L’eau : qualité et disparités

Mars 2020

Par Philip Davies, professeur des technologies de l’eau à l’École d’ingénieurs de l’Université de Birmingham (Royaume-Uni)

Environ un demi-milliard de personnes souffrent actuellement d’une grave pénurie chronique d’eau, et entre 1,8 et 2,9 milliards de personnes sont confrontées à une grave pénurie plusieurs mois par an. À l’horizon 2025, la moitié de la population mondiale vivra dans des zones touchées par le stress hydrique.

À l’horizon 2025, la moitié de la population mondiale vivra dans des zones touchées par le stress hydrique. (Photo : Max2611/iStock/Getty Images Plus)

Sur le plan de la qualité, les ressources hydriques de la planète sont mal réparties. Les océans concentrent l’immense majorité des ressources en eau (97,5%) et cette eau est impropre à la consommation car elle est trop salée. Les eaux superficielles de bonne qualité constituent moins de 0,5% des ressources en eau. Entre ces deux extrêmes se trouvent d’autres sources, notamment les eaux souterraines qui, dans de nombreuses régions, sont trop salées pour être rendues propres à la consommation sans subir de traitement, et les flux de déchets industriels, qui contiennent parfois un grand nombre de polluants naturels ou découlant de l’activité humaine.

Les zones les plus exposées au stress hydrique sont celles où la réalimentation naturelle des aquifères grâce aux précipitations ne permet pas de répondre à la demande d’eau pour la consommation et l’irrigation. C’est notamment le cas des régions désertiques (comprises approximativement entre 15° et 45° de latitude), en particulier dans l’hémisphère nord. Les capacités des pays situés dans ces régions pour ce qui est de construire des infrastructures telles que des barrages, des conduites d’eau et des usines de dessalement varient d’un pays à l’autre.

Étant donné qu’il faut beaucoup plus d’eau pour l’agriculture que pour la consommation directe, la capacité économique des pays d’importer de la nourriture constitue également un facteur important. À l’heure actuelle, des pays tels que le Koweït ou le Qatar, qui ne disposent pratiquement d’aucune source d’approvisionnement naturelle renouvelable en eau, contournent ce problème en dessalant l’eau destinée à la consommation et en important de la nourriture. D’autres pays comme la Somalie et le Yémen, confrontés à une situation économique et politique difficile, font face au stress hydrique et à une pénurie d’eau extrêmement grave. Pour ce qui est des prévisions, les régions les plus exposées au manque d’eau comprennent l’Égypte, le Pakistan, l’Inde ainsi que le nord et le nord-ouest de la Chine.

Le dessalement de l’eau de mer est une solution intéressante pour fournir un meilleur approvisionnement en eau à une grande partie de la population exposée au stress hydrique. Grâce aux innovations technologiques, la capacité de production d’eau douce des usines de dessalement s’est fortement accrue et la quantité d’énergie nécessaire pour dessaler l’eau de mer ces 20 dernières années a été réduite de près de moitié, ce qui rend ce procédé beaucoup plus accessible. (Photo : PhotoStock-Israel/Alamy Stock Photo)

Des usines de dessalement sur le littoral

De manière générale, les civilisations se sont développées le long des littoraux. Le dessalement de l’eau de mer est donc une solution intéressante pour fournir un meilleur approvisionnement en eau à une grande partie de la population exposée au stress hydrique. Toutefois, le coût de construction des usines de dessalement est élevé et, il y a peu, elles utilisaient jusqu’à trois fois plus d’énergie que les usines de traitement traditionnelles. Dans la pratique, les pays dotés de solides ressources financières et riches en combustibles fossiles de la région du Golfe sont donc les principaux utilisateurs du procédé de dessalement de l’eau de mer.

Ces usines éliminent le sel de l’eau grâce au procédé d’osmose inverse qui, sous l’effet de la pression, filtre l’eau de mer à travers une membrane semi-perméable dont les ouvertures laissent passer les molécules d’eau et les ions mais retiennent les molécules de sel, plus grandes. Grâce aux innovations qui ont vu le jour, la qualité de ces membranes a été progressivement améliorée, ce qui a permis d’augmenter la production d’eau douce. La capacité des usines de dessalement s’est dont nettement accrue et chacune produit à présent environ un million de mètres cubes d’eau douce quotidiennement.

Ce perfectionnement de la technologie utilisée dans les usines de dessalement, ainsi que d’autres améliorations, a permis de diviser quasiment de moitié la quantité d’énergie utiliser pour dessaler l’eau de mer ces 20 dernières années, ce qui a rendu ce procédé beaucoup plus accessible. Cette évolution va se poursuivre dans une certaine mesure mais, passée une certaine limite, il est impossible de gagner encore en rendement énergétique; tout au plus, la consommation d’énergie pourrait être réduite de moitié par rapport au niveau actuel.

Quelle est la solution pour les populations des régions de l’intérieur?

Pour de nombreuses populations des régions de l’intérieur, notamment en Chine, en Inde et aux États-Unis d’Amérique, le transport d’eau de mer dessalée n’est une option ni sur le plan matériel ni sur le plan économique. Les personnes vivant dans ces régions sont souvent tributaires d’une eau souterraine de piètre qualité.

Les recherches que j’ai menées dans le nord-ouest de l’Inde m’ont rendu profondément conscient de ces difficultés. D’après l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture, 64% de l’agriculture dépend des eaux souterraines. Les études relatives aux zones souterraines indiquent qu’environ la moitié du territoire de l’Inde se situe au-dessus d’aquifères qui sont trop salés et impropres à la consommation en vertu de la législation.

