Dessalement durable – Comment la technologie solaire mature change notre approche des crises de l’eau

L’eau est la vie

Les investisseurs et les technologues ont tendance à se concentrer sur les ressources naturelles et les marchandises les plus précieuses ou techniquement utiles, comme l’or, les terres rares ou le lithium. Cependant, une ressource beaucoup plus simple est nécessaire en quantités massives chaque jour pour soutenir notre civilisation: l’eau douce.

Alors qu’elle tombe littéralement du ciel dans la majeure partie du monde, sa disponibilité reste sous une forte pression dans la civilisation moderne, car nous en consommons une grande partie pour l’industrie, l’agriculture et les besoins humains.

Seulement 3 % de l’eau mondiale est de l’eau douce utilisable, les 97 % restants étant salés (eaux souterraines salines et eau de mer). De cette eau douce, 69 % se trouve dans les glaciers et les calottes polaires, 30 % est de l’eau souterraine, et seulement 1 % est de l’eau de surface.

Source: USGS

En conséquence, dans de nombreux endroits, la seule source d’eau disponible est saline. La désalinisation est possible mais nécessite une quantité énorme d’énergie. Jusqu’à présent, elle a souvent été réalisée avec des combustibles fossiles, car la plupart des techniques de désalinisation sont énergivores et requièrent des apports d’énergie constants et stables.

Cela pourrait changer, grâce à une nouvelle méthode développée par des ingénieurs du MIT et publiée dans Nature Water sous le titre “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

Désalinisation solaire

À première vue, l’énergie solaire semble être la source d’énergie la plus logique pour alimenter les opérations de désalinisation. Non seulement elle est fournie gratuitement par le Soleil, mais elle est également généralement abondante dans les régions arides comme les déserts, qui ont souvent le plus grand besoin de désalinisation.

Avec l’énergie solaire devenant chaque jour moins chère, elle continuera probablement de croître en tant que source d’énergie, comme nous l’avons couvert dans notre article “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

Il reste toutefois un problème – l’énergie solaire n’est produite que lorsque le soleil brille. Cela signifie que, pour fonctionner efficacement, la plupart des opérations de désalinisation uniquement alimentées par le solaire devraient être couplées à un système de batteries, ce qui augmente les coûts.

C’est particulièrement problématique pour les techniques de désalinisation actuelles, comme l’osmose inverse, qui nécessitent des conditions stables et un approvisionnement énergétique stable pour être efficaces. En effet, elles exigent une pression constante sur les membranes d’osmose.

Cela exclut toute désalinisation à petite échelle et toute méthode à faible coût, du moins tant que le stockage d’énergie reste coûteux. Cela pourrait changer, comme nous l’avons discuté dans “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech“; néanmoins, il pourrait être préférable de s’adapter également aux fluctuations naturelles de l’énergie solaire, y compris les très courtes, comme le passage des nuages.

Électrodialyse par lots flexible

Les chercheurs du MIT ont privilégié cette approche. Ils ont étudié l’électrodialyse, une méthode alternative à l’osmose inverse pour la désalinisation. L’électrodialyse utilise un champ électrique pour extraire les ions de sel lorsque l’eau est pompée à travers une pile de membranes d’échange d’ions.

Source: Nature Water

Pour leur nouveau design, ils ont créé un système de contrôle basé sur un modèle, connecté à des capteurs dans toutes les parties du système. Il prédisait le débit optimal à pomper ainsi que la tension à appliquer pour maximiser la quantité de sel extraite de l’eau.

Ce faisant, l’opération de désalinisation pouvait fluctuer en fonction de l’énergie solaire produite en temps réel.

Source: Nature Water

En moyenne, le système utilisait directement 77 % de l’énergie électrique disponible produite par les panneaux solaires, ce que l’équipe a estimé être 91 % de plus que les systèmes d’électrodialyse alimentés par le solaire traditionnellement conçus.

Amélioration supplémentaire

Le taux d’utilisation de l’énergie solaire presque doublé par rapport aux systèmes d’électrodialyse précédents pourrait encore être amélioré avec une optimisation et une automatisation plus régulières:

Nous ne pouvions calculer qu’à chaque trois minutes, et pendant ce temps, un nuage pouvait littéralement passer et bloquer le soleil.

Le système pourrait dire : « Je dois fonctionner à cette puissance élevée. » Mais une partie de cette puissance a soudainement chuté parce qu’il y a moins de lumière solaire. Ainsi, nous avons dû compenser cette puissance avec des batteries supplémentaires.

Amos Winter – Directeur du K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

Il s’agissait d’un travail de preuve de concept qui sera bientôt transformé en conception commerciale, l’équipe prévoyant de lancer une société basée sur leur technologie dans les mois à venir.

Ce projet de recherche a également été soutenu en nature (matériel fourni gratuitement) par Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) et Xylem Goulds (XYL ).

Pas seulement l’eau de mer

L’équipe de recherche s’est concentrée sur la désalinisation des eaux souterraines saumâtres trouvées sous terre au Nouveau-Mexique. Comme de nombreux centres de population des zones arides sont éloignés de la mer, cela peut constituer une source d’eau importante actuellement indisponible en raison de sa teneur en sel.

