L'eau de mer peut-elle étancher notre soif croissante?

L'eau de mer peut-elle étancher notre soif croissante?

Un monde de plus en plus stressé par l'eau jette un nouveau regard sur le dessalement. Cela semble assez simple: sortez le sel de l'eau pour le boire.

Mais c'est beaucoup plus complexe qu'il n'y paraît à première vue. Il est également de plus en plus crucial dans un monde où les ressources en eau douce sont progressivement limitées par la croissance démographique, le développement, la sécheresse, le changement climatique et plus encore. C'est pourquoi les chercheurs et les entreprises des États-Unis en Australie peaufinent un concept vieux de plusieurs siècles qui pourrait être l'avenir de la soif du monde.

«En ce qui concerne l'augmentation de l'approvisionnement en eau, vous avez quatre options: augmenter votre quantité de réutilisation, augmenter votre stockage, la conserver ou vous tourner vers une nouvelle source», déclare Tom Pankratz, consultant en dessalement et rédacteur en chef de l'hebdomadaire spécialisé. Rapport de dessalement de l'eau. "Et pour de nombreux endroits à travers le monde, la seule nouvelle source est le dessalement."

Processus coûteux

La technologie de dessalement existe depuis des siècles. Au Moyen-Orient, les gens ont longtemps évaporé les eaux souterraines saumâtres ou l'eau de mer, puis condensé la vapeur pour produire de l'eau sans sel à boire ou, dans certains cas, pour l'irrigation agricole.

Au fil du temps, le processus est devenu plus sophistiqué. La plupart des installations de dessalement modernes utilisent l'osmose inverse, dans laquelle l'eau est pompée à haute pression à travers des membranes semi-perméables qui éliminent le sel et d'autres minéraux.

Dans le monde entier, environ 300 millions de personnes obtiennent de l'eau douce de plus d'usines de dessalement 17,000 dans les pays 150. Les pays du Moyen-Orient ont dominé ce marché par nécessité et disponibilité énergétique, mais avec les menaces de pénurie d'eau douce qui se répandent dans le monde, d'autres se joignent rapidement à leurs rangs. Selon Randy Truby, contrôleur et ancien président de la société, la capacité de l'industrie augmente d'environ 8 par an. Association internationale de dessalement, un groupe industriel, avec des "bouffées d'activité" dans des endroits comme l'Australie et Singapour.

Aux États-Unis, une usine de 1 milliards de dollars est en cours de construction à Carlsbad, en Californie, pour fournir environ 7 pour cent des besoins en eau potable pour la région de San Diego. Quand il sera en ligne à la fin de 2015, il sera le plus grand en Amérique du Nord, avec une capacité de 50-million-gallon-par-jour. Et la Californie a actuellement des propositions d'usines de dessalement 16 en cours.

La majeure partie de l'eau sur Terre se trouve dans les océans et autres masses d'eau salée.

Mais le dessalement est cher. Un millier de gallons d'eau douce provenant d'une usine de dessalement coûte au consommateur américain moyen 2.50 $ 5, dit Pankratz, par rapport à $ 2 pour l'eau douce conventionnelle.

C'est aussi un poumon énergétique: les usines de dessalement du monde consomment plus de 200 millions de kilowattheures par jour, avec l'énergie coûte environ 55 pour cent des coûts totaux de fonctionnement et d'entretien des usines. Il faut environ 3 à 10 dans la plupart des usines d'osmose inverse pour produire un mètre cube d'eau douce à partir de l'eau de mer. Les usines traditionnelles de traitement de l'eau potable utilisent généralement bien moins de 1 kWh par mètre cube.

Et cela peut causer des problèmes environnementaux, en déplaçant les créatures vivant dans les océans et en altérant les concentrations de sel autour d'elles.

La recherche sur une série d'améliorations de dessalement d'eau de mer est en cours pour rendre le processus moins coûteux et plus respectueux de l'environnement - y compris la réduction de la dépendance énergétique de carburant dérivé fossile, qui perpétue le cercle vicieux en contribuant au changement climatique qui contribue à l'eau douce des pénuries en premier lieu.

