Même en Flandre, l'approvisionnement en eau potable est sous pression. La diversification des sources d'eau est nécessaire, par exemple par le dessalement de l'eau de mer. Les scientifiques développent une technologie durable pour exploiter à grande échelle cette ressource presque infinie.
L'eau propre vient tout simplement du robinet. Pour beaucoup, cela vient naturellement. Pourtant, cette eau a parcouru un long chemin. En Flandre, la moitié de l'eau potable provient de sources souterraines et l'autre moitié d'eaux de surface.
L'eau souterraine est généralement plus propre et nécessite peu de traitement, mais elle est moins disponible. Les sources d'eau souterraine sont menacées par la pollution, y compris l'intrusion saline de l'eau de mer. Les compagnies des eaux ajoutent d'abord de l'air aux eaux souterraines pompées pour expulser d'autres gaz. Ensuite, un filtrage suit. La qualité des eaux de surface est moindre, avec un risque de contamination microbiologique plus élevé, et elle varie selon les saisons. Le traitement est beaucoup plus étendu. En plus des filtrages fréquents, il y a généralement une filtration au charbon actif et toujours une désinfection.
À peine 0,5 % de toute l'eau sur Terre est directement disponible pour les humains
Ce n'est pas la qualité de l'eau qui pose problème en Belgique, mais la quantité. Il est difficile d'imaginer quelqu'un qui rentre régulièrement à la maison sous la pluie, mais nous vivons dans une région où l'eau est rare. Un problème qui s'aggravera à mesure que les phénomènes météorologiques extrêmes deviendront plus fréquents en raison du changement climatique. Une population mondiale croissante augmente également la consommation d'eau.
Selon les prévisions, la population mondiale augmentera d'un quart d'ici 2040 par rapport à 2015. En raison de la prospérité croissante et de l'amélioration de la qualité de vie, cela s'accompagne d'une augmentation de 70 % de la demande en eau. Le Belge moyen utilise environ 100 litres d'eau par jour pour se laver, cuisiner, tirer la chasse d'eau, etc. Mais l'eau est aussi nécessaire pour les produits que nous utilisons et les aliments que nous consommons. Si l'on tient compte de cela, notre consommation moyenne d'eau s'élève à 7 400 litres d'eau par jour et par personne. Par exemple, la production d'un kilogramme de coton nécessite 11 000 litres d'eau dans les pays où ce coton est cultivé, comme l'Inde, le Pakistan, l'Ouzbékistan, la Turquie et la Chine. Les trois quarts de notre consommation indirecte d'eau se situent hors de Belgique.
L'eau douce est une denrée rare dans le monde si l'on considère l'ensemble du bilan hydrique. Environ 97 pour cent sont du sel et sont contenus dans l'océan, les mers et les lacs. Seulement 3 % de toute l'eau sur Terre est douce et la majeure partie (2,5 %) est gelée. L'Antarctique contient environ 60% de toute l'eau douce de la Terre. Cela signifie que seulement 0,5 % de toute l'eau sur Terre est directement disponible pour les humains.
L'eau est abondante sur Terre, mais l'eau douce propre est rare. Le dessalement et la réutilisation sont les seuls moyens de rendre plus d'eau potable disponible. Dans les régions où les eaux souterraines et les eaux de surface sont rares, l'eau de mer est dessalée depuis longtemps. Le Koweït, par exemple, tire toute son eau potable de l'eau de mer. Et à Jubail (Arabie saoudite), l'eau potable est produite depuis des décennies à partir de l'eau de mer du golfe Persique. La plus grande usine de dessalement au monde se trouve ici. Plus près de nous, de plus en plus de pays méditerranéens se lancent dans le dessalement de l'eau de mer. Par exemple, l'Espagne a construit sa première usine de dessalement d'eau de mer il y a une cinquantaine d'années.
