Groupe 5 : Dessalinisateur d'eau de mer

En quoi le dessalinisateur basse-technologie pourrait-il représenter une solution simple, peu énergivore et efficace face aux problématiques environnementales actuelles?

Introduction générale

Nous nous proposons d’étudier des systèmes de dessalinisation d'eau Low-tech. Ce projet nous permet de lier deux problématiques que sont l’accès à l’eau et la démocratisation des techniques de dessalinisation. Dans un contexte de pression sur les ressources en eau, croissante avec la population mondiale, ainsi que de désertification de zones arides, les sociétés humaines se tournent vers des sources d’eau non naturelles comme le dessalement de l’eau de mer. Cependant, les techniques de dessalinisation actuelles, l’osmose inverse et la distillation, présentent respectivement un rendement faible et une forte consommation d’énergie. C’est donc dans une optique d’économie d’énergie et de maîtrise locale des ressources en eau qu'interviennent les basses technologies. On peut donc être amené à se demander en quoi le dessalinateur basse-technologie pourrait représenter une solution simple, peu énergivore et efficace. Cette question nous amène d’abord à étudier les techniques de dessalement d’eau puis les enjeux humains et environnementaux associés. Cette approche s’inscrit dans la lignée des 17 objectifs de développement durable de l’O.N.U : création de nouvelles opportunités d’emplois, accès à de l’eau propre et saine, production responsable d’objets mais aussi lutte contre le réchauffement climatique.

Si le terme « low-tech » semble être en opposition avec la notion de « high-tech », ses principes dépassent la simple notion de technicité. La basse technologie naît d’abord d’un questionnement autour des besoins humains. C'est une approche qui se veut citoyenne et libre de la technique, centrée sur des valeurs de partage des connaissances et d’accessibilité des procédés. Elle se concentre sur un socle de compétences maitrisables à l’échelle humaine et fait appel à des outils communs. A ne pas confondre avec un simple bricolage, les basses technologies se basent sur une utilisation responsable et locale des ressources, sur la durabilité des matériaux utilisés et sur la réparabilité des objets conçus.

Mais qu'est-ce que c'est ?

Fonctions

Le but premier du système est de rendre l’eau de mer potable. La salinité moyenne des eaux des mers et océans est estimée à 35g.L^-1. Le rôle majeur de ce processus est donc de diminuer la salinité vers un seuil d'environ 200mg.L^-1 (seuil de potabilité). De plus, une eau dessalée n'est pas toujours potable : d'autres polluants peuvent contraindre sa consommation. Donc ce système doit également être capable de purifier une eau polluée. S'il n'en est pas capable, un système complémentaire de purification est nécessaire. Notre système doit par ailleurs garder une taille relativement petite pour être transporté aisément (sur des bateaux par exemple). Pour être qualifié de "Low-tech", notre système doit être facilement construisible et réparable. Cela implique des matériaux et techniques sans hautes technologies.

Schéma de fonctionnement

• Energie nécessaire

Dans les faits, les deux principaux procédés actuels de dessalinisation (distillation et osomose inverse) consomment respectivement 15 et 3 kWh. L'énergie consommée par l'osmose inverse sert à appliquer une pression sur l'eau à dessaler pour dépasser la pression osmotique. Le processus de distillation consiste à porter l'eau salée à ébullition pour ne laisser derrière que les sels. Les installations de distillation sont parfois intégrées au sein d’une centrale thermique afin de réduire les dépenses énergétiques/coûts, en récupérant de l’énergie « fatale » (énergie perdue ou piégée dans certains processus).

Systèmes concurrents présents sur le marché

• Osmose inverse : membrane avec différence de concentration entre deux parties de la membrane entraînant une migration de l'eau vers la zone à basse concentration. On remarque un transport des cristaux de sels qui ne passent pas la membrane et s'accumulent sur celle-ci, puis leur évaporation sur la membrane. Rendement : 10 à 30 % pour 100 L 90 L rejetés avec un plus grand taux de sel.
• Distillation : chauffage de l'eau entraînant son évaporation, la vapeur d'eau est ensuite condensée et récupérée. La chaleur est souvent apportée par la combustion d'hydrocarbures mais peut aussi se servir de chaleur solaire renouvelable.

