L'osmose, source d'énergie

Nous vous parlons régulièrement de la technique de traitement de l'eau par osmose inverse, souvent utilisée pour le dessalement des eaux de mer. Cette technique consiste à produire de l'eau douce en mettant sous pression un réservoir d'eau salée bordé par une membrane très fine. Il se trouve que le procédé d'osmose simple (non pas inverse, donc), présente la caractéristique symétrique de permettre la production d'énergie.

Une centrale vient ainsi d'ouvrir en Norvège, qui fonctionne uniquement grâce au mélange d'eau douce et d'eau salée à travers une membrane filtrante. Cette unité est le fruit de recherches entamées en 1992 par la compagnie norvégienne Statkraft, mettant en évidence l'énergie dynamique induite par la mise en présence de sources d'eaux comportant différent degrés de salinité. Concrètement, l'eau moins salée a tendance à venir se mélanger à l'eau plus salée, jusqu'à obtention d'une salinité homogène. Ce mouvement induit une certaine pression au niveau du réservoir d'eau salée, pression qui permet d'entraîner une turbine. Il suffit dès lors de construire des unités de production électrique à l'endroit où se mêlent eau douce et eau salée, par exemple à l'embouchure des fleuves.

L'installation norvégienne actuelle ne constitue qu'un prototype, mais le potentiel de cette énergie hydrique propre et renouvelable est d'ores et déjà énorme : une première usine de 25 Mwh doit être mise en chantier, et à terme, on estime que la production européenne pourrait se développer jusqu'à atteindre 1600 Twh, ce qui représente... la moitié de la production actuelle !

L'ÉNERGIE OSMOTIQUE : Eau douce + eau salée = électricité

Issue de la rencontre entre eau douce et eau salée, l'énergie osmotique connue depuis les années 1970 revient sur le devant de la scène avec le lancement d'un premier prototype industriel en Norvège.

« L'énergie osmotique peut être mise en œuvre partout où un fleuve se jette à la mer », résume Stein Erik Skilhagen, responsable du projet énergie osmotique chez Statkraft. Cette société norvégienne spécialisée dans les énergies renouvelables inaugurera fin novembre le premier prototype au monde de centrale osmotique, à une soixantaine de kilomètres d'Oslo. Sa puissance initiale sera entre 2 et 4 kilowatts. D'ici deux ou trois ans, avec des composants plus performants, Statkraft espère bien atteindre 10 kilowatts, soit l'équivalent de la consommation électrique d'un foyer. Une installation certes modeste, mais une étape indispensable pour valider cette nouvelle technologie, connue depuis plus de trente ans, mais encore jamais testée à cette échelle.

« Nous finançons des recherches sur l'énergie osmotique depuis 1997, raconte Stein Erik Skilhagen. Ce prototype nous permettra de tester les solutions retenues et de poursuivre les développements. Notre objectif est de construire en 2015 une première centrale pilote commerciale de 25 MW », soit la consommation électrique d'environ 10.000 foyers.

L'industriel mise sur le développement de cette énergie renouvelable, dont le potentiel, selon ses estimations, n'est pas négligeable : 1.700 térawattheure par an (TWh/an) dans le monde, 200 TWh/an en Europe soit environ 6 % de la consommation annuelle européenne. En Norvège, Statkraft espère pouvoir produire 10 % de la consommation d'énergie nationale. L'énergie osmotique est même une des énergies marines les plus concentrées, avec l'énergie des vagues. Et, contrairement à d'autres énergies renouvelables, comme le solaire ou l'éolien, sa production est constante, tant que la mer est salée et que des fleuves s'y jettent.

Comment est produite l'électricité osmotique ? Tout simplement en exploitant le fait que la nature aime l'équilibre, en l'occurrence ici de salinité. L'astuce découverte en 1973 par un chercheur américain, Sydney Loeb, est de séparer deux réservoirs distincts, l'un d'eau douce, l'autre d'eau salée, par une membrane semi-perméable, qui laisse passer l'eau mais pas les molécules de sel. Résultat : pour équilibrer les concentrations salines, la solution salée « pompe » naturellement l'eau douce par osmose. Presque toute l'eau douce traverse ainsi la membrane. « Le réservoir d'eau salée étant maintenu plein et à pression constante, explique Stein Erik Skilhagen, ce flux d'eau y augmente la pression. »Selon les ingénieurs de Statkraft, la pression optimale serait de 13 bars, l'équivalent de la pression exercée par une colonne d'eau de 120 mètres de haut. Cette pression crée un courant régulier permettant de faire tourner une turbine et de produire de l'électricité. « Environ un tiers de cette eau part vers la turbine, puis est rejeté en mer, le reste est utilisé pouréquilibrer la pression du réservoir d'eau salée », ajoute Stein Erik Skilhagen.

