Ne soyez pas salé : comment faire fonctionner le dessalement dans le monde de demain

Bien que l’eau soit souvent rare pour la consommation humaine et l’agriculture, cette planète est couverte aux trois quarts par la substance. Le problème est de faire sortir le sel, et cela est normalement fait par le cycle de l’eau de la Terre, qui produit de la pluie et des phénomènes similaires qui reconstituent la quantité d’eau douce. Environ 3% de l’eau sur Terre est de l’eau douce, dont une fraction est de l’eau potable.

Au cours des dernières décennies, l’utilisation du dessalement a augmenté d’année en année, en particulier dans des pays comme l’Arabie saoudite, Israël et les Émirats arabes unis, mais des États américains desséchés comme la Californie se tournent de plus en plus vers les technologies de dessalement. Les obstacles évidents auxquels le dessalement est confronté – quelle que soit la technologie exacte utilisée – impliquent l’énergie nécessaire pour faire fonctionner ces systèmes et le coût final de l’eau potable produite par rapport à son importation d’ailleurs.

D’autres problèmes qui surgissent avec le dessalement incluent l’impact environnemental, en particulier des déchets de saumure et éventuellement de la vie marine aspirée dans les tuyaux d’admission. À mesure que le besoin de dessalement augmente, quelles sont les options disponibles pour réduire les besoins en énergie et l’impact environnemental ?

Chauffage, filtrage et déchets

Diagramme de salinité de l'eau.  (Crédit : Peter Summerlin)
Diagramme de salinité de l’eau. (Crédit : Peter Summerlin)

Un type courant de dessalement est la distillation, qui est essentiellement ce qui se passe également dans la nature par l’évaporation des eaux de surface. Au fur et à mesure que l’eau est chauffée, elle s’évapore, les sels et autres matières solides dissoutes restant. Lorsque ce processus est effectué à l’aide d’une chaleur intense et par étapes, il est appelé distillation flash multi-étapes (MSF), qui est l’un des trois types de distillation les plus courants, avec la distillation multi-effets (MED) qui utilise des étapes avec chauffage vapeur qui se couple à l’étape suivante, réutilisant efficacement la chaleur. Cependant, le type de distillation de loin le plus courant (part d’environ 69 %) est l’osmose inverse (RO), qui utilise un différentiel de pression à travers une membrane qui permet aux molécules d’eau de passer, mais pas aux molécules de sel et à de nombreux autres solides dissous.

Il est important de garder à l’esprit que le résultat d’aucun de ces processus de dessalement à grande échelle n’est une séparation nette entre l’eau et tout ce qui reste. Au lieu de cela, il y a une sortie d’eau douce (~ 40% pour l’osmose inverse), avec un débit de concentré qui est essentiellement de l’eau saumâtre, permettant avec tous les contaminants présents dans l’eau saline ou saumâtre d’admission. Ce débit de concentré est ce qui est renvoyé à la mer ou à un autre plan d’eau d’où l’eau de prise a été puisée.

En plus de la teneur en sel beaucoup plus élevée de ce flux de concentré, environ deux fois celle de l’eau de mer, il a également une température beaucoup plus élevée que l’eau d’alimentation des usines de dessalement thermique. Bien qu’une augmentation de la température de la saumure rejetée ait des effets négatifs évidents sur la vie marine locale, il a été signalé que le panache d’eau saumâtre persistait jusqu’à 5 km du site de rejet à certains endroits. Cela rendrait la zone impropre à un certain nombre d’espèces qui supportent mal l’eau saumâtre.

  Nombre et capacité des installations de dessalement opérationnelles par (a) technologie et (b) type d'eau d'alimentation.  (Ihsanullah et al., 2021)
Nombre et capacité des installations de dessalement opérationnelles par (a) technologie et (b) type d’eau d’alimentation.
(Ihsanullah et al., 2021)

Une grande partie de cela est mise en évidence dans une revue d’août 2021 par Ihsanullah et al. détaillant l’impact environnemental connu des installations de dessalement d’aujourd’hui, ainsi que des stratégies pour rendre le dessalement plus respectueux de l’environnement. Cet examen couvre également les additifs qui sont couramment ajoutés à l’eau d’admission et qui peuvent se retrouver dans l’environnement, notamment :

  • antitartre.
  • additifs de contrôle de l’encrassement biologique (par exemple chlore et hypochlorite de sodium).
  • additifs anti-mousse.
  • produits chimiques de nettoyage, par exemple pour le nettoyage des membranes.

De plus, le flux de déchets peut inclure divers autres contaminants, tels que le cuivre et le nickel résultant de la corrosion des échangeurs de chaleur et d’autres composants de l’usine de dessalement. De par la nature du processus de dessalement, les concentrations de métaux lourds seront également augmentées. Pour réduire l’impact environnemental de ce flux de déchets, les flux de rejet des usines de dessalement sont de plus en plus traités avant d’être rejetés dans l’environnement.

Le bénéfice énergétique des membranes

Ihsanullah et al., 2021
Ihsanullah et al. (2021)

Jusque dans les années 1980, l’utilisation du dessalement thermique était courante, date à laquelle l’osmose inverse est devenue disponible dans le commerce. Un avantage considérable de l’osmose inverse est ses besoins énergétiques beaucoup plus faibles par mètre cube d’eau douce produite (Elsaid et al., 2020), MSF (fonctionnant à 120°C) nécessitant le plus d’énergie, en particulier thermique. MED utilise beaucoup moins d’énergie en raison de sa réutilisation de la chaleur dans ses étapes successives. Comme on peut le voir dans le tableau reproduit ici de Ihsanullah et al. (2021), pour RO, le manque de besoins en énergie thermique le rend nettement plus efficace par défaut, ne nécessitant que de l’énergie électrique pour créer le gradient de pression à travers la membrane.

