Dessalement de l'eau : procédés, coût et pays

Presque trois quarts de la Terre sont recouverts d’eau et environ 97% de cette eau est salée.

Le dessalement ou désalinisation d’eau consiste à extraire de l’eau douce à partir d’eau salée (eau de mer ou saumâtre). Il permet entre autres d’augmenter les ressources disponibles d’eau potable.

Contexte environnemental

Ainsi la tentation est grande de dessaler l’eau de mer pour disposer d’une eau douce utilisable pour les activités humaines, et notamment pour la boire. En effet, les eaux salines sont abondantes et accessibles⁽¹⁾ : elles couvrent 75% de la planète, représentent plus de 97% du volume des eaux sur Terre, et 11% de la population mondiale habite à moins de 10 kilomètres d’une eau saline.

Les technologies de dessalement sont disponibles et utilisées depuis une cinquantaine d’années dans des régions souffrant d’un stress hydrique. Elles peuvent parfois être indispensables car la seule solution pour un accès à l’eau potable des populations⁽²⁾, mais parfois leur usage est plus discutable.

Aujourd’hui, dans un contexte à la fois de stress hydrique et de transition énergétique, on peut s’interroger sur la place à donner au dessalement. Quand des eaux douces souterraines ou de surface sont disponibles, ce qui est encore largement le cas en France, il est préférable énergétiquement, économiquement et environnementalement de les utiliser pour potabiliser l’eau. Par contre, quand la seule ressource en eau disponible est une eau de mer, le dessalement permet un accès à l’eau potable pour tous.

Comment sépare-t-on les sels de l’eau ?

On dessale principalement des eaux de mer ou des eaux souterraines proches des côtes influencées par les eaux de mer et dites eaux saumâtres.

Une eau de mer contient surtout des sels (et majoritairement NaCl, le sel de table), a une concentration qui peut varier selon la mer ou l’océan et le lieu de prélèvement et qu’on considère en moyenne à 35 grammes de sels par litre d’eau de mer. Elle contient aussi des fines particules, des matières organiques, des algues et microorganismes. Parmi les particules, on observe la présence croissante de micro et nanoparticules de plastiques due à l’activité humaine.

L'eau saumâtre est légèrement à moyennement salée avec une tenue de sel de 1 à 10 g/l d’eau.

Pour transformer une eau de mer ou saumâtre en eau douce, il faut séparer les sels et les molécules d’eau. Quand un mètre cube d’eau de mer est dessalé, on récupère environ 500 litres d’eau dessalée et 500 litres d’un concentrat ou saumure enrichi en sels. Avant cette séparation, qui constitue l’opération de dessalement à proprement parler, il faut prétraiter l’eau de mer pour la débarrasser d’une grande partie des particules, matières organiques, algues et microorganismes, pour assurer la productivité de la séparation sel/eau.

Au global, une installation de dessalement comporte :

un pompage de l’eau saline pour approvisionner l’usine de dessalement,
des prétraitements,
une opération de dessalement,
une dispersion des saumures en mer, en utilisant des techniques appropriées pour ne pas perturber le milieu naturel.
Si l’eau dessalée est destinée à la consommation humaine, une opération de reminéralisation est nécessaire.

intérieur de l’usine de dessalement de Barcelone

Aujourd’hui on dispose de deux technologies principales pour dessaler l’eau de mer ou saumâtre :

l’osmose inverse, qui est basée sur une séparation physique des sels et de l’eau grâce à une membrane qui laisse passer les molécules d’eau mais retient les sels. Pour faire passer l’eau au travers de la membrane, il faut des pompes pour appliquer une pression forte (50 à 70 bars ; la pression doit être plus importante quand la concentration en sels augmente en fonction du lieu de prélèvement) ;
la distillation, qui est basée sur un changement d’état de l’eau, que l’on vaporise en lui apportant de la chaleur. La vapeur d’eau ne contient pas de sels et est condensée sur des parois froides, ce qui permet de récupérer l’eau.

Où dessale-t-on de l’eau de mer aujourd’hui ?

Techniquement; on est donc capable de dessaler des eaux et le dessalement se développe. En 2020, près de 100 millions de mètres cubes (soit 100 milliards de litres) d’eau dessalée sont produits chaque jour dans le monde et le dessalement est en plein développement, avec un taux de croissance annuel moyen de 7,5% depuis 2010⁽³⁾.