Sur le papier, la technologie est convaincante. D'ailleurs le phénomène inverse (osmose inverse) est devenu la règle pour les dernières générations d'usines de dessalement : en mettant l'eau salée sous pression (ce qui consomme beaucoup d'énergie), on la force à traverser la membrane. L'eau passe, le sel reste. Pourquoi le dessalement par osmose inverse s'est-il développé et pas l'énergie osmotique ? « Les besoins en eau ont toujours été plus sensibles que les besoins en énergie », répond Gérard Pourcelly, directeur de l'Institut européen des membranes (IEM).

Depuis une dizaine d'années, la donne énergétique a changé. Il reste néanmoins deux verrous technologiques de taille pour que l'énergie osmotique soit rentable. En premier lieu, les membranes. Inspirées de celles utilisées pour le dessalement de l'eau de mer, dont les coûts ont diminué d'un facteur 5 en vingt ans, elles sont agencées sous forme de mille-feuilles cylindriques. Ces parois compactes nanoperforées sont en acétate de cellulose ou en polyamide composite. « La membrane idéale doit empêcher le sel de passer, mais permettre un flux d'eau conséquent, sans toutefois se déchirer », résume Gérard Pourcelly. Un compromis difficile à atteindre. Le second verrou concerne l'épuration des eaux prélevées, pour éviter le colmatage des membranes : limon, plancton et micro-organismes doivent être filtrés au préalable. « Notre prototype actuel comporte 2.000 m2 de membranes spiralées dont on devrait récupérer 3 watts par mètre carré (W/m2), précise Stein Erik Skilhagen. Pour être rentable, il faudrait atteindre 5W/m2. » Cette énergie serait alors à portée de main, aux embouchures de fleuve.

SOURCE : Les Echos

Quelques précisions sur le dessalement de l’eau de mer

Le monde actuel fait face à une crise de l’eau majeure que les experts attribuent au réchauffement climatique qui entraîne un accroissement des phénomênes climatiques extrèmes : sécheresses ou inondations,n à l’augmentation de la consommation d’eau du à la croissance démographique et à l’accroissement des usages. Le paradoxe est que certaines populations souffrent de pénuries d’eau alors que 71% de la surface du globe en est recouvert. Ce constat a incité divers spécialistes, chercheurs et acteurs du secteur de l’eau à développer différentes techniques de dessalement de l’eau de mer pour satisfaire la demande exponentielle du précieux liquide. Il est vrai que l’on estime à 39% la part de la population mondiale vivant à moins de 100km d’un côte alors que 42 villes de plus d’un million d’habitants ne disposant pas de ressources suffisantes en eau douce se situent sur le littoral.

De ce fait, le dessalement de l’eau de mer est devenu une technologie très importante dans le développement de l’accès à l’eau car il représente une véritable opportunité pour aider à la résolution de la crise. Avant de voir les évolutions actuelles et futures de ce marché ainsi que les critiques dont il est l’objet, il est nécessaire de comprendre en quoi consiste le dessalement d’un point de vue technique.

La distillation et le dessalement par osmose inverse, dont nous avons déjà parlé dans nos posts du 5 juin dernier et du 10 août, sont les deux procédés les plus courants, bien qu’il existe d’autres procédés tels que le système flash utilisé au Moyen Orient ou l’électrolyse.

Le phénomène d’osmose inverse est actuellement le plus utilisé puisqu’il représente à peu près 60% des installations. Il correspond au transfert d’un fluide (eau) à travers une membrane semi-perméable sous l’action d’une différence de concentration. Dans l’osmose classique, l’eau passe de la solution diluée vers la solution concentrée ; dans l’osmose inverse, qui se déclenche grâce à une augmentation de la pression appliquée à la solution au-delà d’un certain seuil, l’eau passe de la solution concentrée vers la solution diluée.