“La majorité de la population vit en fait suffisamment loin de la côte pour que la désalinisation de l’eau de mer ne puisse jamais les atteindre. Elle dépend donc fortement des eaux souterraines, surtout dans les régions éloignées et à faible revenu. Et malheureusement, ces eaux souterraines deviennent de plus en plus salines en raison du changement climatique.”

Jonathan Bessette – MIT doctorant en génie mécanique

Le modèle de recherche était déjà capable de fournir suffisamment d’eau douce pour approvisionner 3 000 personnes. Il a été exploité pendant 6 mois au Brackish Groundwater National Desalination Research Facility à Alamogordo, Nouveau-Mexique.

Pas seulement les zones désertiques

Nous avons tendance à penser que la pénurie d’eau douce et le besoin urgent de désalinisation ne se produisent que dans des lieux secs comme le Nouveau-Mexique ou l’Arabie Saoudite. Cependant, les régions « humides » peuvent également être affectées. Par exemple, le Royaume-Uni envisage d’importer de l’eau douce de la Norvège pendant la sécheresse.

De même, le Canada a été touché par une crise concernant l’approvisionnement en eau douce et propre, entraînant une poursuite de 1,1 milliard de dollars contre le gouvernement canadien par plus de 50 Premières Nations après un règlement récent de 8 milliards de dollars.

Par ailleurs, les pénuries d’eau à Taïwan menacent l’industrie cruciale des semi-conducteurs, qui constitue le cœur de l’économie de l’île.

Et le changement climatique pourrait aggraver chacune de ces crises séparées au fil du temps.

De nombreuses régions et pays à faible revenu pourraient également bénéficier d’une utilisation accrue de l’eau, par exemple pour augmenter les rendements agricoles, l’eau de mer étant un candidat évident pour un approvisionnement illimité, tant que la désalinisation est suffisamment bon marché et que l’énergie est fournie par le Soleil d’été.

En alternative à la désalinisation, extraire de l’eau de l’air pourrait également être possible grâce aux récupérateurs d’eau atmosphérique qui s’améliorent rapidement.

Investir dans l’eau

L’accès à de l’eau douce propre a été reconnu comme un droit humain par l’ONU depuis 2010. C’est une grande industrie, valorisée à 323 milliards de dollars en 2023, et devrait croître à un TCAC de 7,5 % jusqu’en 2032, atteignant 617 milliards de dollars.

C’est également un secteur limité par la disponibilité des ressources et les coûts énergétiques, ce qui pourrait devenir moins critique à mesure que l’énergie solaire devient moins chère et que de nouvelles techniques de production d’eau émergent. Cela, à condition que le changement climatique ne provoque pas de pénuries critiques.

Si vous n’êtes pas intéressé par des sociétés d’eau spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF sur l’eau tels que le Global X Clean Water ETF (AQWA), le iShares Global Water UCITS ETF (IH2O), ou le Amundi MSCI Water ESG Screened ETF (WAT), qui offriront une exposition plus diversifiée pour profiter du secteur de l’eau en pleine croissance.

Entreprises résolvant les pénuries d’eau

Xylem Inc.

En partenariat avec la société européenne Veolia, Xylem est un leader mondial de la purification de l’eau, du traitement des eaux usées et de la désalinisation. Elle emploie plus de 23 000 personnes (dont plus de 6 000 ingénieurs) et opère dans 150 pays, en se concentrant sur les États‑Unis, avec plus de 35 000 clients industriels directs.

Son principal marché est l’eau potable municipale et les eaux usées, mais elle fournit également des solutions dédiées à d’autres secteurs tels que les soins de santé, l’énergie, l’alimentation & les boissons, le pétrole & le gaz, la microélectronique, etc.

Source: Xylem

Xylem peut fournir les équipements brevetés essentiels pour nettoyer ou produire de l’eau, tels que les générateurs d’ozone, les lampes UV, les membranes de désalinisation, les générateurs d’eau ultra‑pure, etc. Mais elle fournit également des équipements « plus simples » tout aussi essentiels aux opérations liées à l’eau, comme les turbines, pompes, tuyauteries, injections, logiciels, etc., ainsi que des services de maintenance, de réparation et d’installation.

Source: Xylem

Le marché de l’eau reste très fragmenté, Xylem étant l’une des plus grandes entreprises du secteur mais ne détenant « seulement » qu’une part de marché de 10 % sur son marché adressable de 80 milliards de dollars.

L’entreprise consacre environ 4 % de son chiffre d’affaires à la R&D. Elle devrait bénéficier des nouvelles réglementations concernant les PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées, ou produits chimiques persistants), avec plus de 6 000 installations utilitaires nécessitant un tel traitement PFAS.

Xylem a connu une croissance régulière, son revenu net passant de 297 M$ en 2012 à 609 M$ en 2023 tout en maintenant une marge EBITDA stable de 17‑219 %.

Dans l’ensemble, cela rend le profil d’investissement de l’entreprise moins comparable à celui d’une société industrielle (souvent cyclique) et plus semblable à celui d’une société de services publics qui croît avec l’économie globale, voire légèrement au-dessus de ce taux, comme la plupart de ses consommateurs.