Les plus grands utilisateurs sont des pays riches souffrant d’une pénurie d’eau douce et disposant de gaz ou pétrole pour faire marcher les installations, tels que l’Arabie saoudite, les Émirats arabes unis ou Oman. Le dessalement d'eau de mer constitue une problématique particulièrement sensible au Moyen-Orient, région qui représente la moitié des capacités mondiales de dessalement d'eau de mer. En Arabie saoudite, près de 70% de l’eau potable provient par exemple d’usines de dessalement, souligne cette note. La consommation d’électricité liée au dessalement d’eau dans ce pays a été multipliée par 3 pendant la période 2005-2020, pour atteindre environ 6% de la consommation totale d’électricité de l'Arabie saoudite en 2020 (près de 17 TWh). Les capacités de dessalement d'eau du pays pourraient quasiment doubler d'ici 2030 : elles passeront de 5,6 millions de m3 par jour en 2022 à 8,5 millions de m3 par jour en 2025, et devront couvrir plus de 90% de la consommation en eau du pays.

En Europe, le pays le plus utilisateur du dessalement est l’Espagne, qui manque d’eau douce sur ses côtes méditerranéennes et compte un millier d’installations de dessalement (publiques ou privées). La ville de Barcelone est équipée d’une installation de dessalement des eaux de mer, qui peut délivrer 200 000 mètres cubes d’eau potable chaque jour. Depuis la sécheresse de 2022, elle est poussée à sa capacité maximale pour alimenter, selon ses exploitants, jusqu’à 33% des habitants de Barcelone et de la métropole⁽⁴⁾. Deux ans auparavant, 3% seulement des eaux distribuées étaient produites par dessalement. Cette installation a été construite en 2009 après des périodes de sécheresse, qui avaient conduit la ville à s’approvisionner en eau par des containers en provenance de Marseille et à rationner les quantités d’eau distribuées.

Les États-Unis dessalent depuis très longtemps des eaux souterraines côtières salées ou colorées.

Combien d’énergie faut-il pour dessaler de l’eau de mer ?

Théoriquement, dessaler 1 m³ d’eau moyennement salée à des conditions isentropiques (température constante) nécessite une quantité d’énergie estimée à 536 Wh.

Dans les faits, les deux principaux procédés actuels de dessalement consomment 5 à plus de 30 fois plus d’énergie :

la distillation, procédé thermique consistant à chauffer l’eau salée dans une chaudière ou à l’aide du rayonnement solaire jusqu’à évaporation. La vapeur d’eau s’échappant est condensée pour récupérer de l’eau douce. La consommation énergétique de ce procédé avoisine 15 kWh par m³ d’eau dessalée;
l’osmose inverse, procédé consistant à appliquer une pression sur un volume d’eau salée au travers d’une membrane semi-perméable retenant le sel et les autres impuretés. La consommation énergétique peut dans ce cas être réduite entre 2,5 et 3 kWh par m³.

Pour obtenir de l’eau potable, le traitement de l’eau d’un lac est beaucoup moins énergivore (moins de 0,4 kWh/m³ d’eau potable, soit près de 10 fois moins que l’osmose inverse).

Notons que les installations de distillation sont parfois intégrées au sein d’une centrale thermique afin de réduire les coûts du dessalement, en récupérant de l’énergie « fatale » qui serait perdue sans cette utilisation. Il est également possible d’utiliser, pour dessaler de l’eau, de l’électricité provenant d’unités de production renouvelables intermittentes aux heures de faible demande (évitant que l’électricité soit également perdue, faute de stockage).

Plus de 21 000 stations de dessalement d’eau de mer sont actuellement opérationnelles dans le monde en 2022, soit presque deux fois plus qu’il y a dix ans, et le secteur connaît une croissance de l’ordre de + 6% à + 12% de capacités par an. Elles ont une capacité totale de production de près de 100 millions de m³ d’eau par jour.

Le dessalement contribue aux émissions de gaz à effets de serre, notamment par son utilisation d’énergie. Au total dans le monde, on estime que le dessalement par osmose inverse utilise 100 TWh d’énergie électrique par an⁽⁵⁾ , soit l’équivalent d’environ 0,4 % de la consommation électrique mondiale. Il aurait émis 76 millions de tonnes de CO₂ en 2014, avec une prévision de 400 millions de tonnes de CO₂ estimées pour 2050.