Par la suite, l’eau subit un prétraitement visant à éliminer toutes les particules de dimension supérieure à 10 micromètres ; il s’agit d’une pré-filtration puis d’une filtration sur sable. Cela permet d’enlever les particules en suspension les plus grosses. Un traitement biocide et une acidification permettent en outre d’empêcher le développement de microorganisme. Enfin, une filtration sur cartouche permet d’éliminer les particules qui ont échappé à la filtration sur sable.

L’eau de mer est alors injectée à l’aide d’une pompe à haute pression dans un module d’osmose inverse dans lequel se trouvent des membranes. Les molécules sont retenues d’un côté de la membrane, ce qui augmente la concentration de l’eau et nécessite une pression plus importante. La solution salée est balayée par un flux d’eau continu. Ainsi, on obtient une eau filtrée de manière extrêmement fine. Pour limiter la consommation d’énergie, il est possible d’aménager un circuit permettant de récupérer une partie de l’énergie liée à la pression.

La filtration permet de supprimer 99% des sels minéraux et organiques. Une eau de mer concentrée à 35.000 ppm peut ainsi ressortir selon l’effort de pression réalisé sur la membrane Ol, à moins de 200 ppm. Le seuil de potabilité des eaux distribuées en réseau est généralement admis à 500 ppm. L’eau peut ensuite être reminéralisée, ajustée en Ph ou subir des post-traitements UV, osmose, ou une légère chloration afin d’être déclarée comme potable.

Selon la WWF, il y aurait aujourd’hui une dizaine de milliers d’usines de dessalement en activité de par le monde dont la moitié serait concentrée pour le moment dans la région du Golfe et couvrirait environ 60% des besoins en eau douce des pays producteurs de pétrole. De plus, l’ensemble des usines de dessalement produirait plus de 50 millions de mètres cubes d’eau dessalée, dont 15 % issus de l’eau saumâtre, tous les jours dans le monde. D’une manière globale, il est possible d’observer deux types de réaction par rapport à cet état de fait. La première se caractérise par le succès et se traduit par la construction de nouvelles usines dans le monde alors que la deuxième est plus prudente et met en garde contre cette technique tout en appelant les dirigeants politiques à plus de réflexion.

Les promoteurs de cette technique avancent que le processus d’osmose inverse est développé depuis une quinzaine d’années et représente donc une technique fiable. Les usines de dessalement apparaissent d’ailleurs un peu partout dans le monde, que ce soit en Australie, à Bahreïn ou en en Arabie Saouditepour répondre aux besoins en eau auxquels sont confrontés ces pays. L'Espagne, également, dessale une grande quantité d’eau de mer et projette de construire jusqu'à quinze usines de dessalement (1,7 million de mètres cubes par jour). L’Inde a quant à elle, commandé une étude de faisabilité à General Electric afin de lancer un programme de dessalement. Aux Etats-Unis, la ville d’El Paso a inauguré en août 2007 la plus grande usine de dessalement à l’intérieur des terres qui existe au monde et plusieurs entreprises privées proposent une vingtaine d’usines de dessalement de l’eau de mer pour la seule côte californienne, selon Wenonah Hauter, présidente de l’association de consommateurs Food and Water Watch.

Cependant, c’est en Israël que ce trouve la plus grande usine de dessalement par osmose inverse du monde, à Ashkelon précisément. Cette usine construite par Veolia Water alimente environ 1,4 millions de personnes en eau douce par la production de 320 000m3 d’eau par jour. L’Algérie a quant à elle, lancé un projet d’investissement de 500 millions de dollars pour une station de dessalement qui dépassera la capacité de production de l’usine d’Ashkelon.

Ces deux derniers exemples prouvent l’engouement et le dynamisme de la région méditerranéenne pour ce procédé étant donné qu’elle souffre de plus en plus de la sécheresse. Vu le coût d’investissement élevé de ce type d’installations (il varie, pour des capacités allant de 10 000 à 100 000m3/j, d'environ 2000 à 2700 euros par m3/j.), les pays riches qui rencontrent des problèmes d’approvisionnement en eau sont de plus en plus nombreux à y avoir recours, en particuliers les pays du Golfe qui profitent de la manne financière de l’exploitation pétrolière. Il est possible de citer comme exemple le Qatar et le projet de Ras Laffan C qui sera la plus grande installation de production d'électricité et de dessalement d'eau de mer du pays, avec une production quotidienne de 2.730 MW d'électricité et de 286.000 m3/jour d'eau dessalée. Elle devrait être mise en service en avril 2011, avec une première phase de production d'électricité et d'eau dès le mois de mai 2010.