En nécessitant de l’électricité plutôt que de l’électricité et de l’énergie thermique, pratiquement n’importe quelle source d’énergie électrique constante peut être utilisée, ce qui rend l’osmose inverse très polyvalente et adaptée aux petites et grandes installations. Compte tenu de la diminution rapide de la part de marché des installations de dessalement thermique, il est probable que l’osmose inverse et les technologies similaires à base de membranes continueront de dominer le marché dans un avenir prévisible.

L’ionisation capacitive (CDI) et l’inversion électrodialyse/électrodialyse (ED et EDR respectivement) font partie d’un certain nombre de technologies plus récentes qui sont utilisées, mais principalement pour l’eau plus saumâtre. Outre la nanofiltration (NF) et les technologies de filtration similaires, celles-ci sont freinées par des problèmes de matériaux ainsi que par une consommation d’énergie plus élevée (en particulier avec CDI et ED/EDR). Les autres technologies répertoriées sont l’électro-déionisation, la distillation membranaire et l’osmose directe (FO), selon WNA.

Une source d’énergie attrayante pour alimenter les usines de dessalement – qu’elles soient thermiques ou à membrane – est un réacteur nucléaire. Ceux-ci peuvent fournir à la fois de l’énergie électrique et de la chaleur, avec par exemple la JAEA du Japon faisant la démonstration d’une usine de dessalement MSF alimentée par un réacteur à haute température appelé le GTHTR300. Comme MSF peut traiter plus facilement, par exemple, l’eau fortement polluée mieux que l’OI en l’absence de prétraitement de l’eau d’admission, la chaleur résiduelle des réacteurs nucléaires (y compris les réacteurs à eau légère existants aujourd’hui) peut rendre MSF et MED beaucoup plus compétitifs par rapport à l’OI, tandis que prévenir la pollution des usines de dessalement MSF et MED d’aujourd’hui, principalement alimentées au gaz naturel.

Cela a été démontré au cours des dernières décennies, par exemple au Kazakhstan (réacteur rapide BN-350) et au Japon, où dix usines de dessalement ont été alimentées par des réacteurs à eau sous pression (REP), employant principalement MED et RO. En Corée du Sud, certains de ses REP exploitent également des usines de dessalement MED qui génèrent principalement de l’eau pour ses propres systèmes de refroidissement. En Égypte et au Pakistan, leurs nouvelles centrales nucléaires sont également utilisées pour faire fonctionner des installations MED et RO.

Recycler les déchets

Bien qu’il soit généralement arrivé que le flux de déchets des usines de dessalement soit rejeté dans l’environnement, il existe de bonnes raisons d’utiliser à la place autant que possible cette eau saumâtre concentrée. En particulier dans le cas où l’eau de mer est utilisée comme eau d’alimentation, le concentré à la sortie du processus de dessalement contiendra des quantités importantes de magnésium, d’or, d’uranium, de brome, de potassium, de césium, de rubidium et de lithium, dont au moins une partie peut être économiquement récupérable.

Récemment, nous nous sommes penchés sur la récupération de l’uranium à partir de l’eau de mer, ce qui est difficile car il n’y a que quelques parties par million d’uranium dissous, ce qui est également le cas pour les autres métaux et minéraux susceptibles d’être intéressants. Bien que les océans contiennent plus d’uranium et plus que ce qui peut être raisonnablement extrait de la croûte terrestre, le fait est qu’il y a encore plus d’eau dans laquelle il est dilué.

Étant donné que les usines de dessalement réduisent massivement la quantité d’eau, il s’ensuit logiquement que les «déchets» résultants auront des concentrations beaucoup plus élevées d’uranium, de lithium, etc., ce qui peut rendre attrayant de les filtrer hors de ce flux concentré. Le résultat de ceci peut être que nous pouvons utiliser une grande partie sinon la majeure partie de ce concentré, ce qui réduirait la quantité d’eau saumâtre, éventuellement contaminée, qui se retrouve dans l’environnement.

L’espoir jaillit éternellement

Si nous devons utiliser des sources d’énergie moins chères et respectueuses de l’environnement pour nos usines de dessalement et utiliser autant de ressources que possible à partir des «déchets» produits par ces usines, nous pourrions en fait économiser de l’argent et des dommages environnementaux provenant de l’exploitation minière ailleurs. C’est peut-être cette perspective qui est la plus utile dans toute discussion sur le dessalement.

Comme indiqué précédemment, il est courant que les centrales nucléaires soient impliquées dans le dessalement. Lorsque ce processus peut être effectué à l’aide de la technologie MED en utilisant ce qui équivaut essentiellement à de la chaleur perdue et que les déchets saumâtres sont traités correctement, il peut alors fournir à des millions de personnes une eau potable en abondance. Une partie essentielle d’une partie de dessalement qu’il est difficile de sous-estimer est qu’elle nécessite un accès à une mer, un océan ou une autre source importante d’eau saumâtre ou saline.

Lorsqu’une ville est placée au milieu d’un désert, alors ladite eau potable devra toujours être fournie par canalisation ou similaire. Mais c’est une toute autre paire de manches.