Groupe EauNotes de travail n 4Le dessalement de l'eau de merUne nouvelle mthode pour accrotre la ressource en eauJean DunglasMembre de lAcadmie dagriculture de FranceManuscrit publi en fvrier 2014Les ressources en eau douce sont trs ingalement rparties et ne reprsentent qu'environ2,5 % du volume d'eau existant sur la Terre. Or, les besoins en eau douce sont de plus enplus importants. Une bonne partie des zones consommatrices se trouvant proches desrivages ocanique, une solution solution intressante consiste dessaler l'eau de mer .Le procd est en plein dveloppement. Il est au cur d'une gamme de problmatiqueshumaines, environnementales et conomiques.1- Principes gnrauxEnergie minimale ncessaireLe dessalement s'appelle aussi dsalinisation ou plus rarement dessalage. Il consiste sparer l'eau et les sels partir d'une eau brute, qui peut tre de l'eau de mer ou une eausaumtre d'origine continentale.L'eau de mer contient en moyenne 35g/l de sels qui sont essentiellement des chlorures desodium (76%) et de magnsium(11%), des sulfates de magnesium (5%), de calcium (3,5%) etde potassium (2,4%). Dans l'eau, Les sels sont sous forme d'anions chlorures et sulfatesparalllement aux cathions sodium, magnesium, calcium et potassium.La salinit de l'eau de mer n'est pas constante. Dans les zones maritimes chaudes etpartiellement fermes elle est plus leve : en mditerrane elle varie de 36 39g/l, dans 2le Golfe Persique elle peut monter aun del de 60g/l. C'est l'inverse dans les mers froidesrecevant de forts apports fluviaux : 7g/l dans la Baltique.Le calcul thorique du cot nergtique du dessalement pur d'une eau 35g/l, sans pertesannexes (dessalement isentropique), et dans les meilleures conditions possibles est de 536Wattheures par m3. C'est le cas d'un dessalement rejetant la saumure une concentrationen sels sensiblement infrieure la saturation, la ressource en eau de mer tant bien plusgrande que les besoins en eau douce. Cette valeur est videmment la limite infrieure ducot en nergie. Dans la pratique, il existe des pertes invitables qui vont alourdir le bilan.2- Diffrents procds de dessalementa/ Procds de distillationIls sont utiliss depuis longtemps sur les navires en utilisant la chaleur rcupre sur lesgaz d'chappement des moteurs diesel ou des chaudires.La distillation simple effet produit directement, la pression atmosphrique, de lavapeur qui est ensuite condense. Elle n'est plus gure utilise que sur les navires.La distillation multiple effet (MED) comporte une srie de cellules fonctionnant despressions et des tempratures dcroissantes. Les pertes de chaleur sont infrieures et lerendement meilleur. Il peut tre augment s'il y a compression de la vapeur. Les cotsnergtiques importants sont de l'ordre de 15 kWh par m3.La distillation par dtentes successives ou flash (MSF). L'eau sale froide est introduitesdans les cellules successives dans des serpentins. Elle condense la vapeur qui s'y trouve ense rchauffant progressivement. Aprs chauffage elle est introduite la base des cellulesou elle vaporise l'eau sale. Eau condense et saumure sont rcupres. Le cotnergtique est plus faible, de l'ordre de 10kWh par m3.Une variante est la distillation par compression de vapeur (MVC). La vapeur produite elleparticipe l'bullition de l'eau de mer. Le rendement thermique de 6kWh par m3 est bon.b/ Procds par filtration sur membrane.L'lectrodialyse (ED) utilise deux sortes de membranes lal'une filtrant les cations etarrtant les anions ll'autre filtrant les anions et arrtant les cations. L'eau de mer estsoumise un courant lectrique qui entrane les ions qui sont bloqus par les membranes.Le systme est constitu par un empilement de cellules dans lesquelles les ions seconcentrent ou se rarfient. Le systme n'est rentable que pour les faibles concentrations(eaux saumtres).L'osmose inverse (RO) constitue l'volution ultime de la filtration de l'eau. La figure 1 cidessousschmatise l'opration 3Fig. 1 - Principe de l'osmose inverse Si l'on considre un rcipient 2 compartiments spars par une membrane ne laissantpas passer les ions, l'eau aura tendance aller de la solution dilue la solutionconcentre. L'quilibre est atteint quant la diffrence de niveau correspond