Dessalement à énergie solaire – Résoudre la pénurie d’eau pour 2,2 milliards d’humains

Le problème de la pénurie d’eau est plus pressant que nous ne l’imaginons. Selon les données présentées par le Programme des Nations Unies pour l’environnement, près de 50 % de la population mondiale, ce qui représente près de 4 milliards de personnes, font face à des pénuries d’eau pendant au moins un mois chaque année.

D’ici 2025, 1,8 milliard de personnes seront probablement confrontées à ce que l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO) appelle « pénurie d’eau absolue ». 

S’attaquer à un problème aussi gigantesque et omniprésent nécessite des solutions innovantes, des solutions qui exploitent des ressources inexplorées ou sous‑exploitées.

Par exemple, lutter contre la pénurie d’eau pourrait consister à transformer l’eau de mer en eau douce, ce qui est l’une des solutions les plus efficaces étant donné l’abondance de l’eau de mer. Il serait préférable que le processus puisse être réalisé en utilisant des énergies renouvelables, comme l’énergie solaire. 

Dispositif écoénergétique pour produire de l’eau potable à partir d’eau de mer

Transformer l’eau de mer en eau potable nécessite la désalinisation. Cependant, les systèmes de désalinisation actuels qui pompent l’eau de mer à travers des membranes pour séparer le sel de l’eau sont non seulement énergivores, mais subissent également l’accumulation de sel sur la surface de l’appareil. En conséquence, le débit d’eau est obstrué, réduisant l’efficacité. Ces dépôts de sel rendent ces machines inadaptées à une utilisation continue et coûteuses, nécessitant des travaux de maintenance fréquents.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Waterloo a maintenant proposé une solution inspirée du cycle de l’eau de la nature, s’appuyant fortement sur les mécanismes de transport de l’eau des arbres des racines aux feuilles.

Selon le Dr Michael Tam, professeur au département de génie chimique de Waterloo:

« Notre inspiration vient de l’observation de la façon dont la nature se maintient et de la manière dont l’eau s’évapore et se condense dans l’environnement. »

Étant donné que le mécanisme s’inspire du cycle naturel de l’eau, il nécessite à peine une maintenance majeure. 

Le processus implique une solution ingénierisée qui fait évaporer l’eau, la transporte à la surface et la condense dans un cycle fermé. Le résultat est une prévention efficace de l’accumulation de sel et une longévité accrue de l’appareil avec une efficacité préservée. 

Ce qui renforce les avantages de l’appareil, c’est qu’il utilise des énergies renouvelables, rendant l’appareil écoénergétique. Il fonctionne à l’énergie solaire et peut convertir près de 93 % du soleil en énergie.

L’efficacité est cinq fois supérieure à celle des systèmes de désalinisation actuels disponibles sur le marché, produisant près de vingt litres d’eau douce par mètre carré.

Il est intéressant de noter que c’est la même quantité d’eau que l’OMS recommande pour chaque personne chaque jour pour les besoins de base en boisson et hygiène. 

Pour que l’appareil utilise efficacement l’énergie solaire, les chercheurs ont employé le matériau de base Nickel (Ni). La base en mousse de nickel a été dotée d’un revêtement polymère conducteur et de particules de pollen thermo‑réactives. Cette composition rend le matériau apte à absorber la lumière solaire sur tout le spectre du rayonnement solaire. 

Pour le mouvement ascendant de l’eau, une fine couche d’eau salée a été chauffée et transportée. Cela ressemble à la façon dont l’eau circule dans les capillaires naturels des arbres. L’évaporation de l’eau entraîne le déplacement du sel restant vers le fond de l’appareil. 

La simplicité de la solution la rend prête à une adoption plus large. Sa portabilité garantit qu’elle peut être utilisée dans des régions éloignées, notamment dans les pays côtiers et insulaires. 

