L’eau et la production d’eau potable: un enjeu majeur du XXIème siècle., Stéphane Sarrade*

Les avancées de la recherche en matière de dessalement de l’eau seront déterminantes pour assurer un accès à l’eau potable dans les décennies à venir. Stéphane Sarrade revient sur les enjeux autour de cette technique, ses principes et l’état de la recherche.  

 

*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.

LES RESSOURCES EN EAU DOUCE
Nous savons depuis toujours que la Terre est recouverte d’eau. En effet, notre planète contient environ 1400 millions de kilomètres cubes d’eau, répartis majoritairement entre les océans, les calottes glaciaires, les rivières et les lacs. Toutefois, seulement 0,003 % de cette quantité considérable, c’est-à-dire 45000 km3, constituent nos ressources en eau douce. En théorie, cette ressource peut être utilisée pour la consommation humaine : l’hygiène, l’agriculture et l’industrie.

En pratique, cette réserve n’est pas accessible dans sa totalité. Les pollutions aqueuses liées à l’agriculture ou à l’industrie ainsi que des événements climatiques, comme les inondations saisonnières, rendent l’eau extrêmement difficile à dépolluer ou bien à capturer avant qu’elle ne se déverse dans des rivières éloignées.

Selon l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), seuls finalement 9000à 14 000 km3 sont économiquement accessibles et disponibles pour l’utilisation humaine. Si nous mettions toute l’eau de la Terre dans une baignoire, l’eau douce accessible à l’homme tiendrait dans une simple cuillère à thé. Il faut noter que l’agriculture représente en moyenne 70 % de l’utilisation de l’eau dans le monde, proportion qui peut monter jusqu’à 90 % dans les pays en voie de développement.
La pression démographique que nous connaissons, avec plus de 7 milliards d’habitants actuellement, va normalement s’amplifier pour atteindre 9 milliards d’habitants entre 2030 et 2050.
À cela s’ajoute le changement climatique qui malheureusement va accentuer la pénurie en eau douce. Tout d’abord la multiplication des épisodes climatiques extrêmes (tempêtes, ouragans…) que nous allons connaître, en Europe en particulier, va entraîner des précipitations importantes et localisées qui vont avoir des difficultés à rejoindre les réservoirs naturels (rivières, lacs, nappes…) sans subir de pollutions chimiques ou microbiennes. De plus, dans le futur, l’augmentation de quelques degrés de la température à la surface de la planète va induire deux phénomènes: il va moins pleuvoir là où nous en aurions besoin, c’est-à-dire dans les zones géographiques en situation de stress hydrique, et il va beaucoup plus pleuvoir là où nous ne le souhaitons pas, en particulier au niveau des pôles, accélérant la fonte des réserves d’eau douce.


La question qui se pose actuellement est de savoir si d’ici à 2030, la ressource en eau douce sera suffisante pour soutenir la vie humaine. Au-delà de la quantité à produire, la qualité de l’approvisionnement en eau est également importante. Les océans et les mers recouvrent plus de 70 % de la surface terrestre. Aussi, pour combattre la pénurie en eau potable, sensible dans de nombreux pays, le dessalement semble être la solution la plus appropriée.


Il faut noter que, pour la première fois dans l’histoire des civilisations humaines, il va falloir utiliser de l’énergie pour produire de l’eau, alors que jusqu’à présent cela a été l’inverse. Il faudra de l’énergie pour construire les usines de dessalement, puis pour les faire fonctionner. Et même si nous pouvons payer pour cette énergie, la pollution due à la combustion des combustibles fossiles (charbon et gaz) nous oblige à envisager majoritairement des sources d’énergie décarbonées : nucléaire, éolien ou solaire. Logiquement, l’énergie hydroélectrique n’est pas envisageable pour des pays en stress hydrique.


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


LES PRINCIPES DU DESSALEMENT
Les principaux procédés de dessalement se répartissent en deux familles.


Il s’agit tout d’abord des procédés thermiques, avec en premier lieu la distillation multi-étagée, laquelle utilise de l’énergie thermique, souvent d’origine fossile. À l’heure actuelle, le dessalement solaire thermique fait l’objet de beaucoup de recherches pour répondre à des besoins localisés dans des zones de fort ensoleillement.
L’autre famille regroupe les procédés membranaires, avec en particulier l’électrodialyse et l’osmose directe ou inverse. Pour des usines centralisées produisant plusieurs centaines de millier de mètres cubes par jour, le procédé d’osmose inverse s’impose depuis plusieurs années comme un standard industriel.