la "pressionosmotique" souvent symbolise par .La pression osmotique peut se calculer partir de la formule des gaz parfaits (P.V =k.R.T)applique aux ions. Elle est proportionnelle la concentration. Avec de l'eau de mer 35g/L elle est de 2,87 MgaPascal (28,7 bars). En appliquant sur l'eau de mer une pressionsuprieure , les molcules d'eau vont passer de l'eau de mer au compartiment eaudouce. Bien entendu, plus la concentration de la saumure augmente, plus il fautaugmenter la pression dans le compartiment sal pour continuer chasser les molculesd'eau travers la membrane.Dans ce procd, l'nergie fournie est entirement mcanique. On n'a plus se soucier despertes et de la rcupration de chaleur et on vacue les problmes de thermodynamique.La dpense nergtique est relativement faible de l'ordre de 4 kWh/ m3 . Les constructeursestiment que cette dpense peut tre encore sensiblement diminue (3,5 kWh/ m3 Barcelone) . Le procd se prte trs bien des applications modulaires donc sonindustrialisation par fabrication en srie de modules standarts. Il est un de ceux quiaboutissent des cots nergtiques et d'investissement les plus bas.c/Distillation membranaireElle consiste utiliser des membranes hydrophobes qui laissent passer les molcules d'eausous forme de vapeur mais sont impermables l'eau liquide. Le gradient de pression estici cr par chauffage. Il s'agit d'une technologie ecore en dveloppement qui apparatintressante avec de l'nergie tbermique bon march (solaire, nuclaire) . 4d/ Procds combinant plusieurs mthodesCombinaison d'une unit de distillation et d'une unit d'osmose inverse associs unecentrale thermique. L'eau est produite et stocke quand la demande d'lectricitextrieure par le rseau est faible. La chaleur rcupre l'chappement des turbines (gaz ou vapeur) peut tre utilise en parallle dans une installation annexe dedistillation.3- Schma d'une unit de dessalement - problmes annexesL'eau est prleve soit directement, soit par puits suffisamment prs de la cte,dans une couche de terrain permable contenant une nappe en continuit avec la mer.L'utilisation de puits ctiers permet une prfiltration naturelle qui simplifie leprtraitement.Le prtraitement proprement dit comprend une filtration, une chloration pour empcherla prolifration de microorganismes, et un traitement antitartre pour limiter les dpts decarbonate de calcium.Le post-traitement de l'eau douce, la sortie, est destin la potabiliser. Il s'agit d'unearation et 'une lgre correction de pH par ajout de carbonate de calcium. Dans certainscas on opre un traitement l'ozone pour liminer des germes ventuels. Toutefois, ,l'osmose inverse bloque compltement, en principe, le passage des bactries et des virus.Les boues et saumures sont rejetes la mer dans une zone loigne o la dispersion peuts'oprer sans risque. En principe, les concentrts tant essentiellement d'origine marine neconstituent pas une pollution aprs dilution. Nanmoins, dans un certain primtre autourde la zone de rejet, la salinit plus forte peut interfrer avec la vie marine.Le chlore utilis comme biocide peut entraner la formation d'hypochlorite dans l'eau demer. Il est remplac progressivement par le dioxyde de chlore qui est actif des dosesbeaucoup plus faible.Les polyphosphates utiliss comme antitartre peuvent entrainer des risquesd'eutrophisation. L'utilisation de coagulants (chlorure ferrique) ncessaires en amont desinstallations d'osmose inverse pour complter le filtrage, accroit la turbidit de la saumurece qui peut se rvler dangereux pour la faune et la flore.4- Une production encore minoritaire mais en plein dveloppement.Il y aurait actuellement environ 13000 units de dessalement dans le monde, les 2/3traitant de l'eau de mer et le reste des eaux saumtres.La production totale actuelle serait de l'ordre de 58 Mm3 /jour (47 partir d'eau de mer et11 partir d'eaux saumtres). Les estimations de cette production varient suivant lessources (de 50 60 Mm3 /jour). Cela reprsente environ 1% de la quantit d'eau potableconsomme mais la production s'accrot de 10% par an. 5a/ Grandes ralisations actuelles ou en projet.Les plus grandes units existant actuellement, galement les plus anciennes, sont situesdans la Pninsule Arabique. L'usine de Jebel Ali (distillation), aux Emirats Arabes Unis restela plus grande du monde avec une capacit de 900.000 m3 /jour, celle de Jubail(galement distillation), en Arabie Saoudite produit 800.000 m3 /jour. La distillation estprfre dans ces zones d'exploitation ptrolire car elle utilise du gaz qui, autrement,serait brl.Fig. 2 - Usines de dessalement sur le pourtour mditerranenFig. 