La distillation est la méthode classique de dessalement. L'eau de mer s'évapore à basse pression et à haute température. Les substances dissoutes telles que les sels sont laissées sur place et la vapeur d'eau est collectée sous forme d'eau purifiée. Cela peut se faire de différentes manières. Dans la distillation flash multi-étages (MSF), l'eau de mer passe à travers des étages avec une pression plus faible à chaque fois. A chaque étape une partie s'évapore. Cette technique nécessite une énorme quantité d'énergie, jusqu'à 15-30 kWh par mètre cube d'eau produite.
Une technologie plus récente, plus couramment utilisée que la distillation aujourd'hui, est l'osmose inverse (RO). En OI, une membrane forme une barrière sélective qui laisse passer l'eau mais retient les solutés (sel et autres minéraux). L'eau obtenue est pure. Il est si pur que des minéraux sont ajoutés par la suite pour le rendre potable. L'eau entièrement distillée est même toxique. Pour faire passer l'eau à travers la membrane en osmose inverse, il faut une très haute pression. Cette pression est nécessaire pour vaincre la pression osmotique "spontanée" de l'eau de mer.
En RO, l'inverse de l'osmose se produit. Cela nécessite de l'énergie pour développer la pression nécessaire. Au fur et à mesure que vous poussez plus d'eau à travers la membrane, la pression osmotique du côté de la source augmente également. La concentration en sel augmente à mesure que vous retirez plus d'eau. En conséquence, à mesure que l'osmose inverse progresse, la pression augmente également. Les installations RO modernes sont généralement limitées à 50-60 bar, ce qui signifie qu'environ la moitié de l'eau peut être éliminée. Cela semble faible, mais en raison de l'approvisionnement pratiquement infini en eau de mer, ce n'est pas un problème.
Beaucoup sont encore trop peu conscients de la provenance de leur eau et de la quantité d'eau qu'ils utilisent indirectement
La haute pression rend le processus énergivore. Mais avec une demande énergétique de 2 à 4 kWh par mètre cube d'eau produit, l'osmose inverse surpasse déjà la distillation. Dans les années 1970, la demande énergétique par mètre cube d'eau produit était encore supérieure à 15 kWh par mètre cube.
Il sera difficile de réduire la demande énergétique pour le dessalement de l'eau de mer. Puisque vous allez à l'encontre d'un processus naturel avec le dessalement - un peu comme pomper de l'eau au lieu de la faire couler - ce processus nécessitera toujours de l'énergie, même si la technologie est efficace à 100 %. Lorsque l'eau de mer est dessalée, l'énergie minimale requise est d'environ 1,1 kWh par mètre cube.
Supposons que vous puissiez simultanément extraire l'énergie de l'eau de mer pendant le dessalement et résoudre ce problème. Il existe de nombreuses façons de produire de l'énergie à partir de l'eau de mer. Les plus connues sont la production d'énergie à partir des marées, des courants et des vagues. Les turbines extraient l'énergie du mouvement de l'eau. Les différences de température entre les couches d'eau peuvent également générer de l'énergie :dans ce cas, l'eau de mer froide, pompée depuis des couches plus profondes et combinée à de l'eau de surface plus chaude dans un échangeur de chaleur, entraîne une turbine.
Dans les systèmes plus récents, l'énergie peut même provenir de la pression osmotique. Tout ce que vous avez à faire est de réunir deux flux d'eau avec des pressions osmotiques différentes le long d'une membrane semi-perméable. Le potentiel de toutes ces technologies est très différent (voir Figure 1). L'énergie des vagues, les gradients de température et la pression osmotique en particulier ont un grand potentiel mondial.
La production d'énergie à l'aide de la pression osmotique peut se faire de deux manières. L'osmose à pression retardée (PRO) génère de l'énergie mécanique en forçant l'eau, qui se déplacera spontanément à travers la membrane semi-perméable de concentration faible à élevée, au-dessus d'une turbine. Dans l'électrodialyse inverse (RED), les membranes ne laissent pas passer l'eau, mais laissent passer les sels et autres composants chargés. D'où le nom de membranes échangeuses d'ions.