L’osmose inverse repose sur l’utilisation d’une membrane semiperméable, un filtre en matériau polymère très sélectif alimenté en eau de mer ou en eau saumâtre. Il faut appliquer à l’eau entrante une pression de l’ordre 40 à 60 bar, bien supérieure donc à la pression osmotique de l’eau de mer (environ 25 bar). Après passage à travers ce filtre, de l’eau dessalée est récupérée dans le perméat. Le procédé ne nécessite pas de changement de phase et s’opère à température ambiante, ce qui permet de maîtriser la consommation d’énergie et de séparer les impuretés organiques et neutres. Cependant, en raison du fonctionnement à pression élevée, des pompes sont nécessaires, et elles sont d’autant plus onéreuses que le débit demandé est important. En outre, une alimentation en eau à concentration saline trop élevée ne convient pas à ce procédé: il faut dans ce cas prétraiter cette eau pour le bon fonctionnement des membranes.


LES ENJEUX AUTOUR DES PROCÉDÉS DE DESSALEMENT
L’enjeu principal du dessalement est son coût de production. Il faut le réduire au minimum afin de pouvoir installer des usines de dessalement dans des zones du monde en stress hydrique, des zones souvent pauvres économiquement. Les progrès réalisés sur la technologie des pompes et de membranes ont permis de diminuer de manière continue les coûts des procédés d’osmose inverse. Des récents progrès technologiques ont conduit à des couplages avec des sources de chaleur existantes pour faire des systèmes hybrides avec une récupération d’énergie accrue. À l’heure actuelle, le coût de 1 m3d’eau dessalée produit dans les plus grandes installations existantes est de l’ordre de 0,4 €/m3. Dans des installations de taille intermédiaire (quelques dizaines de milliers de mètres cubes par jour), comme au Brésil, l’utilisation de gaz naturel conduit à des coûts de production compris entre 0,7 et 1,6 €/m3.

 

Au-delà de l’aspect financier, le lien entre l’énergie, l’eau et l’environnement devient prédominant lorsqu’il est envisagé un futur développement d’usines de dessalement, notamment dans des économies de pays sous stress hydrique. Les nouvelles générations de procédés ou d’installations de dessalement doivent prendre en compte des exigences strictes en matière de prélèvements et de rejets dans l’environnement. Même si les procédés restent hautement efficaces en termes d’énergie et durabilité lorsqu’ils produisent de l’eau potable de bonne qualité, il faut prendre en compte le fait que les sources d’eau, qu’elles soient saumâtres ou marines, sont devenues de plus en plus contaminées tandis que la demande de capacités de dessalement augmente dans le monde. Les récents progrès autour du dessalement de l’eau de mer par osmose inverse sont orientés vers la minimisation des impacts environnementaux associés à la construction et à l’exploitation des systèmes de prélèvements et d’élimination des saumures, la partie à forte concentration en sel.


Pour les prélèvements en mer (souvent préférables pour un aspect visuel par rapport aux prélèvements côtiers), les systèmes de captage peuvent provoquer des collisions et l’entraînement de divers organismes marins. Ces impacts peuvent être minimisés en localisant la prise d’eau dans une zone géographique où la productivité maritime est faible. De plus, des systèmes d’aspiration à faible vitesse vont réduire les impacts en minimisant le nombre de poissons entraînés. Le développement de nouveaux systèmes d’écrans mobiles peut aussi permettre d’atténuer la destruction de certains organismes marins. En fin de procédé, l’élimination des saumures dans l’océan peut avoir un impact local sur la faune et la flore aquatiques si le rejet salin est mal dilué. Ces impacts peuvent être atténués en utilisant des systèmes de diffuseurs adaptés et localisés en fonction de la modélisation en temps réel du courant marin et du débit de rejet adapté.