3 - Les usines de dessalement sur le pourtour de la pninsule arabique 6Partout ailleurs, l'osmose inverse est systmatiquement utilise car les besoins en nergiesont beaucoup moins levs. Au Chili, l'usine de Minera Escondida fournit 45 000 m3 /jour la mine de Cuivre d'Antofagasta. L'Espagne est le quatrime producteur mondial d'eaudessale (1 600 000 m3 /jour). La plus ancienne et la plus importante est situe Carboneras en Andalousie sur la cte mditerranenne elle produit 250 000 m3 /jour. Laplus rcente est celle de Barcelone qui doit produire 200 000 m3 /jour terme.La consommation d'nergie lectrique a t optimise et rduite 3,5 kWh/ m3. Parcomparaison, l'usine de dessalement par distillation situe aux Canaries a uneconsommation nergtique de l'ordre de 19 kWh/ m3. Le prix de revient moyen se situeraitentre 0,35 et 0,60 / m3.L'Algrie a un plan important de dveloppement. L'usine de El Magtaa prs d'Oran a unecapacit de 500 000 m3 /jour avec un objectif terme de plus de 2 millions de m3 /jour.Elle est l'une des plus grandes installations d'osmose inverse du monde.L'Australie mise pleinement sur le dessalement pour alimenter ses grandes villes ctires.Suez Environnement avec l'australien Agbar vient de mettre en route la plus grandeinstallation de dessalement de l'hmisphre sud Melbourne avec une capacit de 450 000m3 /jour qui pourra tre augmente rgulirement en fonction des besoins. Les caractristiques nergtiques et de prix de revient sont analogues celles de l'usinede Barcelone. La mme socit avait dj construit Perth, sur la cte ouest en 2005 uneunit d'osmose inverse de 150 000 m3 /jour.Les 2 cartes ci-dessus illustrent l'ampleur des installations ralises sur le pourtourmditerranen et dans la pninsule arabique.b/ Tendances techniques actuelles volution des cots.2.1. Une premire tendance est la construction d'ensembles avec des capacits de plusen plus grandes, ce qui amne diminuer le prix du m3 au final. L'osmose inverse qui estpar nature de conception modulaire s'y prte bien, d'autant que les modules de basepeuvent tre produits en srie. Cette caractristique associe au bon rendementnergtique du procd explique son succs.La distillation sous ses diverses formes garde ses adeptes dans les zones o les ressourcesen gaz sont importantes et bon march. Dans les pays producteurs de ptrole du MoyenOrient le gaz (dit fatal) des puits ne cote que son acheminement vers l'usine. Lesprocds thermiques gardent alors leur intrt.Les consommations nergtiques, mme en osmose inverse, restent encore loin duminimum thorique de 0,563 kWh/ m3. Au-del du pur dessalement, il faut fairefonctionner tous les auxiliaires, faire circuler l'eau, la pomper ou la refouler enfin, il fautamener la saumure au large, puis la diluer avant de la rejeter. Le transport de l'eau restecoteux et demande de l'nergie. Les meilleures installations actuelles semblentdpenser, au fonctionnement optimal, de 2,5 3,5 kWh/ m3. 7Le cot final du m3 d'eau dessale ne peut tre fourni de faon gnrale et prcise. Ilvarie, videmment avec les conditions conomiques locales, l'poque de la construction del'usine, la technique de dessalement, la position par rapport au rivage et auxconsommateurs et, bien entendu en fonction du prix de l'nergie thermique et del'lectricit. On constate simplement que les prix de revient ont une tendance gnrale baisser, avec l'accroissement de la taille des installations et le choix de l'osmose inverse.Dans les dernires usines construites en Espagne et en Australie, on arrive des valeurs del'ordre de 0,5 $/ m3 correspondant 0,40 / m3 (avec un 1,25 $). L'industrialisation dela fabrication des modules de filtration et la standardisation de celles des units devraitconfirmer cette tendance.2.2. Paralllement, l'osmose inverse se prte bien la production de petits modulestransportables (par