Le marché de la désalinisation et les différentes solutions techniques disponibles

Le marché de la désalinisation et les différentes solutions techniques disponibles

Dossier sur la désalinisation, Article 2 / 3

Comme nous avons pu le voir dans le précédent article « La Désalinisation solaire, solution pour un problème mondial grandissant ? », la désalinisation semble être le moyen technique le plus approprié pour résoudre le problème mondial de la pénurie d'eau douce. D'une part en apportant une nouvelle source d'approvisionnement, particulièrement dans des pays proches de l'océan et connaissants des stress hydriques importants. Et d'autre part, en traitant les eaux usées de différentes industries mondiales par ces mêmes techniques, pour nous permettre d'économiser et de réduire notre consommation mondiale d'eau douce naturelle.

La désalinisation solaire, un marché très prometteur

Ces techniques de désalinisation qui peuvent aussi s'appliquer au traitement des eaux usées représentent donc une voie d'avenir face à la problématique de la pénurie d'eau douce, qui va devenir au cours des années de plus en plus critique. La demande pour cette technologie est d'ailleurs en très forte croissance et elle deviendra une ressource incontournable pour le 21e siècle. Mondialement, on prévoit que les investissements cumulatifs en désalinisation vont atteindre 88 milliards de dollars US en 2016.(1)
Étant donné que les énergies fossiles ont de plus en plus de désavantages au niveau de leurs coûts environnementaux et économiques, la désalinisation solaire est donc en train de devenir un marché d'avenir. De plus, les pays qui ont les plus grands besoins en désalinisation se trouvent dans des régions avec un grand potentiel solaire.

Les principales techniques de désalinisation utilisée dans l'industrie

La teneur en sel de l'eau de mer est d'environ 35 g par litre (35 000 ppm) et elle peut atteindre des concentrations de 39 g par litre dans certaines mers du monde. Pour faire de l'eau douce, les techniques de désalinisation doivent donc faire passer la concentration des sels dans l'eau à moins de 1 g par litre (1000 ppm). On dessale depuis le début du siècle, mais les technologies de désalinisation et de traitements des eaux ont beaucoup évolué depuis plusieurs années et certaines sont devenues très efficaces. Nous allons ici détailler les trois principales techniques utilisées dans le marché actuel de la désalinisation : l'osmose inversée (RO), la distillation multiflash (MFS), et la distillation à multiple effet (MED).

- l'osmose inversée (reverse osmosis, RO)

L'osmose inverse est un procédé de séparation de l'eau et des sels dissous au moyen de membranes semi-perméables, et ce principalement sous l'action d'une forte pression (54 à 80 bars pour le traitement de l'eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n'implique pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les molécules d'eau et ne laissent pas passer les particules plus grosses, comme les sels dissous, les virus et les molécules organiques. Différents filtres sont utilisés pour enlever les plus grosses particules avant que l'eau traverse la membrane.
Cette technique produit environ 50 % d'eau douce et 50 % d'eau saumâtre et elle demande beaucoup d'énergie électrique pour actionner les pompes. Mais le plus gros inconvénient est que c'est une solution qui demande beaucoup d'entretien avec un personnel qualifié. À la fin du processus, la teneur en sels de l'eau osmosée est de l'ordre de 500ppm.

- Le procédé de distillation à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation, MSF)

Ce procédé dit « Flash » consiste à maintenir l'eau sous pression pendant toute la durée du chauffage et lorsqu'elle atteint une température de l'ordre de 120 °C, elle est introduite dans une enceinte (ou étage) où règne une pression réduite. Il en résulte une vaporisation instantanée par détente appelée Flash. Il y a plusieurs chambres de décompression avec des pressions encore plus faibles (jusqu'à 40 chambres de décompressions Flash dans les grosses installations). L'eau douce évaporée est ensuite récupérée.
Cette technique demande de l'énergie électrique pour les pompes et beaucoup d'énergie thermique pour chauffer l'eau de mer.
L'avantage principal du procédé MSF est que l'évaporation de l'eau de mer ne se produit pas autour d'une surface puisque le liquide « flash ». Ceci limite les risques d'entartrage.
La teneur en sel de l'eau douce produite est inférieure à 10 ppm.

- Le procédé de distillation à multiples effets (Multi-Effect distillation MED)

Cette technique utilise également le principe de distillation, sauf que l'évaporation se fait au contact d'une surface chaude. Ce procédé est basé sur le principe de l'évaporation sous pression réduite de l'eau de mer chauffée à une température variant entre 70 et 80 °C. L'évaporation de l'eau a lieu sur une surface d'échange, contrairement au cas du MSF. Cela entraine des problèmes d'entartrage de cette surface avec le temps et en fonction des conditions. Il faut limiter la température à 70°C pour éviter les problèmes d'entartrage.
Les évaporateurs multiples-effets à tubes horizontaux sont les appareils les plus utilisés actuellement. Dans ces appareils, le fluide de chauffage s'écoule dans les tubes horizontaux tandis que l'eau de mer s'écoule sous forme de film uniforme sur l'extérieur des tubes. L'eau s'évapore et l'eau douce est ensuite extraite des tubes, tout en libérant sa chaleur en se condensant. On récupère ainsi une partie de l'énergie de chauffage. La teneur en sel de l'eau douce produite est inférieure à 10 ppm.

Toutes ces technologies utilisent beaucoup d'énergie et les sources d'énergie renouvelables sont de plus en plus rentables et adaptées pour ce genre d'installation. La concentration solaire est une énergie renouvelable particulièrement prometteuse pour ce créneau, surtout lorsqu'il y a un besoin de chaleur pour distiller l'eau.

Les enjeux de la désalinisation

Par contre quelle que soit les techniques employées, le principal déchet de cette industrie : l'eau saumâtre très concentrée en sel, pose de sérieux défis environnementaux. Actuellement, les eaux saumâtres sont parfois rejetées dans le milieu marin en étant diluées préalablement, mais des études tendent à prouver que la teneur en sel des mers environnantes est affectée par de telles pratiques avec des conséquences dramatiques pour la vie marine. De plus, des polluants tels que le cuivre et le chlore sont rejetés de façon importante avec les eaux saumâtres, nécessitant des mesures de contrôle de l'impact environnemental de telles installations.

En milieu continental, on dispose parfois de ce résidu en injectant l'eau saumâtre dans des puits profonds (avec le risque à long terme de contaminer les nappes phréatiques), ou bien en créant des étangs d'évaporation.
Une des pistes de solution à cette problématique serait de parvenir à condenser au maximum les résidus de sel de façon solide et de les revaloriser, soit pour la consommation, soit pour l'industrie chimique.

Références
1. IEA-ETSAP and IRENA Technology Brief I12 - March 2012. IEA-2012.