Mise à niveau membranaire

La plupart des experts disent que l'osmose inverse est aussi efficace qu'elle le sera. Mais certains chercheurs essaient de presser plus en améliorant les membranes utilisées pour séparer le sel de l'eau.

Les membranes actuellement utilisées pour le dessalement sont principalement des films minces de polyamide roulés dans un tube creux à travers lequel l'eau s'échappe. Une façon d'économiser de l'énergie consiste à augmenter le diamètre des membranes, ce qui est directement lié à la quantité d'eau douce qu'elles peuvent produire. Les entreprises passent de plus en plus de membranes 8-inch à 16-inch, qui ont quatre fois la surface active.

"Vous pouvez produire plus d'eau tout en réduisant l'empreinte de l'équipement», explique Harold Fravel Jr., directeur exécutif de la American Membrane Technology Association, une organisation qui fait progresser l'utilisation des systèmes de purification de l'eau.

Beaucoup de recherches sur les membranes sont axées sur les nanomatériaux - des matériaux à propos de 100,000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain. Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont rapporté dans 2012 qu'une membrane faite d'une feuille d'atomes de carbone d'un atome d'atomes appelée graphène pouvait fonctionner aussi bien et nécessitait moins de pression pour pomper l'eau que le polyamide, qui est environ mille fois plus épais. Moins de pression signifie moins d'énergie pour faire fonctionner le système et, par conséquent, réduire les factures d'énergie.

Le graphène est non seulement durable et incroyablement mince, mais, à la différence de polyamide, ce n'est pas sensible aux composés de traitement de l'eau tels que le chlore. En 2013, Lockheed Martin a breveté la membrane Perforene, qui est un atome d'épaisseur avec des trous suffisamment petits pour le sel de piège et d'autres minéraux, mais qui permettent l'eau de passer.

Philip Davies, un chercheur de l'Université Aston spécialisé dans les systèmes économes en énergie pour le traitement de l'eau, est une autre solution de nanomatériaux populaire, les nanotubes de carbone. Les nanotubes de carbone sont attrayants pour les mêmes raisons que le graphène - matériau solide et durable emballé dans un emballage minuscule - et peuvent absorber plus de 400 pour cent de leur poids en sel.

Les membranes doivent être remplacées, de sorte que la durabilité des nanotubes de carbone et leur taux d'absorption élevé réduisent la fréquence de remplacement, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.

La technologie membranaire «a l'air sexy, mais ce n'est pas facile», dit Pankratz. "Il y a des défis d'ingénierie quand on fait quelque chose d'aussi mince qui maintient l'intégrité."

Selon Wendell Ela, professeur d'ingénierie chimique et environnementale à l'Université de l'Arizona, les nanotubes de graphène et de carbone sont à des décennies d'utilisation généralisée. "Je les vois avoir un impact, mais c'est une issue."

Truby a déclaré que les obstacles à la commercialisation comprennent l'ingénierie de tels petits matériaux et la fabrication de nouvelles membranes compatibles avec les usines et les infrastructures actuelles.

«Il sera essentiel de mettre à niveau les systèmes sans les détruire et de construire une nouvelle usine», a-t-il déclaré.

Osmose vers l'avant

D'autres cherchent au-delà de l'osmose inverse à un autre processus connu sous le nom d'osmose directe. Dans l'osmose directe, l'eau de mer est aspirée dans le système par une solution contenant des sels et des gaz, ce qui crée une différence de pression osmotique élevée entre les solutions. Les solutions passent à travers une membrane ensemble, laissant les sels derrière.

Ela affirme que l'osmose avancée sera «probablement le plus efficace en tant que prétraitement et non en tant que traitement autonome dans les usines commerciales d'eau de mer», car l'osmose inverse fonctionne mieux à grande échelle. En tant que prétraitement, l'osmose directe peut allonger la durée de vie des membranes d'osmose inverse et favoriser la santé globale du système en réduisant les désinfectants nécessaires et d'autres options de prétraitement.