Toutefois, ces eaux sont généralement beaucoup moins salées que l’eau de mer et, en théorie, il devrait être possible d’utiliser moins d’énergie pour la dessaler. Il y a là une bonne occasion de mettre au point des solutions innovantes visant à rendre le dessalement des eaux souterraines plus abordable et ainsi plus accessible pour les populations défavorisées sur le plan économique.

Notre technologie

À l’Université de Birmingham, nous avons mis au point une technologie destinée avant tout au traitement des eaux souterraines. Le rejet de saumure est un défi de taille dans le cadre de ce traitement. Notre technologie à récupération élevée permet de transformer un grand volume d’eau souterraine en eau douce en produisant le moins de saumure possible. Il est difficile d’obtenir un tel résultat car l’augmentation du taux de récupération va à l’encontre de la diminution de l’utilisation d’énergie.

La première étape a consisté à modéliser la consommation d’énergie des systèmes d’osmose inverse existants et à mettre au point un système destiné précisément à économiser de l’énergie. Nous avons conçu un système de dessalement indépendant du réseau et alimenté par des énergies renouvelables.

Le bilan énergétique des systèmes d’osmose inverse est défini par les lois de la thermodynamique : à mesure que la pression appliquée à l’eau d’alimentation augmente, le volume diminue (à une température normale). Ici, l’élément clé est l’énergie utilisée pour garder l’eau salée sous pression. Cette énergie doit être fournie par une pompe à haute pression, qui est l’élément le plus gourmand en énergie du système de dessalement. Notre système utilise des pressions légèrement supérieures à celles définies par la thermodynamique, tandis que les systèmes conventionnels utilisent des pressions plusieurs fois supérieures à ces dernières.

Sur le plan de la qualité, les ressources hydriques de la planète sont mal réparties. Les océans concentrent l’immense majorité des ressources en eau (97,5%) et cette eau est impropre à la consommation car elle est trop salée. Les eaux superficielles de bonne qualité constituent moins de 0,5% des ressources en eau. (Photo : Tom Hanley/Alamy Stock Photo)

Dès le départ, nous nous sommes efforcés de concevoir un système qui pourrait être construit entièrement à partir de composants existants. Nous avons choisi un modèle en circuit fermé qui recycle le concentré salin afin de maintenir la pression au minimum. Notre modèle repose sur un système de soupapes qui empêche le concentré recyclé de se mélanger à l’eau d’alimentation, ce qui pourrait réduire l’efficacité et augmenter la consommation d’énergie.

Ce nouveau système de soupapes nous a également permis de concentrer les étapes de purge et de remplissage en une seule étape au cours de laquelle le système est vidangé à très haute vitesse et les dépôts sur la membrane sont nettoyés. Cette étape unique limite également les interruptions de service et permet d’accroître le rendement du système.

Nous avons dénommé ce système osmose inverse en circuit fermé pour le distinguer des systèmes d’osmose inverse existants. Par rapport à ces derniers, notre procédé devrait permettre de réaliser une économie d’énergie de 33 à 66% à un taux de récupération de 80%.

Mais l’intérêt de notre système d’osmose inverse en circuit fermé ne s’arrête pas là. Notre modèle ouvre la voie à l’utilisation de membranes à faible pression, qui requièrent une pression de pompage moindre. Ces membranes devraient avoir une durée de vie plus longue, réduisant ainsi les coûts de maintenance. Grâce à la fonction de vidange, ce système se nettoie automatiquement et peut donc être utilisé dans des lieux isolés par un personnel non technique.

Pourquoi déposer une demande de brevet?

Nous avons conçu ce système à partir de composants disponibles sur le marché. Néanmoins, nous sommes ouverts à tout modèle de commercialisation, y compris à l’entreprise sociale, et nous avons choisi de déposer des demandes de brevet afin de n’écarter aucune solution possible. Nous avons l’intention de protéger notre technologie sur de nombreux marchés en vertu du Traité de coopération en matière de brevet (PCT).

Le système d’osmose inverse en circuit fermé mis au point par des chercheurs de l’Université de Birmingham (Royaume-Uni) est une solution économe en énergie, indépendante du réseau et alimentée par des énergies renouvelables. Elle est idéale pour les communautés défavorisées sur le plan économique. (Photo : ABHISHEK KUMAR SAH/iStock/Getty Images Plus)

Nous avons mis en route un projet dans la vallée du Jourdain, qui est un bon terrain d’essai. La vallée du Jourdain est une impasse hydrologique; il n’est donc pas surprenant que le sel s’accumule et rende le bassin du Jourdain problématique pour ce qui est de la gestion de l’eau destinée à l’agriculture.

Le tarissement de la nappe phréatique dans cette région du monde est un problème transnational. Les accords internationaux limitent l’accès des Palestiniens vivant en Cisjordanie aux eaux souterraines, et une mauvaise gestion s’est traduite par un pompage excessif et des taux de salinité de l’eau sans précédent qui ont engendré des modifications des modes de culture. Les cultures marchandes intolérantes au sel ont été remplacées par des palmiers dattiers medjool qui requièrent beaucoup d’eau et pourraient épuiser les réserves souterraines d’ici cinq ans.

Ce projet est la continuation de travaux menés avec des étudiants de l’institut Arava en Israël, qui ont participé à la mise au point du prototype de notre technologie. Nous retournons dans cette région pour construire et tester une version de notre système mise à l’échelle. Nos partenaires à Ramallah font actuellement l’acquisition des composants et la construction devrait commencer au second semestre de cette année.

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