exemple dans un camion) ou susceptibles d'tre installs dans deszones isoles, semi dsertiques ou insulaires. L'intrt ne rside plus alors dans un prix derevient minimal mais dans la disponibilit locale d'eau douce potable.2.3. L'attention a t rapidement attire sur l'utilisation d'nergies renouvelables. Lesolaire, comme l'olien sont intermittents et l'lectricit se stocke mal. Or le rendementnergtique moyen des batteries est sensiblement infrieur 1 : de l'ordre de 0,70 pourles batteries au plomb, 0,8 pour les Ni-Cd, il ne dpasse 0,95 que pour les Li-ions. En outreelles sont chres et n'ont qu'une dure limite. Stocker l'nergie sous formes d'eaudessale peut tre une excellente solution.Bien videmment, si l'lectricit produite ne sert qu'au dessalement, le prix de revient dum3 reflte le cot lev de l'lectricit solaire ou olienne. Le village de Ksar Ghilne enTunisie possde une installation de ce type alimente en solaire photovoltaque et traitantde l'eau saumtre de salinit 4,5 g/l. Le m3 d'eau douce y revient un peu moins de 6 .Le solaire thermique peut aussi fournir des solutions simples et intressantes.Des distillateurs solaires directs sans aucune machinerie ont t imagins et construits.Une installation de ce type est installe Gwadar au Pakistan. Elle fournit 36 m3 /jour environ 12 $ / m3.Un distillateur multiple effet associ des capteurs solaires thermiques mais ayant besoind'lectricit pour sa machinerie fonctionne Almeria en Espagne. Il fournit 72 m3/jour 8/ m3.5- Perspective du dessalement en agriculture.Diverses valuations, souvent trop simplistes, ont t publies, tendant montrerqu'irriguer avec de l'eau dessale n'tait pas rentable.Il est vrai qu'apporter de l'eau 0,5 $ le m3 raison de 1000 mm/an (peut-tre plus enzone trs sche) en vue de rcolter du bl 246 la tonne ou du mas 227 la tonne(mme 12T/ha) ne se justifie pas. L'opration a t tente par Kadhafi et les Saoudiensavec des buts essentiellement politiques et de propagande. 8Toutefois, il n'est peut-tre pas exclu qu'en complment, et en quantit limite (parexemple pour sauver une rcolte dans un pisode de scheresse), l'opration ne prsentepas un certain intrt.Notons qu'en rgion PACA, titre de comparaison, le Canal de Provence vend son eauactuellement, rendue chez l'agriculteur ou l'horticulteur, autour de 0,35 le m3.Un rapport de la FAO de novembre 2005 aboutissait l'poque aux conclusions suivantes : la principale application du dessalement de l'eau consiste en la fourniture d'eaupotable; en rgle gnrale, l'application de la technologie du dessalement de l'eau l'agriculture n'est pas rentable; actuellement, le dessalement de l'eau est bienmoins conomique que la rutilisation des eaux rsiduelles traites des finsagricoles; l'application du dessalement de l'eau l'agriculture est encore aujourd'hui limite certaines zones; cette technologie n'est utilise de faon efficace que pourcertaines cultures fort rapport conomique et lorsque les investissements sontsubventionns par l'tat.La diminution sensible des cots (diviss par plus de 2) depuis cette poque amne nuancer ces conclusions. Cela tant, On peut faire les observations suivantes.* Il existe, actuellement, des cultures sous serre, haute valeur ajoute, pour lesquelsl'opration devient rentable. En Espagne, dans la rgion d'Almeria Carboneras, 4 800hectares de cultures sous serre de fruits et lgumes demandent beaucoup d'eau. Mais lanappe locale surexploite, s'puise et risque de devenir inexploitable d'ici deux dcennies.Or les agriculteurs continuent d'y pomper gratuitement leur eau. D'ores et dj, l'eaudessale est disponible des cots compris entre 0,4 et 0,7 /m3. Les cots devant encorebaisser, les maraichers d'Almeria voient l'avenir plus sereinement.