Le processus devrait utiliser moins d'énergie que l'osmose inverse, Ela dit, car elle est alimentée par la thermodynamique. Mais les scientifiques de l'été dernier MIT ont rapporté que osmose directe pour le dessalement pourrait se révéler plus d'énergie que l'osmose inverse en raison de la forte concentration de sel dans la solution résultant de la première étape.

Société britannique Eau moderne exploite la première usine à osmose directe commerciale à Oman, sur la côte sud-est de la péninsule arabique. À des gallons de 26,000 par jour, la capacité du système est bien inférieure à celle de la plupart des systèmes à osmose inverse à grande échelle. Les responsables de la société n’ont pas renvoyé de demandes de commentaires sur l’usine. Cependant, un rapport de la société a indiqué que l’usine avait un pourcentage de réduction d’énergie 42 comparé à l’osmose inverse.

Heather Cooley, directrice du programme de l'eau avec Institut du Pacifique, une organisation de recherche en développement durable basée en Californie, affirme que la plupart des technologies d'osmose avancée sont encore en phase de recherche et de développement, et que l'utilisation commerciale est de cinq ans à 10.

Solution de dilution

Une autre approche pour réduire le coût énergétique du dessalement est RO-PRO, ou la pression d'osmose inverse osmose retardée. travaux RO-PRO en passant d'une source d'eau douce avec facultés affaiblies, comme les eaux usées, à travers une membrane dans la solution restant très salée de l'osmose inverse, qui serait normalement évacuée vers l'océan. Le mélange des deux produit une pression et de l'énergie qui est utilisée pour alimenter une pompe à osmose inverse.

Inspiré par un système utilisé par Statkraft, une société norvégienne d'énergie hydraulique et d'énergie renouvelable, Amy Childress, professeur d'ingénierie environnementale à l'Université de Californie du Sud, et ses collègues pilotent actuellement RO-PRO en Californie. Selon M. Childress, les estimations «optimistes» montrent que RO-PRO peut réduire l'énergie nécessaire pour le pourcentage d'osmose inverse 30. Elle note que certaines entreprises non spécifiées ont manifesté de l'intérêt pour leur projet pilote.

Récupération et énergie renouvelable

Selon M. Fravel, de nombreuses usines tentent de récupérer de l'énergie à l'intérieur du processus. Les turbocompresseurs, par exemple, prélèvent de l'énergie cinétique dans le flux sortant d'eau salée concentrée et la réappliquent du côté de l'eau de mer entrante. "Vous pourriez avoir 900 [livres par pouce carré] du côté de l'alimentation et le concentré pourrait sortir à 700 psi. C'est beaucoup d'énergie dans le flux de concentré », dit-il.

L'intégration des énergies renouvelables dans l'intrant énergétique est une approche particulièrement prometteuse pour améliorer la durabilité du dessalement. La préparation de l'eau avant qu'elle ne soit acheminée vers les membranes peut également économiser de l'énergie. "Le mieux est de pouvoir nettoyer l'eau avant qu'elle ne se transforme en osmose inverse, mieux elle fonctionne", explique M. Fravel. Les usines de Bahreïn, du Japon, d'Arabie Saoudite et de Chine utilisent un prétraitement pour un processus d'osmose inverse plus fluide.

L'intégration des énergies renouvelables dans l'intrant énergétique est une approche particulièrement prometteuse pour améliorer la durabilité du dessalement. Actuellement, un pourcentage estimé de 1 de l'eau dessalée provient de l'énergie provenant de sources renouvelables, principalement dans les petites installations. Mais de plus grandes usines commencent à ajouter des énergies renouvelables à leur portefeuille énergétique.

Après des années de lutte contre la sécheresse, l'Australie a mis en ligne six usines de dessalement de 2006 à 2012, en investissant plus de 10 milliards de dollars. Les centrales utilisent toutes des sources d'énergie renouvelable, principalement à travers des parcs éoliens situés à proximité qui injectent de l'énergie dans le réseau, explique M. Pankratz. Et l'usine de dessalement d'eau de Sydney, qui fournit environ 15 pour cent de l'eau à la ville la plus peuplée d'Australie, est alimentée par des compensations de la turbine à vent 67 Capital Wind Farm à environ 170 miles au sud.