Il en existe deux types. Premièrement, les membranes échangeuses de cations qui portent une charge négative, attirant et laissant passer les cations ou les molécules chargées positivement. Deuxièmement, les membranes échangeuses d'anions à charge positive qui attirent les anions ou les molécules chargées négativement. La charge de la membrane est opposée aux ions qu'elle laisse passer. Comme les pôles d'un aimant, des charges semblables se repoussent et des charges opposées s'attirent.
Si vous utilisez ces membranes pour séparer l'eau douce et l'eau salée, les ions salins se déplacent de l'eau salée (forte concentration) vers l'eau douce (faible concentration) pour atteindre un nouvel équilibre. En alternant les membranes échangeuses de cations et d'anions, tous les cations se déplacent d'un côté et tous les anions de l'autre. Cela crée une différence de potentiel ou une tension électrique à travers les membranes.
Vous pouvez utiliser cette tension électrique pour générer du courant électrique, également un mouvement de particules chargées (négativement). Cette technologie convertit le mouvement des particules de sel chargées en électricité. Cette technique n'a connu un essor que ces dernières années grâce au développement de meilleures membranes. De plus, c'est une énergie durable.
Les endroits idéaux sont là où l'eau de la rivière se jette dans la mer. Cela donne à la technologie un potentiel énorme, dans le monde entier, il est d'environ 12 000 TWh (térawattheures). A titre de comparaison :en 2016, la consommation d'énergie en Belgique était de 650 TWh. Dans le monde, il s'agissait de 160 000 TWh. Cela signifie que RED peut répondre à près de 10 % des besoins énergétiques mondiaux. Le grand avantage du RED et des autres sources d'énergie marine est que, contrairement à l'énergie éolienne et solaire, ils fournissent une énergie continue. De plus, RED peut même être utile pour stocker l'énergie solaire. La société néerlandaise AquaBattery utilise déjà la technologie pour concentrer l'eau salée avec l'énergie solaire excédentaire.
RED a peut-être été développé pour générer de l'énergie durable, mais la technologie fonctionne également bien pour rendre le dessalement de l'eau de mer plus économe en énergie. Dans un processus dit hybride (deux ou plusieurs techniques combinées en un système optimal), RED en combinaison avec RO offre de nombreuses opportunités. Cette combinaison (voir figure 3) présente deux avantages majeurs :l'énergie avec RED générée à partir de l'eau de mer absorbe une partie de la demande énergétique de l'osmose inverse et avec RED, une partie du sel a déjà migré du côté eau de mer vers le côté eau douce. En conséquence, la concentration dans l'eau de mer diminue. Cette concentration plus faible entraîne une pression osmotique plus faible et donc une demande d'énergie plus faible de la part de l'osmose inverse. C'est surtout ce dernier effet qui a un impact majeur sur la demande énergétique de l'ensemble du procédé.
Une considération importante avec ce processus hybride est, bien sûr, qu'il n'est pas logique d'utiliser l'eau de la rivière comme source d'eau douce. Il est alors plus utile d'utiliser directement l'eau de la rivière pour la production d'eau potable. Il est bien préférable de rechercher une source d'eau douce et impropre à la production d'eau potable, comme les eaux usées. Après épuration, ces eaux usées finissent souvent en mer, notamment pour les grandes villes côtières.
Un bon exemple en est Botany Bay à Sydney, où l'usine de traitement des eaux usées et de dessalement de l'eau de mer est située le long de la même baie. Ici, vous pouvez parfaitement appliquer le concept RED-RO. Lorsque vous considérez qu'environ un cinquième à la moitié de la population mondiale vit à moins de 100 kilomètres d'une mer ou d'un océan, souvent dans de grandes villes, vous savez que le potentiel est énorme.