* Cependant, le dessalement peut aider indirectement beaucoup plus de productions. Enalimentant les villes proches des rivages, il permet de rorienter vers l'irrigation un dbitquivalent, plus haut dans les bassins versants. Il amne ainsi une rorganisationcomplte des ressources. L'eau brute, non traite va directement l'agriculture, sans avoirbesoin d'tre transportes sur de longues distances. L'eau sortie de l'usine de dessalementaprs un traitement trs lger est transforme en eau potable et est consommequasiment sur place. C'est toute l'organisation du bassin versant qui est ainsi transformeet revoir.6- Impacts environnementauxIls sont lis aux rejets de saumures concentres et aux effets de diffrents additifsncessaires au traitement. On en a vu quelques aspects plus haut. 9a/Evacuation de la saumure.Il faut d'abord rappeler que les rejets sont soumis la rglementation du protocole dit"Tellurique" de la Convention de Barcelone qui donne des limites des valeurs de nombreuxtypes de rejet.Bien entendu, l'effet du rejet dpend trs largement des conditions physiques, chimiqueset biologiques de la zone o les saumures sont vacues. Par exemple, plusieurs tudes ontmontr que Posidonia tait trs sensible la salinit.Le PNUE a fait un rapport trs global sur le dessalement en Mditerrane en 2001 (runiond'Athnes) avec un chapitre (3) dtaill sur les effets des rejets. Mais il est trs thorique,se base sur peu d'exemples concrets et semble un peu dpass. Beaucoup de prcautionsparaissent avoir t prises pour la nouvelle usine de Barcelone : rejets trs au large,grande dilution de la saumure.b/ rejet des produits de traitementIl s'agit des rsidus de corrosion, des produits d'ajustement du pH de l'eau, des produitsantitartres et des agents anti-salissures, des agents antimousses et des drivs du chlore.Leurs taux doivent tre infrieurs la norme.Un aspect ne pas ngliger est l'impact que pourrait avoir des installations pompant desgrands dbits dans des mers fermes (Mer Rouge, Golfe Persique). Les capacits desgrosses usines devront probablement tre ajustes en fonction du taux de renouvellementdes eaux dans ces espaces marins restreints..6- Craintes et rvesBeaucoup d'associations de dfenseurs de l'environnement voient d'un mauvais il ledveloppement des techniques de dessalement qu'ils considrent comme des solutions defacilit qui, en laissant les usagers consommer, vitent les mesures d'conomies desressources naturelles, mesures qu'ils estiment indispensables. Ils prconisent plutt desplans de rpartitions. Ils craignent galement que les dversements de saumure ne soientpas faits avec suffisamment de prcautions et aient des impacts sur la vie marine.A l'oppos, les partisans du dveloppement technologique estiment qu'en couplant unecentrale nuclaire avec une usine de dessalement et en utilisant, la fois, l'lectricit etla centrale nuclaire avec une usine de dessalement et en utilisant, la fois, l'lectricitet la chaleur rsiduelle aux condenseurs, on puisse encore baisser substantiellement le prixde revient du m3 dessal.Certains calculs publis aboutissent des valeurs sensiblement infrieures 0,3/ m3.Outre l'ampleur considrable des investissements, la principale objection cetteproposition est que la plupart des pays ayant le plus besoin d'eau se trouvent dans deszones politiquement instables comportant des risques d'attaques ou de sabotagesinacceptables. 10La position rationnelle parat devoir se situer entre les extrmes. Le dessalement est unetechnique prometteuse, en plein dveloppement, susceptibles d'apporter des solutionsconomiques locales intressantes sans grand risque. Aux amnageurs de l'utiliser au mieuxdes intrts des utilisateurs dans le meilleur respect de l'environnement.Bibliographie (succincte)LA CITE DE LA MER Cherbourg, La mer boire, Rapport Technopole CherbourgNormandie,33p. , Avril 2012 ;MAUREL Alain, Dessalement de l'eau de mer, nergie nuclaire, nergies renouvelables,Atelier Plan Bleu / Mditerrane, eau, nergie et changement climatique, Carthage,dcembre 2007;MAUREL Alain, Dessalement de l'eau de mer et des eaux saumtres, 290 p. Ed. Tec&DocLavoisier , 2006 ;MONTESQUIOU (de) Aymeri, Protection de la Mditerrane contre la pollution, Rapport auSnat, mars 2000 ;TATA-DUCRU Farid, Dessalement de l'eau de mer; bilan des dernires avancestechnologiques ; bilan conomique ; analyse critique, AgroParisTech ENGREF Montpellier janvier 2009 ;PNUE-UNEP, Dessalement de l'eau de mer dans les pays mditerranens; impacts surl'environnement, Athnes, septembre 2001 ;Sites :Isentropic.org - ISENTROPIC Ltd nombreuses rfrences techniqueshttp// mshades.free.fr/dessalement/reflexiondessalement.htmlhttp// mshades.free.fr/isentropiquedessalement.html