Tab.1 - Tableau comparatif des systèmes concurrents

On remarque que la salinité de l'eau rejetée est 3 à 6 fois plus élevée que celle de l'eau de mer. Ce fort taux pourrait avoir un impact néfaste sur l'écosystème dans lequel l'eau est rejetée.

Description du système technique étudié

Afin de pallier les problèmes de pollution que génèrent le fonctionnement des systèmes précédement étudiés (distillation, osmose inverse et électrodialyse), de nouvelles techniques basées sur l'utilisation d'énergies renouvelables, désignées comme "low-tech", sont en cours de développement. Le système étudié (Fig.1&2) est un exemple test de celles-ci utilisant l'énergie solaire dont le fonctionnement est expliqué ci-dessous.

Fig.1 - Prototype du dessalinisateur solaire étudié réalisé par Thomas Piboum et Karel Janik pour Nomade des Mers$^{1}$.

$^{1}$Le Nomade des mers est un catamaran sur lequel s'est embarqué un équipage dirigé par Corentin de Chatelperron, le fondateur de la Low-Tech Lab, afin de décourvir, tester et optimiser des low-technologies, lors d'un tour du monde de 5 ans.

Fig.2 - Schéma de principe du dessalinisateur low-tech

Les rayons provenant du soleil sont réfléchis par deux supports inclinés recouverts d'une couverture de survie et parviennent jusqu'à un tissu imbibé d'eau de mer situé au sein de deux cadres entourés d'une bâche transparente. L'énergie de rayonnement du soleil permet ainsi l'évaporation de l'eau uniquement, le sel restant piégé dans le tissu. La vapeur d'eau se condense et dferle ensuite sur les parois des bâches afin d'être recueillie à travers des tuyaux d'eau douce. Le schéma de la Fig.2 illustre ce fonctionnement. L'eau ainsi obtenue n'est pas forcément potable car elle manque de minéraux. Il sera alors nécessaire d'ajouter quelques gouttes d'eau de mer afin d'apporter les minéraux nécessaires à sa potabilisation. Ce système est un moyen assez facile de construire un dessalinisateur car il fait appel à des matériaux qu'il est facile de se procurer. Son fonctionnement est simple et met seulement en oeuvre des phénomènes naturels (évaporation de l'eau), d'où sa désignation de "low-tech". Sa réalisation est peu coûteuse (environ 20€) et ne prend que quelques heures à fabriquer (environ 5 heures).

Actuellement, les dessalinisateurs low-tech font face à un déploiement assez limité (principalement appliqué aux bateaux). Cela s'explique par un manque d'intérêt et de recherches sur le sujet, ce qui implique que les systèmes actuels présentent un rendement encore trop faible pour pouvoir être utilisé à plus grande échelle. Cependant, ils présentent un fort potentiel en vu des problématiques liées aux ressources en eau potable.

Et pourquoi on fait ça ? :question: :question:

Enjeux climatiques

Le dérèglement climatique implique une répartition plus inégale de la quantité d’eau potable disponible. Celle-ci peut avoir plusieurs causes : diminution de la quantité d’eau douce disponible, contamination des approvisionnements en eau et destruction des infrastructures et des installations de traitement de l’eau par les phénomènes de catastrophes naturelles.

Tout d'abord, l'augmentation des températures est favorable au développement des pathogènes dans les eaux douces, ce qui dégrade la qualité de l'eau disponible. De plus, ce réchauffement accélère la fonte des glaciers ce qui provoque une élévation du niveau de la mer. Cette élévation élargit les estuaires, diminuant à nouveau les ressources en eaux douces. Le réchauffement de la planète favorise également l'évaporisation des cours d'eau par exemple, ce qui déséquilibre le cycle hydrologique. Ce phénomène est d'ores et déjà remarquable. Le rapport du GIEC de 2022 confirme ces faits puisqu'il annonce qu'"à +4°C, 10% des régions terrestres dans le monde pourraient faire face à des variations extrêmes des débits de rivières." et "à +2°C, la quantité d’eau disponible pour l’irrigation issue de la fonte des neiges pourrait diminuer jusqu’à 20% dans certaines régions".

Ainsi les variations de température ont une double conséquence. Elles participent à la diminution de quantité d'eau douce disponible et elles favorisent la dégradation de la qualité des eaux.

A cause de ces changements climatiques, on estime aujourd'hui que près de 600 millions d’enfants manqueront d’eau potable d’ici 20 ans. Il est alors nécessaire de développer une technique permettant d'approvisionner certains territoires en eaux potables.