L’USAGE DE CE PROCÉDÉ DANS DIFFÉRENTS PAYS
Dans le monde, nous produisons chaque jour plus de mètres cubes d’eau douce que de barils de pétrole. En effet, environ 47 millions de mètres cubes d’eau douce sont produits chaque jour à partir d’eau de mer. Cela correspond à 660 m3 d’eau douce produits par dessalement chaque seconde. Cela ne représente finalement que 0,45 % de l’eau douce consommée chaque jour, mais au total cela représente près de 21 milliards de mètres cubes d’eau chaque année. Nous ressentons déjà de manière aiguë le stress hydrique dans de nombreuses parties du monde, en particulier dans le Bassin méditerranéen, au Moyen-Orient et dans certaines parties de l’Asie. De nombreux pays ont investi ou vont investir dans les procédés de dessalement d’eau de mer.


Israël est particulièrement significatif dans ce domaine, car il conjugue un besoin croissant en eau associé à une situation géopolitique tendue. Avec plus de 8 millions d’habitants, le pays possède aujourd’hui une capacité de traitement de l’ordre de 2 millions de mètres cubes d’eau salée par jour, soit 500 millions par an, destinés à la consommation humaine, l’industrie et l’agriculture. En 2014, le dessalement représentait 35 % de la production totale d’eau potable. En réponse à la démographie croissante du pays, les autorités israéliennes prévoient un accroissement des capacités de dessalement d’eau de mer entre 2020 et 2050 pour atteindre 1,5 milliard de mètres cubes par an, répondant ainsi à 60 % de la demande en eau potable d’Israël. Les trois usines de dessalement de plus forte capacité (> 200000 m3/jour) existantes se trouvent à Hadera, Ashkelon et Palmachim. Cinq installations produisant plus de 100 000 m3/jour d’eau potable seront construites entre 2025 et 2050, à cela va s’ajouter la mise en oeuvre d’installations de recyclage des eaux usées (municipales et industrielles) et de traitement des eaux saumâtres. Israël investit énormément dans la recherche et développement innovante dans ce domaine. Les tensions entre Israël et la Palestine sont aussi lisibles à l’aune de l’accès à l’eau potable. L’eau est aussi un enjeu politique, et Israël fait évoluer sa politique: la construction de l’usine israélienne Hadera Inland (274m3/jour) devrait commencer dès 2020, elle a donné lieu à un accord avec l’Autorité palestinienne pour la fourniture d’eau potable. Cette dernière a indiqué que cet accord serait important pour la Palestine, mais qu’en aucun cas il ne permettrait de régler les causes du conflit israélo-palestinien.


Le XXIe siècle verra sûrement germer des conflits importants autour de l’accès à l’eau potable. En effet, nous risquons de manquer d’eau potable avant de manquer de pétrole.

2 commentaires

  1. Alors que les derniers modèles d’evolutions climatiques affolent les chercheurs, qu’il y ait des gens qui réfléchissent en terme de dessalement de l’eau au lieu de réfléchir en terme d’économies ou d’optImisation, c’est désolant. Des golfs ou des piscines dans le désert pour satisfaire les touristes, des utilisations industrielles inconsidérées, … L’humanité creuse sa tombe, et risque de se finir comme Cela s’est fini à Petra, qui ne s’est pas remise d’un tremblement de terre.

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    1. Je ne pense pas qu’il faille opposer les 2 démarches.

      L’espèce humaine a toujours progressé en cherchant à résoudre des problèmes très concrets comme celui de l’approvisionnement en eau qui est un besoin élémentaire de vie à satisfaire.

      Aujourd’hui, des contraintes écologiques sont ajoutées pour mener les recherches, rendant ainsi les choses plus dures et plus complexes: il faut bien s’y frotter en une sorte d’apprentissage pour découvrir parallèlement comment ces contraintes doivent être intégrées dans le process et les métiers de la recherche.

      Il ne faudrait pas non plus exagérer certaines consommations qu’on peut qualifier de luxe, mais dans nombre de pays concernés par la dessalinasation de l’eau comme au Moyen-Orient on ne peut pas parler d’utilisations industrielles qui en plus dans les pays développés viennent loin derrière les consommations agricoles.

      Peut-être manque-t-il dans ce dossier sur les formes de l’eau qu’il faut lire dans sa globalité un tableau donnant la consommation d’eau par pays par habitant (voir au moins la carte du monde dans l’article https://revue-progressistes.org/2019/04/11/allons-nous-bientot-manquer-deau-ghislain-de-marcily/)

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