De plus, GDF Suez a récemment remporté un contrat pour la construction et l'exploitation de la centrale électrique et de dessalement d'eau de mer Shuweihat 2, un important projet indépendant d'électricité et d'eau à Abu Dhabi, aux Émirats Arabes Unis. Shuweihat 2 est une installation "greenfield" au gaz naturel qui produira 1.500 MW d'électricité et 454.610 m3 d'eau par jour d’après les autorités. La Jordanie et la Chine ont été plus loin en signant un accord de coopération nucléaire ouvrant la voie à une prochaine coopération en matière d'utilisation pacifique de l'énergie nucléaire, spécialement dans les domaines de la production d'électricité et du dessalement d'eau. Il est à préciser que la Chine a récemment annoncé que ces installations de dessalement traiteraient 1 million de m3 d'eau de mer par jour d'ici 2010 et jusqu'à 3 millions de m3/jour en 2020.

En Europe, la première grande usine anglaise de dessalement sera construite dans la commune de Newham, à l’est de Londres, et pourra produire chaque jour quelque 140 millions de litres d’eau potable, vers 2010.

La multiplication des usines de dessalement par osmose inverse témoigne de sa fiabilité en tant que pilier des solutions aux difficultés d’approvisionnement en eau des pays .

Malgré le succès actuel, un mouvement de méfiance à l’égard du dessalement s’est développé ces dernières années. Dans les articles relayant cette position, les arguments avancés s’appuient régulièrement sur une étude de la WWF publié en juin 2007 et intitulée « Dessalement : option ou distraction dans un monde assoiffé ? ».

L'ONG y rappelle notamment que les 1200 usines de dessalement du monde consomment beaucoup d'énergie et par conséquent émettent des gaz à effet de serre. Elle s’alarme donc d’un développement anarchique de cette technologie. Toujours selon elle, pour chaque litre d’eau dessalé, c’est un litre de saumure qui est rejetée à la mer. Même s’il est difficile de connaître l’impact réel de ces rejets, les premières études réalisées sur le sujet semblent montrer qu’il est faible (les fleuves rejettent aussi à la mer de nombreux minéraux). Jamie Pittock, directeur du programme eau douce du WWF note que la technique de l'osmose inverse utilisée pour le dessalement pourrait être une solution intéressante pour ces populations, selon lui. Elle a notamment été employée avec succès en Inde pour enlever certains contaminants dangereux présents dans l'eau potable. De son point de vue, « les usines de dessalement doivent être construites seulement lorsqu'elles se sont avérées être la solution la plus efficace et la moins préjudiciable pour compléter l'approvisionnement en eau, à la suite d'un processus d'évaluation approfondi et transparent de toutes les solutions de rechange et leurs impacts environnementaux, économiques et sociaux. » Il semble cependant que pour une fois les industriels et les écologistes se soient compris si l’on considère les nombreux projets de recherche qui sont en court chez les industriels du secteur afin de limiter la consommation énergétique, de trouver des débouchés aux résidus salins, mais également d’augmenter la quantité d’eau potable produite.

L’autre limite au développement du dessalement à longtemps été son coût. Cependant, le coût du m3 produit à considérablement diminué. L’usine d’Ashekelon produit un m3 à 0,5 centimes d’euros notamment..Reste que le coût du dessalement est étroitement lié au coût de l’énergie et que les pics qu’a connu le prix du baril ces derniers mois pourrait remettre en cause l’abaissement des coûts de production. Pour Michel Dutang, directeur de la recherche et du développement de Veolia Environnement, leader du marché (14,5 %), à l’avenir, « l’eau va devenir un problème crucial, qui butera sur le coût de l’énergie, indispensable au dessalement de l’eau de mer ou de l’eau saumâtre. »

Malgré ces limites, la plupart des analystes promettent au secteur une belle croissance pour la décennie à venir, dans la mesure où le besoin en eau potable excèdera nécessairement le coût énergétique de son traitement et que les besoins vitaux feront sans doute taire les considérations purement économiques. « Le marché du dessalement de l’eau de mer va exploser dans les années à venir », explique Jean-Louis Chaussade, directeur général de Suez Environnement, traduisant l’optimisme des acteurs du secteur basé sur la projection qui voit la production d’eau dessalée doubler d’ici 2016 pour atteindre plus de 109 millions de mètres cubes par jour.