En résumant les avantages globaux de la solution, le Dr Yuning Li, professeur au département de génie chimique de Waterloo, a déclaré:

« Ce nouvel appareil n’est pas seulement efficace mais aussi portable, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans les régions éloignées où l’accès à l’eau douce est limité. » 

Pour détailler davantage les bénéfices potentiels, le Dr Michael Tam a déclaré:

« Si le test s’avère concluant, la technologie pourra fournir durablement de l’eau douce aux communautés côtières et faire progresser les objectifs de développement durable des Nations Unies 3, 6, 10 et 12. »

Alors que les recherches susmentionnées ont suscité beaucoup d’espoir dans la communauté scientifique et chez les personnes œuvrant pour des solutions d’eau douce durables, d’autres chercheurs se sont également investis.

Dans la section suivante, nous abordons le développement d’une unité de désalinisation portable proposée par des chercheurs du MIT en 2022.

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Une unité de désalinisation portable pour générer de l’eau potable claire et propre

En avril 2022, des chercheurs du MIT ont développé une unité de désalinisation portable qui pesait moins de 10 kilogrammes, à peu près la taille d’une valise. Elle pouvait fonctionner avec moins d’énergie que celle requise pour alimenter un chargeur de téléphone portable. Disponible à la vente pour 50 US$, comme l’appareil dont nous avons parlé dans notre segment précédent, celui-ci, également, ne nécessitait pas le passage de l’eau à travers des filtres. Au lieu de cela, il utilisait l’énergie électrique pour éliminer les particules de l’eau potable.

Technique de polarisation de concentration ionique rendant l’unité sans filtre

Le processus, résultat du travail décennal des chercheurs, consistait à appliquer un champ électrique à des membranes placées au-dessus et au-dessous d’un canal d’eau. Les membranes pouvaient repousser les particules chargées positivement ou négativement, y compris les molécules de sel, les bactéries et les virus, lorsque l’eau les traversait. Le processus pouvait éliminer à la fois les solides dissous et en suspension. 

Les chercheurs, en concevant leur solution, ont fait un usage judicieux des meilleures techniques disponibles, y compris l’apprentissage automatique. L’apprentissage automatique s’est avéré efficace pour trouver la combinaison idéale des modules ICP et d’électrodialyse, le processus impliquant au total six modules. 

Les chercheurs ont également gardé à l’esprit que des appareils comme ceux-ci, qui ne seraient efficaces que s’ils étaient largement adoptés, doivent être faciles et simples d’utilisation. Ainsi, il pourrait être lancé avec un seul bouton pour la désalinisation et la purification automatiques. 

Il pourrait également avertir les utilisateurs lorsque le niveau de salinité et le nombre de particules descendent en dessous d’un seuil tolérable spécifique. Pour rendre la lecture des données simple et intuitive, les chercheurs ont proposé une application smartphone capable de contrôler l’unité sans fil et de rapporter toutes les données disponibles sur la consommation d’énergie et la salinité de l’eau en temps réel. 

Financé, en partie, par le DEVCOM Soldier Center, le Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), le Experimental AI Postdoc Fellowship Program de Northeastern University et le Roux AI Institute, la recherche a fourni des résultats satisfaisants. 

Les chercheurs ont sorti la solution du laboratoire et l’ont testée à Carson Beach, à Boston. L’eau obtenue dépassait les directives de qualité de l’Organisation mondiale de la santé en réduisant le nombre de solides en suspension d’au moins un facteur de 10, tandis que le prototype générait de l’eau potable à un débit de 0,3 litre par heure, ne nécessitant que 20 watt‑heures par litre.

