minutes à 70°C).



Schéma de fonctionnement

     Pour répondre à cette demande, nous avons souhaité réutiliser une ancienne lentille du phare, conservée dans son musée, et en transformer l’optique en four solaire afin de traiter l’eau de pluie.

Les lentilles font converger les rayons parallèles du soleil en un point de focal qui va chauffer un réservoir d'eau jusqu’à température et durant le temps  souhaitée.
le système est accompagné de 2 héliostats fonctionnant par jeu de miroirs, pour orienter les rayons du soleil toujours face à la lentille.

     Cette solution, additionnée à un filtre à l’entrée de la citerne, permettrait de rendre l’eau de la citerne potable tout en conservant les souhaits du propriétaire.

     Et afin d'améliorer le rendement, le système de chauffage peut être additionné d'un échangeur de chaleur, qui va préchauffer l'eau provenant des cuves d'eau de pluie, à l'aide de l'eau  traitée sortant du réservoir.


Pan de toiture- phare de Senetosa




     L'eau de pluie est récupérée sur les trois toitures des bâtiments puis acheminée dans trois des quatre cuves réhabilitées et une fois traitée est stockée dans la dernière cuve jusqu'au lendemain.









Phare de Senetosa

     Une des particularité de ce phare, est qu'il dispose de deux tours jumelles encadrant le bâtiment. Une tour contenant le phare, et la deuxième contenant un "filtre" modifiant la couleur du rayon lors de l’éclairage d'un certaine zone.
c'est un des seul phare de France disposant de cet particularité. 

    L’intérêt d'un telle configuration réside dans la possibilité d’installer le système de traitement de l'eau tout en conservant le fonctionnement normal du phare.



Double utilisation du phare - Senetosa


QUELQUES CALCULS

           1/ Capter l’eau de pluie
 A l’aide des toitures du bâtiment (332m²) et des cuves présentes (4 cuves de 70m3dont 
    une est utilisée pour stocker l’eau potable)
➤Calcul de rendement
   Q =  P x S x T  où :
   P = la pluviométrie annuelle [l/m²].

Précipitations- Sartène - Corse 



   S = la surface de collecte [m²]
   T = le taux de récupération [%] de la surface de collecte déterminé par la nature du  
   revêtement : plus la surface est lisse et inclinée, plus le taux sera élevé, plus petite 
   sera la quantité d’eau évaporée.
   Q = 615 x 332 x T = 204 180 L x T
   T = 75 à 95%
   Q = 204 180 x (0.75 à 0.95)
    Q = de 153 135 à 193 971 L

           2/ La filtrer
 Au niveau des gouttières pour supprimer les résidus (poussière, feuilles mortes…)
➤Au niveau de sortie de cuve pour éviter d'encrasser les réseaux.

           3/ L’acheminer jusqu’à l’optique du phare
   Estimation puissance pompe
   Puissance (W) = 14 x 1 x 0,0001 x 9818
   Puissance (W) = 14W par pompe


           4/ La pasteuriser
 En créant un four solaire avec les lentilles de Fresnel
➤Pour que l’eau soit pasteurisée, il faut la chauffer à 70°C pendant 4 minutes
 Calculs de rendement


Puissance du rayonnement solaire en Europe - 2011 - SolarGIS

Puissance du rayonnement solaire : 1350 W/m² = 1350J/s/m²
Capacité calorifique (Cc): Quantité de chaleur qu’un kilo de matière doit accumuler pour 
    augmenter de 1°C
Cceau : 4180 J/kg/°C
latente de vaporisation : Environ 2400kJ/kg = 2400000J/kg
Chaleur totale (Qt): La chaleur totale est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 kg  
   d'eau à la température initiale pour le transformer en 1 kg d’eau à la température 
   finale.
Qt = capacité calorifique * ΔT
Température moyenne de l’eau de mer utilisée : 15°C
Température recherchée : 70°C
ΔT = 55°C
Alors Qt = 4180*55 = 229 900 J = 229.9 KJ
Pour transformer 1kg d’eau a 15°C en 1kg de d’eau a 70°C il faut 229.9 KJ

Calculs :
Soit une lentille de Fresnel de 76 cm de côté 0.76*0.76 = 0.5776m²
En multipliant la surface par le rayonnement solaire on a
0.5776 * 1350 = 752.76W par lentille.
En utilisant 2 heliostats il est possible d’utiliser 2 lentilles à la fois :
Puissance disponible = 752.76 * 2
Puissance disponible = 1505.52 W
Sur une période touristique d’avril à octobre la moyenne d’ensoleillement est de 1900 h
Soit 9.04 hsoleil/j


Ensoleillement - Sartène - Corse 

E=P * t
Soit E = 1505.52 * 9.04 * 3600
E = 48 995 642 J = 48 995.6 KJ
Quantité eau traitée par jour = Edispo / Qt = 48 995.6 / 229.9
Quantité eau traitée par jour = 213.12 L/jour

           5/ L’acheminer vers la cuve
 Qui peut contenir jusqu’à 70m3 d’eau


Coupe - Phare de Senetosa

Ce système nous permet de purifier 213 L d’eau par jour. En prenant une base de 24 personnes, cela correspond à environ 9 L/personne/jour et ce en totale autonomie.


A titre de comparaison,

  un panneau solaire produit en moyenne 140KWh par m²
  il coûte environ 1500€ par m²
  une bouilloire consomme en moyenne 2KW


 FABRICATION


           1/ Le phare de Senetosa
Il faut pour le traitement de l'eau, monter la lentille du phare sur la deuxième tour de l’édifice, installer deux petites pompes a moteur, et placer un réservoir et de tubes en cuivre soudés ensemble au point focal de l’optique et la mise en place de la connexion entre les différentes parties du système. Cette dernière nécessite de creuser des tranchées.

           2/ Les phares en général
Ce système nécessite le retrait de l’ampoule du phare et la redirection de son installation électrique vers deux petites pompes à moteur, le placement d’un réservoir et de tubes en cuivre soudés ensemble au point focal de l’optique et la mise en place de la connexion entre les différentes parties du système. 

Quels matériaux ? Quel coût ?
100m Tube polyéthylène  2.5cm                              100€
2 Pompes 14W                                                          240€
1m² Plaque de cuivre 1mm                                        20€
Raccords divers                                                         100€
Heliostats                                                                  300€
Arduino                                                                     15€
Valves                                                                        50€
Marge d’erreur                                                          20%

_____________________________________________
Total                                                                         1000
Temps de fabrication ?
Environ 2 semaines/ 2 personnes
Entretien ?
Vérifications régulières du bon fonctionnement.
nettoyage régulier de l'optique
Comment utilise-t-on votre système ?
Il est autonome, tourne en continu et alimente le réseau d'eau "alimentaire" de la maison.


QUELLES POSSIBILITÉS FUTURES ?

    Avec l’avènement des Gps, de plus en plus de phares sont laissés à l'abandon car devenus obsolètes. Pourquoi laisser un tel héritage disparaître? Notre proposition est en particulier destinée aux phares isolés mais elle peu etre adapté à tous les phares existants car fonctionnant tous sur le principe de la lentille de fresnel depuis le XIXeme siecle.



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