Le dessalement adoucit sa facture

Produire de l'eau potable en dessalant l'eau de mer a d'abord été réservé aux zones pauvres en eau mais riches en ressources financières. L'essor actuel de la technologie est rendu possible par de multiples avancées dans la réduction de sa consommation d'énergie.

Au bord du golfe d'Oman, près de Mascate, dans le sultanat d'Oman, le chantier d'agrandissement de l'usine de dessalement de Sharqiyah avance plus vite que prévu. Entamés en janvier 2007, les travaux devraient être terminés en mars 2009, portant la capacité à 80 000 mètres cubes d'eau par jour, contre 12 000 actuellement. C'est Veolia Environnement qui étend cette unité de dessalement par osmose inverse.

A 850 kilomètres de là, à Bahreïn, Sidem, filiale de Veolia, vient de donner les clés de l'usine de dessalement thermique à son donneur d'ordres, Hill Power Company. Avec ses 273 000 mètres cubes d'eau douce par jour, c'est la plus importante unité au monde basée sur la technologie « à effets multiples ». Elle a été construite en dix-huit mois.

Le rythme des chantiers s'accélère, car les projets abondent. Pour faire face au manque d'eau, le dessalement de l'eau de mer est d'autant plus prisé que la technologie est de moins en moins gourmande en énergie : en deux décennies, l'efficacité énergétique des trois procédés les plus utilisés a été multipliée par deux ou trois.

C'est l'osmose inverse qui a réalisé la progression la plus spectaculaire. Comme le besoin en énergie est directement lié à la salinité de l'eau, le procédé était cantonné aux petites unités et aux eaux saumâtres. Mais des progrès dans la récupération d'énergie, dans le pré-traitement de l'eau et dans les membranes lui ont permis de passer à l'échelle industrielle pour des eaux plus salées. C'est même désormais la technologie la plus demandée. Depuis cinq ans, 62 % des appels d'offres concernent l'osmose inverse, selon le rapport 2008 du cabinet Global Water Intelligence.

Ce procédé consomme uniquement de l'énergie électrique pour « pousser » l'eau à travers une membrane en s'opposant à la pression osmotique : l'eau de mer entrante est soumise à une pression de 65 à 80 bars. Or, comme la saumure sortant du système est encore sous pression, les ingénieurs ont très vite exploré des voies pour récupérer l'énergie correspondante. Dans un premier temps, des turbines convertissaient la pression du concentrat en énergie mécanique, transmise à l'eau de mer. « Sans récupération d'énergie, la seule étape de l'osmose inverse peut demander 5 kilowattheures par mètre cube. Avec une turbine, on descend à 3 ou 4 kWh/m3. De nouveaux systèmes d'échange de pression permettent même d'atteindre 2 kWh/m3 », précise Laurent Guey, le chef de marché membranes chez Degrémont, spécialiste du dessalement par osmose inverse. Ces échangeurs de pression transfèrent directement l'énergie du concentrat à l'eau alimentant l'osmose inverse, sans turbine.

Les pré-traitements de l'eau, qui limitent l'encrassement des membranes, réduisant ainsi la consommation d'énergie, ont aussi beaucoup évolué. Par des techniques de flottation et de filtration, et par traitement chimique, on débarrasse de mieux en mieux l'eau de mer des matières en suspension, des matières organiques et du phytoplancton.

Les membranes elles-mêmes ont été améliorées. Avec l'industrialisation de leur fabrication, notamment chez les trois géants du secteur, les américains Hydraunautics et Dow, et le japonais Toray, leur perméabilité et la surface de membrane disponible par module ont augmenté. Selon Degrémont, la surface de membrane est passée de 30 m2 à 41 m2 par module de 200 millimètres de diamètre. Mais la filtration peut encore être optimisée. « La consommation théorique de cette étape est de 0,8 ou 0,9 kWh/m3 d'eau, mais les meilleures unités de séparation ne descendent pas sous 1,6 kWh/m3 », constate John Tonner, de Water Consultants International. Le design des modules, les méthodes de fabrication et la perméabilité des membranes restent des axes de progrès. Il est aussi envisagé de greffer des nanoparticules sur la surface des membranes pour créer des tunnels moléculaires qui piégeraient mieux les sels.

« Des ruptures technologiques sont également espérées », révèle Laurent Guey, de Degrémont. Telle l'osmose directe, qui consiste à opposer à l'eau salée un liquide de pression osmotique supérieure. Mais les membranes adéquates restent à inventer.

En attendant, grâce à l'ensemble des améliorations technologiques réalisées, la demande en énergie de l'ensemble d'une usine à osmose inverse - alimentation en eau de mer, pré-traitements et post-traitements compris - est passée de 12 kWh/m3 d'eau à moins de 5 kWh/m3 en quarante ans, selon Laurent Guey.

Les procédés thermiques sont, eux, plus matures. Ainsi, le Multi-Stage Flash (MSF), une technologie thermique maîtrisée entre autres par le singapourien Doosan, consomme actuellement environ 3,5 kWh/m3 d'eau. Mais elle est réservée aux unités de très grande capacité et dispose de peu de marges d'évolution.

En plein essor, le procédé thermique MED (Multi-Etage Distillation), auquel le français Sidem a donné ses lettres de noblesse, atteint la performance de 1,5 kWh /m3. « Sidem a su montrer l'efficacité de la technologie sur des grandes capacités », selon Alasdair Maciver, directeur produit chez Alfa Laval. A l'origine, le rendement énergétique de ce procédé, également promu par l'israélien IDE, était pourtant assez faible. Mais l'ajout d'évaporateurs en série et la réutilisation de la chaleur libérée par la condensation de l'eau pure ont permis d'améliorer les performances.

Si le dessalement thermique est plus gourmand que l'osmose, c'est parce qu'il demande, en plus de l'électricité alimentant les pompes de circulation, de l'énergie pour chauffer l'eau. Mais réutiliser la chaleur perdue lors d'un autre process - comme une unité de production d'électricité - change la donne. « Dans ce cas, les procédés thermiques demandent seulement 30 % de l'énergie nécessaire à l'osmose inverse », souligne John Tonner. A Marafiq, en Arabie saoudite, la plus grande unité de dessalement au monde (800 000 m3 par jour) fonctionne sur ce principe.

L'efficacité énergétique se joue alors en partie sur la gestion de cet apport de chaleur, qui se présente généralement sous forme de vapeurs d'eau chaudes. Ainsi, dans l'usine de Bahreïn, les équipes de Sidem sont fières de leur bijou technologique : l'échangeur de vapeur ! « Nous l'avons développé avec l'Onera », indique Vincent Baujat, le directeur général de Sidem. Le centre de recherche aérospatiale français a en effet créé des modèles de simulation pour concevoir les buses et les guides qui optimisent l'injection et la circulation de la vapeur. Un autre élément majeur du rendement des installations MED est la performance de la surface d'échange (d'évaporation). Le contrôle du mouillage de la surface d'évaporation et la résistance à la corrosion des matériaux utilisés sont des éléments cruciaux. Remplaçant les tubes utilisés dans les anciennes installations, les systèmes d'échangeurs à plaque ont amélioré l'efficacité du système.

Aujourd'hui, pour tirer le meilleur parti des diverses évolutions technologiques, les spécialistes du dessalement combinent plusieurs procédés. Comme en témoigne le prochain grand chantier de Veolia, Fujairah 2, décroché en décembre dernier. Pour fournir les 600 000 mètres cubes d'eau par jour attendus par cet émirat, le français devra avoir construit en 2010 deux unités de dessalement, l'une en MED, l'autre en osmose inverse