En détaillant le caractère révolutionnaire de l’expérience, le co‑auteur principal Jongyoon Han, professeur d’ingénierie électrique et d’informatique et d’ingénierie biologique ainsi que membre du Research Laboratory of Electronics (RLE), a déclaré:

« C’est vraiment le point culminant d’un parcours de dix ans que mon équipe et moi avons entrepris. Nous avons travaillé pendant des années sur la physique des processus de désalinisation individuels, mais intégrer toutes ces avancées dans une boîte, construire un système et le démontrer en mer a été une expérience vraiment significative et gratifiante pour moi. » 

Alors que les chercheurs universitaires sont fortement engagés dans cette noble quête, plusieurs entreprises ont également pris en charge la désalinisation de l’eau. Leur contribution est tout aussi cruciale, car une adoption à grande échelle nécessite des solutions évolutives fonctionnant à l’échelle commerciale. Dans les sections suivantes, nous examinerons quelques-unes de ces entreprises. 

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

L’entreprise met à disposition ses services d’ingénierie pour permettre à ses clients la conception‑construction complète de Systèmes de désalinisation par osmose inverse d’eau de mer. L’entreprise couvre l’ensemble du cycle de service incluant l’installation, l’extension ou la modernisation. 

L’entreprise, cotée et négociée sur le Nasdaq, réalise la gestion, l’ingénierie et les services de construction pour la désalinisation via DesalCo, reconnue par les fournisseurs comme un fabricant d’équipement d’origine (OEM) d’usines de désalinisation d’eau de mer par osmose inverse pour la Société.

Techniquement, l’entreprise identifie deux méthodes principales de désalinisation:

(i) Distillation thermique
(ii) Séparation membranaire.

L’entreprise privilégie cette dernière en raison de ses coûts énergétiques plus faibles. L’entreprise utilise la séparation membranaire par osmose inverse pour la désalinisation d’eaux saumâtres et marines. Il s’agit d’un processus de séparation des fluides où l’eau salée est pressurisée, et l’eau douce est séparée de l’eau salée en traversant une membrane semi‑perméable qui rejette les sels.

L’usine d’osmose inverse d’eau de mer de Consolidated Water (CWCO ) est située à Nassau, New Providence, au Commonwealth des Bahamas. Mise en service en juillet 2006, l’usine possède une capacité opérationnelle pour traiter 12 millions de gallons US d’eau par jour. 

En 2023, l’entreprise a finalisé l’acquisition des 39 % restants de la société PERC Water Corporation (« PERC ») pour devenir propriétaire à 100 % de cette filiale, qui conçoit, construit, exploite et gère des installations d’infrastructure hydraulique dans le Sud‑Ouest des États‑Unis. 

La même année, PERC a obtenu un nouveau contrat de 204 millions de dollars pour concevoir, construire et exploiter une nouvelle installation de désalinisation à Honolulu, Hawaï.

Les opérations de détail de l’entreprise aux îles Caïmans produisent de l’eau potable dans trois usines de désalinisation par osmose inverse d’eau de mer à Grand Cayman, situées sur les sites Abel Castillo Water Works (« ACWW ») et West Bay. 

La capacité de production agrégée actuelle des deux usines situées à ACWW est de 3,0 millions de gallons d’eau par jour. La capacité de production de l’usine West Bay est de 1 000 000 de gallons d’eau par jour. 

En 2023, l’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires de 180,2 millions de dollars US, une hausse importante par rapport à son chiffre d’affaires de 94,1 millions de dollars US en 2022. En 2023, l’entreprise a enregistré un bénéfice net record et un bénéfice par action provenant des activités continues de 30,7 millions de dollars et 1,93 $, respectivement. Le cours de l’action ordinaire de l’entreprise a atteint un sommet historique de 38,29 $ US en novembre 2023. 

#2. Veolia 

L’entreprise considère la désalinisation comme une solution clé pour lutter contre la pénurie d’eau. Elle affirme avoir construit des centaines d’usines et systèmes de désalinisation dans le monde entier, produisant de l’eau douce pour les besoins municipaux et industriels. Les projets phares les plus récents de l’entreprise comprenaient l’usine Al Dur 2 à Bahreïn, l’usine Rabigh 3 en Arabie Saoudite et l’usine Umm Al Quwain IWP aux Émirats arabes unis.