Enjeux anthropiques

• Une consommation actuelle excessive et déséquilibrée :

L'eau utilisée dans des domaines industriels représente environ 20 % de toute l'eau que nous consommons (industrie chimique, métallurgique, et agroalimentaire). Cela soulève deux problèmes majeurs : une surconsommation d'eau (dans l'industrie textile par exemple, ou 1 kg de coton requiert 10000 L) et une pollution des eaux rejetées. L'élevage et l'agriculture ont aussi leur place parmis les grands consommateurs d'eau : 1 kg de boeuf nécessite 15 000 L d'eau. Les graphiques suivants montrent cette répartition dans les prélévements et la consommation.

Fig.5 - Prélèvement et consommation d'eau par secteur (2000)

• Accesibilité à l'eau potable : L'eau potable est une ressource limitée. Bien que 70% de la surface de la Terre soit recouverte d’eau, l'eau douce n'en représente que 2,8%, et l'eau disponible et potable que 0,0001% :

Fig.6 - Répartition de l'eau sur Terre

Il est nécessaire de quantifier l'eau disponible et potable. Pour cela, les termes de stress hydrique et de "pic écologique" d'utilisation ont été introduits. Selon le rapport du GIEC, le stress hydrique correspond une demande en eau supérieure aux quantités disponibles. On considère que le stress hydrique est atteint lorsqu'un territoire dispose de moins de cinq litres d'eau par jour et par habitant. La carte ci-dessous permet de mettre en avant les pays en fort stress hydrique.

On utilise également la notion de "pic écologique" d'utilisation de l'eau, qui correspond au point à partir duquel l'utilisation de l'eau par l'Homme nuit à la nature.

On remarque alors, à l'aide de ces outils, que le manque d'eau représente d'ores-et-déjà un enjeu majeur à l'échelle mondiale. En 2019, plus de la moitié de la population mondiale n'avait pas accès à l'eau potable avec deux milliards de personnes souffrant déjà de stress hydrique et ce problème ne va pas s'améliorer. De plus, 2/3 de la population mondiale risque d'être en stress hydrique ce qui représente une cinquantaine de pays touchés. Quand l'eau se fait rare, les populations se tournent vers d'autres sources : - des eaux sales : 15 000 personnes dont 6000 enfants meurent chaque jour de maladies liées à l’eau sale ; - d'autres boissons comme les sodas : au Mexique, le Coca-Cola est devenu moins cher que l'eau.

On notera de plus l'augmentation du risque de monopole sur l'eau par des entreprises tel que Suez ou Veolia. Cette situation pose un enjeu majeur de sécurité puisque ces entreprises pourront alors influer sur la politique des pays qui dépendent d'elleset touchés par le manque d'eau. Des conflits armés ou politiques liés à l'accès à l'eau peuvent également éclater lorsque celle-ci est une source de tensions.

Et comment on fait ça ? :calendar:

Organisation du travail

Ce premier semestre est dédié aux enjeux sociaux portés par le dessalinisateur low tech. Sur cette période, nous avons décidé de fonctionner en sous-groupes avec un thème affecté. Pour le premier livrable, nous avons divisé le groupe en 3 sous-groupes : un groupe abordant le système technique étudié (le quoi), un groupe se portant plus sur les enjeux (le pourquoi) et un autre s'occupant de l'organisation générale du groupe de travail (mise au point de l'agenda, partage des ressources, rédaction de ce paragraphe).

Pour le rendu du livrable 2, nous pensons aussi à une répartition en plusieurs équipes. Les directions de recherche seraient plutôt la faisabilité du système, sa construction, son cycle de vie, les obstacles potentiels qui peuvent intervenir à toutes ces étapes. En ayant complètement compris son fonctionnement, nous pourrons peut-être le repenser pour que son efficacité soit maximale.

Sources et documents

• Groupe Zotero - (ouvrir le lien > Group Library)

• Excel avec diagramme de Gantt

La dessalinisation, la solution?

Comme on l'a compris, cette solution a un fort potentiel. Maintenant que nous avons une compréhension bien plus profonde de son fonctionnement, nous pouvons réflechir aux moyens de l'améliorier, tout en restant dans le domaine des low-tech et en gardant à l'esprit les contextes dans lesquels ce dispositif pourrait être utilisé.