La question est maintenant, bien sûr, de savoir à quel point les économies d'énergie sont importantes avec ce procédé hybride. RED est en plein développement. Il est testé et optimisé le long de l'Afsluitdijk aux Pays-Bas. Il n'y a pas encore d'applications industrielles. Les chercheurs espèrent avoir une installation commerciale dans cinq ans.
Purement théoriquement, sur la base des lois thermodynamiques dans un monde idéal, la demande énergétique serait de 0 kWh par mètre cube. L'eau potable pourrait être obtenue à partir d'eau de mer de manière neutre en énergie. Bien qu'il soit difficile d'en arriver là, les calculs montrent le potentiel de la technologie.
La technologie RED est en plein développement. De nombreux défis se posent ici. Par exemple, comment le système réagit-il à l'utilisation des eaux usées au lieu de l'eau de la rivière ? Les membranes sont sensibles à la contamination et fonctionnent alors moins bien. De plus, l'utilisation des eaux usées soulève également des inquiétudes concernant les micropolluants organiques. En principe, les produits pharmaceutiques et pesticides qui se retrouvent dans les eaux usées via l'homme, ne finissent pas dans l'eau de mer pour être dessalés via le système RED, mais la recherche doit le confirmer.
De plus, une optimisation du système RED est nécessaire, dans le but de maximiser la production d'énergie à moindre coût. Les scientifiques cherchent des réponses à ces défis à travers des projets et des recherches à l'Université de Gand et au-delà. Parallèlement, les premiers prototypes d'installations commerciales apparaissent également.
Le dessalement de l'eau de mer a depuis longtemps cessé d'être une histoire unique d'endroits lointains et chauds. Au cours des dernières décennies, de nombreuses usines de dessalement ont également ouvert en Europe. Le plus grand d'entre eux a vu le jour à Barcelone en 2009 et a une capacité de production de 200 000 mètres cubes par jour. En Suède et en Norvège, quelques petites installations alimentent en eau potable plusieurs centaines d'habitants.
Depuis les périodes de sécheresse plus longues en Belgique ces dernières années, nous nous intéressons également de plus en plus à l'eau de mer ici. De Watergroep a annoncé en 2019 qu'il envisageait l'eau de mer comme source d'eau potable. Afin de le faire de la manière la plus durable possible, elle souhaite relier une telle installation aux éoliennes en mer. En associant intelligemment les deux et en utilisant des technologies plus récentes, il vise la consommation d'énergie la plus faible possible. Il recherche également des solutions pour l'évacuation du flux résiduel concentré, qui contient beaucoup de sel. Knokke a récemment annoncé qu'elle menait une étude de faisabilité pour dessaler l'eau de mer. Plus tôt cette année, Farys a ouvert un centre de production d'eau à Ostende, où l'eau potable est fabriquée à partir d'eau saumâtre.
Le dessalement de l'eau de mer est une pièce du puzzle de la lutte contre la pénurie mondiale d'eau. En rendant le processus plus économe en énergie, la technologie sera également plus facile à appliquer dans les pays en développement et les régions les plus pauvres qui souffrent de la sécheresse.
Le dessalement de l'eau de mer à lui seul ne nous y mènera pas. Il y a plus de pièces qui doivent se mettre en place. L'eau de mer n'est pas la seule source d'eau alternative. Les eaux usées et la réutilisation de l'eau, y compris de sources industrielles, peuvent également servir de base à l'eau potable. La sensibilisation est également essentielle pour s'attaquer au problème. Beaucoup sont encore trop peu conscients de la provenance de leur eau et de la quantité d'eau qu'ils utilisent indirectement. Et surtout quel impact cela a, non seulement sur leur propre vie mais aussi sur celle des autres et sur l'environnement.
Nous devons également investir davantage dans la collecte et le stockage de l'eau. Alors que nos infrastructures drainent au plus vite l'eau de pluie pour éviter les inondations, il devient de plus en plus important de faire exactement le contraire et de retenir cette eau en période plus humide pour traverser les périodes sèches.