Depuis 2007, l’entreprise est responsable de la construction et de l’exploitation de l’usine d’osmose inverse d’eau de mer de Sur, en collaboration avec l’Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). L’installation fournit de l’eau potable à plus de 600 000 personnes. Veolia construit également des installations de désalinisation pour les besoins industriels. 

La technologie propriétaire Barrel de Veolia est un système d’osmose inverse (RO) sûr, compact et numérique dont l’approche plug‑and‑play facilite un planning accéléré tout en assurant que ses capteurs numériques intégrés garantissent une surveillance à distance efficace. 

Veolia, en plus de ses solutions de désalinisation directes, aide également ses clients grâce à une combinaison d’outils numériques et d’expertise qui rend les processus plus intelligents, plus sûrs et plus durables. 

Son portefeuille de services de base installée propose des services de traitement de l’eau personnalisés adaptés aux besoins exacts du client. Les services d’eau mobiles de Veolia concernent des actifs de location qui soutiennent et assistent les opérations du site du client pour des besoins de traitement de l’eau temporaires et à plus long terme. Enfin, sous son volet programmes chimiques de traitement de l’eau, l’entreprise propose des solutions chimiques d’hygiène de l’eau et HYDREX qui contribuent à améliorer la performance des équipements de services publics et de traitement de l’eau. 

Les actions de Veolia (OTC: VEOVY) sont cotées sur le marché over‑the‑counter (OTC). Au premier semestre 2024, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 22,141 milliards d’euros, une légère baisse par rapport au chiffre d’affaires du premier semestre 2023 de 22,755 milliards d’euros. Sur ces 22,141 milliards, près de 8,8 milliards d’euros proviennent de la division d’activité dédiée aux besoins en eau. Les deux autres concernent les déchets et l’énergie.

L’importance croissante de la désalinisation

Un volume important d’eau provient déjà de la désalinisation. Selon les données présentées par l’International Desalination Association, la capacité contractée cumulative de désalinisation a maintenant dépassé 100 millions de m³/j et près de 60 % de la désalinisation est consacrée à la consommation humaine. Selon les estimations, environ 300 millions de personnes dépendent de ce processus pour leur consommation quotidienne d’eau. Des pays comme le Koweït produisent presque 100 % de leur utilisation d’eau douce grâce à la désalinisation. 

Cependant, les projets de désalinisation ne sont pas encore répartis uniformément dans le monde. Les régions du Moyen‑Orient et d’Amérique du Nord représentent cumulativement plus de 70 % de la capacité mondiale de désalinisation. Sur ces 70 %, le Moyen‑Orient à lui seul représente plus de 53 %. 

Les données indiquent également qu’il y avait plus de 21 000 usines de désalinisation d’eau de mer en 2022, avec une production mondiale quotidienne de 99 millions de m³/j d’eau désalinisée. Cependant, ce volume de production génère également plus de 150 millions de m³/j de sous‑produit de saumure. La saumure est l’eau de mer légèrement concentrée rejetée par les usines de désalinisation dans la mer. La teneur en sel de la saumure est d’environ 60 g/l pour une eau de mer à 40 g/l, tandis que la température du rejet de saumure est légèrement supérieure à celle de l’eau de mer – de quelques degrés Celsius.  

Les recherches futures devront investir du temps et des ressources pour trouver des méthodes plus respectueuses de l’environnement. L’utilisation de l’énergie solaire pour faire fonctionner ces usines contribue à réduire considérablement l’empreinte carbone de ces installations. Cependant, les recherches futures doivent garantir que presque toute l’eau de mer d’entrée soit convertie en eau potable fraîche. Cela assurera qu’il n’y ait aucun rejet nocif en tant que sous‑produit.  

Des mécanismes de transport et de distribution efficaces garantiront que cette eau aille au-delà des pays situés sur les côtes et atteigne les régions arides et sèches dépourvues de source d’eau potable significative à proximité.

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