L’eau : ressource vitale et matière première du futur, Stéphane Sarrade*

L’eau potable pourrait être obtenue en grande quantité dans le futur. Une discrète révolution est en cours : les procédés de dessalement par osmose inverse. 

*Stéphane Sarrade est chercheur au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), directeur du département de physico-chimie à la Direction de l’énergie nucléaire du CEA Saclay, président du Club français des membranes et de l’association Innovation Fluides supercritiques.

UNE HISTOIRE D’EAU

L’eau est une molécule chimique particulière. Mais l’eau est bien plus qu’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène, c’est la molécule responsable de la vie sur Terre. C’est parce que notre planète se trouve dans ce que les astronomes appellent la « golden zone » que l’eau existe à l’état liquide à sa surface. La Terre est située à la distance idoine du Soleil, alors que sur Mars, plus éloignée, l’eau serait essentiellement sous forme de glace ; sur Mercure, trop près de l’astre solaire, l’eau s’est vaporisée dans l’espace. Voilà pourquoi les astronomes suivent en permanence la trace de l’eau liquide pour identifier des planètes hors du système solaire, qui, situées dans la zone idéale, pourraient abriter la vie.

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Usine de dessalement d’eau de mer par osmose inverse à Oman

Mais pourquoi l’eau liquide constitue-t-elle la ressource vitale pour notre existence ? Tout simplement parce que les premières molécules complexes se sont formées dans les océans primordiaux. Au fil de l’évolution, le métabolisme vivant s’est développé dans une phase aqueuse : sang, lymphe ou sève des arbres. Notre organisme comprend 70 % d’eau, ce qui nous montre le lien indéfectible qui nous unit à cette molécule chimique très particulière. Nous pouvons rester trois mois sans nous alimenter, trois jours sans boire et trois minutes sans respirer. Il nous est nécessaire de vivre près de sources d’eau potable. Les premières grandes civilisations sont nées le long des côtes océaniques et des grands fleuves. C’est le Nil qui a fait l’Égypte, dit-on. La civilisation mésopotamienne est née entre le Tigre et l’Euphrate. D’autres sociétés humaines sont apparues pour des raisons analogues le long du Gange, de l’Amazone, du Yangzi Jiang (fleuve Bleu), du Niger ou du Danube.

Ces grands fleuves ont constitué des sources d’eau potable pour les humains et le bétail, et ont permis l’essor de l’agriculture. Les voies navigables ont tracé les premiers liens culturels et commerciaux. Au Moyen Âge, en Europe, c’est la maîtrise de la force hydraulique qui l’a transformée en une source d’énergie immense et toujours d’actualité. Depuis les premiers moulins jusqu’aux grands barrages hydroélectriques, cette énergie primaire est associée aux premières grandes industries : mines, métallurgie, papeteries, tanneries…

DES BESOINS CROISSANTS

Cela dit, notre société moderne est de plus en plus dépendante de l’accès à l’eau.
Plusieurs raisons, liées ou non, contribuent à cette situation d’« addiction » à l’eau. Tout d’abord, la démographie bien sûr. Entre 1965 et 2010, c’est-à-dire pendant les quarante-cinq premières années de ma vie, j’ai été le spectateur du doublement de la population mondiale. Actuellement, plus de 7 milliards de Terriens doivent étancher leur soif et se nourrir ; 700 millions d’entre eux n’ont pas un accès direct à l’eau potable et 1 milliard n’a pas un niveau suffisant de nourriture ; 2 millions d’enfants de moins de 2 ans meurent chaque année de pathologies liées à l’eau insalubre ou insuffisante : virtuellement, un Boeing chargé d’enfants s’écrase toutes les deux heures, alors qu’en même temps le réseau d’alimentation de nos toilettes fonctionne avec de l’eau potable. La raison de cette situation incroyable est que l’eau potable n’est pas distribuée de manière homogène à la surface de la planète. L’eau recouvre environ 70 % de la surface terrestre, et il faut y ajouter l’eau présente sous forme de vapeur dans l’atmosphère et les eaux souterraines des couches aquifères. La réserve totale en eau est estimée à 1,4 milliard de kilomètres cubes. Si toute cette eau était ramenée à une bouteille de 1 l, la quantité d’eau douce disponible représenterait environ le quart d’une cuillère à café… Plus de 97 % de l’eau de la Terre est salée. Seuls 2,6 % sont considérés comme de l’eau douce, mais la majeure partie (2 %) est stockée dans les glaciers et les calottes glaciaires, dans les régions polaires et au Groenland. Cette eau n’est pas directement disponible. En fait, ce qui est réellement accessible se trouve dans le sol (0,59 %) ou dans les lacs, les rivières et les fleuves (0,01 %). Une eau douce en très faible quantité et mal distribuée géographiquement amène depuis des années des situations de stress hydrique sévère en Asie du Sud-Est, en Afrique subsaharienne et dans le pourtour méditerranéen. 

Mais le stress hydrique va aussi concerner des régions mieux dotées. L’augmentation démographique induit une intensification de l’agriculture et de l’industrie, qui utilisent des quantités importantes d’eau. De même, la production d’énergie secondaire, via les centrales thermiques, mobilise aussi des quantités significatives d’eau. Enfin, l’augmentation de l’activité induit une pollution potentielle de l’eau avec les pesticides, les nitrates et d’autres polluants issus de l’industrie. Tout cela conduit à limiter encore plus la quantité d’eau potable disponible.