La seule opération de séparation sel/eau, que ce soit par osmose inverse ou par distillation, nécessite une énergie théorique minimale de l’ordre de 1 kWh par mètre cube d’eau produite⁽⁶⁾. À cela, il faut ajouter sur chaque site les énergies nécessaires pour l’approvisionnement en eau, la distribution de l’eau traitée et la diffusion des saumures qui dépendent de l’emplacement de l’installation, et l’énergie nécessaire pour prétraiter et reminéraliser l’eau, qui dépendent de la qualité de l’eau de mer.

schéma indiquant la part de chaque étape du dessalement dans sa consommation énergétique

En pratique, pour le dessalement, on dépasse encore largement la valeur théorique minimale. L’osmose inverse consomme actuellement 2 kWh à elle seule pour produire un mètre cube d’eau dessalée à partir d’eau de mer, et pour une installation complète de dessalement le coût énergétique total peut représenter jusqu’à 4 kWh par mètre cube. Néanmoins, l’osmose inverse consomme moins d’énergie que la distillation, c’est la raison pour laquelle elle se développe plus (notamment dans les pays non producteurs de gaz et de pétrole) et est actuellement la technologie de dessalement la plus utilisée dans le monde actuellement.

Il est encourageant de noter que dans les années 1970, le coût énergétique de l’osmose inverse était de 20 kWh par m³ et que la recherche et le développement de nouvelles membranes, et surtout d’équipements de récupération de l’énergie de pression, ont permis de réduire d’un facteur 10 les coûts énergétiques du dessalement par osmose inverse.

Des efforts de recherche et d’innovation sont en cours dans de nombreuses équipes de recherche internationales pour tenter de s’approcher mieux du minimum, par exemple en développant de nouvelles membranes ou en améliorant le procédé d’osmose inverse ou les prétraitements.

À noter, l’utilisation d’énergie électrique d’origine renouvelable (éolien, solaire ou force marémotrice) pour dessaler l’eau de mer par osmose inverse a fait l’objet de travaux de recherches dans de nombreux laboratoires de par le monde⁽⁷⁾. Toulouse Biotechnology Institute⁽⁸⁾ s’intéresse à l’utilisation d’énergie solaire pour le dessalement par osmose inverse⁽⁹⁾ et par distillation⁽¹⁰⁾. De petites installations de dessalement autonomes sont commercialisées par des entreprises françaises, mais moins de 1% des eaux dessalées dans le monde en 2018 étaient produites en utilisant des énergies renouvelables⁽¹¹⁾.

Quels usages pour le dessalement face à ces coûts énergétiques et environnementaux ?

Une eau obtenue par dessalement est une eau chère et à fort impact environnemental : elle doit être produite après réflexion et utilisée avec parcimonie. Il faudrait donc réserver son usage à des besoins vitaux, comme l’eau potable des populations qui n’y ont pas accès.

À titre de comparaison, il est beaucoup moins énergivore et donc plus soutenable de produire une eau potable à partir d’une eau souterraine ou de surface. Là encore, la consommation énergétique dépend de la ressource : pour une eau souterraine très claire, 0,02 kWh par m³ d’eau est nécessaire ; contre 0,75 kWh par m³ d’eau pour une eau de surface polluée par des micropolluants (sans compter le transport d’eau vers l’usine et de distribution) — en d’autres termes, le coût énergétique est 2,5 à 100 fois moindre que pour un dessalement par osmose inverse (selon les sites).

Il faut se tourner vers le dessalement seulement quand d’autres alternatives moins énergivores ne sont pas envisageables.

Les effets du changement climatique sur la disponibilité de l’eau douce

Dans le futur, la montée du niveau des océans liée au changement climatique va amplifier les effets des marées en augmentant l’intrusion d’eau de mer dans les rivières à partir des estuaires. Cette intrusion et le mouvement ascendant et descendant des marées vont modifier la qualité des eaux de rivière, qui sera très variable dans le temps, d’autant que les eaux seront salines à marée haute.

Ainsi, la question du dessalement des eaux de rivières va se poser. C’est déjà le cas dans des pays déjà très affectés par le changement climatique, comme le Vietnam, pour lequel les eaux de surface du Fleuve rouge ou du Mékong sont trop salées jusqu’à 100 kilomètres de l’estuaire⁽¹²⁾.

Les scientifiques ont une expertise sur le traitement des eaux de rivière ou des eaux salines, mais pas des eaux de rivière salines influencées par les marées, dont la composition et la concentration en sels et autres composants varient au cours du temps. Il est donc important pour notre équipe à Toulouse Biotechnology Institute de poursuivre des travaux de recherches sur ces sujets.

Quelle que soit la nature de l’eau utilisée pour produire de l’eau douce et potable, celle-ci doit être considérée avec beaucoup d’attention et de sobriété et la nature de ses usages repensée, au prisme des connaissances scientifiques, et des enjeux climatiques, économiques et sociétaux en associant les usagers de l’eau et les collectivités.