Selon les prévisions de Media Analytics Limited (Global Water Intelligence), l’industrie du dessalement devrait atteindre 64,3 millions de litres par jour en 2010 et 97,5 millions en 2015 cela représenterait une augmentation de capacité de 140% depuis 2005. Cette expansion nécessiterait un investissement de 25 milliards de dollars d’ici 2010 et de 56,4 milliards de dollars avant la fin 2015. Suivant la tendance actuelle, plus de la moitié de ces investissements devraient être apportés par le secteur privé ce qui fait du secteur du dessalement la partie la plus internationale de l’industrie de l’eau, en plus d’être la plus axée sur la haute technologie. A titre d'exemple, la Chine prévoit de dépenser 200 milliards de dollars » dans cette technologie.

Toujours selon Media Analytics, la technique de l’osmose inverse représenterait 65% du marché en 2015 (contre 60% aujourd’hui) alors que la technique de distillation passerait d’une part de 24% à 37% grâce à la forte demande de ce type de produit dans le Golfe Persique. Cependant, le marché du dessalement en dehors du Golfe devrait croître plus rapidement que dans la région, notamment après 2015.

Le plus grand défi de l’industrie sera d’augmenter son efficacité énergétique plus rapidement que le coût de production d’électricité à base d’énergies fossiles, tout en développant les techniques minimisant l'impact des rejets.

Pour poursuivre la recherche... :

Dessalement à Alger (février 2008)

L'eau à Chypre (août 2008)

Dessalement à Alger (août 2008)

Un bon papier des voyageurs de l'eau sur le dessalement (août 2008)

Eau : le nouveau chouhou des cleantechs (mai 2008)

Les voyageurs de l'eau s'intéressent au dessalement

Le déssalement : une technologie peut-être pas miraculeuse, mais à coup sûr d’avenir. Nos camarades du blog Les voyageurs de l’eau, deux ingénieurs français qui voyagent autour du monde, ont produit un excellent papier sur le dessalement de l’eau de mer le 18 juillet dernier. Selon eux, cette technique rencontre incontestablement « du succès » grâce à « son image de solution miracle. » L’article mentionne le fait que « plusieurs dizaines d’usines de dessalement sont en cours de construction », et que la technologie devrait rendre de grands services à de nombreux pays, notamment sur tout le pourtour de la méditerranée. Les auteurs précisent cependant cette idée de bon sens, que le « dessalement ne doit pas se faire au détriment d’une meilleure gestion de l’eau ». Le dessalement ne prétend pas être une technologie miracle, mais les auteurs pointent qu’il serait intéressant de « coupler les énergies renouvelables et la technique d’osmose inverse », notamment en permettant à cette technologie, gourmande en énergie, d’être alimentée par de l’énergie solaire.

Mieux recycler l’eau usée : microfiltration, osmose inverse et ultraviolets

Mieux recycler l’eau usée : microfiltration, osmose inverse et ultraviolets
Le blog de Patrick Veillon met en ligne un article des Echos, qui explique l’importance du recyclage de l’eau usée et les différentes méthodes pour purifier l’eau : microfiltration, osmose inverse et ultraviolets. Description de ces méthodes, selon Les Echos :
Microfiltration. Il s’agit d’un prolongement de la filtration classique : l’eau passe à travers une membrane qui intercepte les particules de moins d’un micron, dont des colloïdes et des bactéries.
Osmose inverse. Une forte pression mécanique oblige les eaux usées à passer à travers une membrane semi-perméable afin de retenir les solides dissous, la matière organique, les virus et bactéries. On obtient d’un côté de l’eau pure, de l’autre une eau plus chargée en sels et en matières organiques (concentrat).
Ultraviolets. L’eau subit un rayonnement ultraviolet de haute intensité, qui a pour effet de détruire les micro-organismes (bactéries) et certaines molécules.