L’eau, ressource vitale, est devenue une matière première rare d’une valeur marchande avérée, équivalente parfois à celle d’une denrée alimentaire. Cela commence par le commerce de l’eau en bouteille, largement rentable dans les pays industrialisés et au-delà. Mais à qui appartient réellement l’eau pompée et embouteillée ? Je me pose la question de la dette carbone de la bouteille d’Évian que je viens de trouver dans ma chambre d’hôtel à Tokyo. Cela ne s’adresse pas qu’aux pays riches, puisque l’eau en bouteille devient un marché florissant en Afrique, Amérique du Sud et Asie. Le Pakistan a servi de pays test pour lancer Pure Life une des 70 marques d’eau en bouteille de Nestlé Water, destinée aux pays hydriquement défavorisés.

PRODUIRE DE PLUS GROS VOLUMES D’EAU POTABLE : COMMENT FAIRE ?

Depuis très longtemps, l’homme a essayé de domestiquer l’eau pour sa consommation, l’agriculture, l’industrie et pour produire de l’électricité. Les exemples les plus emblématiques sont les barrages, comme celui d’Assouan en Égypte ou celui des Trois-Gorges en Chine. Ces grands travaux ont pour conséquences des bouleversements écologiques avérés ou potentiels. Mais même si les médias s’accordent à jeter l’opprobre sur ces grands ouvrages, qui pourrait dire ce qui se serait passé en Égypte sans le barrage d’Assouan, alors que la population égyptienne croît de manière constante et significative depuis 1970 ?

Les choix techniques sont limités, car l’équilibre entre produire de l’eau potable et préserver l’environnement est précaire. Toutefois, un procédé s’impose naturellement, puisqu’il concerne le traitement de la quantité d’eau la plus impor- tante : l’eau salée. Le dessalement de l’eau de mer a été effectué historiquement avec des procédés thermiques, mais le coût du pétrole a limité l’extension des procédés utilisés, qui ne représentent plus que 20 % des usines installées. 80 % sont maintenant dédiés aux procédés membranaires, et en particulier à l’osmose inverse.

Ce procédé, développé dans les années 1950 par Srinivasa Sourirajan et ses collaborateurs, fut rapidement considéré par les États-Uniens comme une rupture technologique pour produire de l’eau douce, notamment sur les bâtiments de l’US Navy. Le principe en est simple, il consiste à mettre en œuvre une membrane, un polymère dense ou très faiblement poreux, qui sous l’effet d’une pression appliquée à l’aide d’une pompe permet de retenir tous les constituants de l’eau salée et de ne laisser passer que l’eau pure. Ce procédé va à l’encontre du phénomène naturel d’osmose, qui consiste à créer un flux spontané depuis un compartiment dilué vers un compartiment concentré. Ici, on s’oppose à ce flux en appliquant de fortes pressions (60 à 80 bar) pour concentrer encore plus l’eau salée et produire, d’une part, une saumure et, d’autre part, une eau osmosée extrêmement pure avec un rendement de l’ordre de 50 %. D’ailleurs, cette dernière n’est pas indiquée pour la consommation humaine car l’eau potable doit contenir des oligoéléments (sels…). Ici, ce n’est pas compliqué, il suffit de mélanger 1 m3 d’eau salée à 10 m3 d’eau osmosée pour obtenir de l’eau potable.

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Les différentes couches d’une membrane utilisée pour le dessalement par osmose inverse : on filtre ainsi le sel de l’eau de mer par une sorte de « passoire » à mailles très fines.

Depuis quarante ans, des progrès considérables ont été faits dans le secteur des membranes, de sorte que sur des unités industrielles modernes le coût de production est de l’ordre de 0,50 /m3 d’eau.

Environ 120 millions de mètres cubes d’eau potable sont produits par jour dans le monde dans de telles unités. Les plus importantes, comme celles de Ashkelon en Israël ou de Perth en Australie, produisent entre 300 000 et 450 000 m3 d’eau par jour. Le poste le plus important du procédé est celui de l’énergie électrique pour les pompes, qui peut être fournie de manière renouvelable dans des petites unités, par énergie nucléaire pour de plus grandes installations. Dans les deux cas, ces unités fonctionnent avec des énergies décarbonées.

Autre aspect important, celui de l’impact sur l’environnement. Les premières unités d’osmose inverse de tailles conséquentes furent installées dans les années 1980, dans les pays du golfe Persique. L’eau salée concentrée, la saumure, était rejetée via un simple tuyau s’enfonçant de quelques dizaines de mètres dans l’océan. Ce rejet salin a fortement impacté l’environnement et l’écosystème local : poissons et plantes marines l’ont déserté. Actuellement, d’autres solutions de rejet de saumure sont déployées. Par exemple, dans l’unité de Perth ce n’est pas un simple tuyau qui est utilisé mais un réseau extrêmement complexe, avec plusieurs sorties possibles, qui s’enfonce dans l’océan. L’usine est connectée au Centre national océanographique australien, lequel indique en temps réel où se trouvent les courants les plus violents et les zones de turbulences. Le système de gestion d’effluents de l’usine de Perth choisit donc la zone de rejet où la turbulence est la plus élevée pour injecter, en discontinu et à de faibles volumes, la saumure ; le rejet est immédiatement dilué et son impact sur l’environnement est nul.

Le xxie siècle sera probablement celui de l’eau et du changement climatique. Il est possible de lire les zones de conflit dans le monde avec le crible de l’accès à l’eau, de la bande de Gaza au Tibet. Ces zones peuvent se multiplier, et le dessalement de l’eau de mer constitue une solution durable et adaptée pour diminuer le stress hydrique sur la planète. Les chercheurs et les entreprises françaises sont parmi les plus en pointe dans le domaine des procédés membranaires pour la production d’eau potable. Nous pouvons ainsi continuer à jouer un rôle majeur dans ce domaine. 

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