L'énergie solaire est attrayante pour de nombreux pays fortement dessalés - en particulier ceux du Moyen-Orient et des Caraïbes où le soleil est abondant. Dans l'un des projets les plus ambitieux, la société énergétique des Émirats Arabes Unis Masdar a annoncé dans 2013 qu'elle travaillait sur la plus grande usine de dessalement solaire au monde, capable de produire plus de 22 millions de gallons par jour, avec un lancement prévu dans 2020.

Impacts environnementaux

Les plans d'utilisation de l'eau de mer, bien sûr, doivent tenir compte des implications pour la vie marine. Un grand nombre d'installations de dessalement utilisent des prises d'eau en haute mer; ceux-ci sont souvent criblés, mais le processus de dessalement peut encore tuer des organismes pendant l'ingestion ou à l'intérieur des phases de traitement de la plante, dit Cooley. De nouveaux apports sous-marins, qui passent sous le sable pour l'utiliser comme filtre naturel, pourraient contribuer à atténuer ce problème.

De plus, il y a le problème de savoir comment se débarrasser de beaucoup d'eau très salée après le dessalement. Tous les deux gallons d'une installation signifie un gallon d'eau potable et un gallon d'eau qui est environ deux fois plus salée que lorsqu'il est entré. La plupart des plantes rejettent ce retour dans le même plan d'eau qui sert de source d'admission.

Ela affirme que les petites usines, telles que l'usine d'osmose directe d'Oman, pourraient être l'avenir de la technologie de dessalement. La technologie RO-PRO permet de réduire la concentration de sel dans les rejets, ce qui peut nuire aux créatures du fond. Une autre méthode qui gagne en popularité est l'utilisation de diffuseurs, une série de buses qui augmentent le volume d'eau de mer mélangé à la décharge du concentré, évitant ainsi les taches de sel.

Dans l'une des études les plus récentes sur les rejets océaniques, Davies, de l'Université Aston, a chauffé l'eau salée avec de l'énergie solaire pour convertir le chlorure de magnésium en oxyde de magnésium, qu'il appelle «un bon agent pour absorber le dioxyde de carbone». stades naissants, mais pourrait avoir le double avantage environnemental de réduire les rejets et d'éliminer le CO2 de l'océan en utilisant l'énergie solaire pour zapper le concentré.

Taille raisonnable

Ela dit que les usines plus petites, telles que l'usine d'osmose directe à Oman, pourraient être l'avenir de la technologie de dessalement. Un grand nombre des innovations les plus récentes pourraient avoir un sens économique à plus petite échelle, et les entreprises n'auraient pas à investir autant dans l'infrastructure, dit-il.

"Au lieu de grandes usines, nous pourrions descendre à 10,000 gallons par jour des usines de dessalement", dit Ela. "Je vois des usines de décentralisation et de petites usines de dessalement desservant de petites communautés."

Cela apporterait également des avantages environnementaux, notamment en permettant aux énergies renouvelables de jouer un plus grand rôle, car il est beaucoup plus facile d'alimenter les petites centrales solaires et éoliennes que les grandes, dit-il.

Pankratz dit dessalement sera toujours plus cher que le traitement de l'eau douce. Pourtant, les innovations aideront le dessalement devienne une option plus viable que la demande en eau douce se développe dans un monde de plus en plus soif.

Voir la page d'accueil Ensia Cet article a paru sur Ensia

A propos de l'auteur

Bienkowski brianBrian Bienkowski est rédacteur en chef de Environmental Health News et de son site jumeau, The Daily Climate. Il est titulaire d'une maîtrise en journalisme environnemental et d'un baccalauréat en marketing de la Michigan State University. Il vit avec son teckel miniature, Louie, à Lansing, Michigan.

Livre connexe

{amazonWS: searchindex = Livres; mots-clés = 082138838X; maxresults = 1}