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Groupe 6 Livrable 1 : Dessalinisateur & purificateur d'eau

Revue n°1 : Support

Introduction

La problématique de la désalinisation de l'eau n’est pas récente. En effet, dès l’Antiquité, les marins utilisaient déjà un système afin de se procurer de l’eau potable sur les bateaux. Aristote évoque même dans un de ses écrits sa découverte sur le fait que l’eau de mer qui s’évapore puis qui se condense à nouveau devient potable.

Aujourd'hui, l'eau potable est devenue un enjeu global, de par son inégale répartition sur la surface de la planète et sa raréfaction progressive. Ceci met certaines populations, le plus souvent défavorisées, dans une position précaire vis-à-vis de cette ressource vitale.

La low-tech, par opposition à la high-tech, est une démarche qui repose sur trois piliers. En premier lieu, la durabilité est au coeur de la conception des produits low-tech : ceux-ci doivent être basés sur des techniques simples et durables. Par conséquent, la dépendance aux ressources non renouvelables est, pour des raisons évidentes, évitée et la réparabilité est un paramètre important des produits créés. Le deuxième pilier est économique, les low-tech alimentent l'économie à la source (et donc locale), ce qui est un avantage pour le développement des petites communautés. Pour finir, les conditions de fabrication sont basées sur les savoirs et savoirs-faire de chacun, et le tout est réalisé dans des conditions de travail humaines.

En quoi la dessalinisation et la purification de l'eau peuvent-elles être des solutions pour régler les problèmes de qualité et d'accès à l'eau ?

I-Le Quoi ?

Le dessalinisateur est un système capable de purifier l'eau de mer et de la transformer en eau potable. Il existe différentes techniques physico-chimiques qui permettent d'accomplir cela. Nous verrons dans cette première partie en quoi consiste une eau pure, nous introduirons ensuite notre dessalinisateur low-tech pour enfin présenter ses concurrents industriels qui utilisent des procédés bien plus coûteux et complexes.

I-1) Eau et qualité

L’eau potable est un enjeu majeur et global au sein de nos sociétés. Bien que plus de 70% de la surface de la Terre soit recouverte d’eau, seulement 2.5 % des 1.4 milliards de km3 d’eau est considéré comme de l’eau douce et 0.003% du volume total est accessible et sous forme liquide et donc utilisable par l’Homme.

Figure 1 : disponibilté des ressources en eaux

Avant d’imaginer et de concevoir un système de traitement des eaux, il est essentiel de comprendre la classification de l’eau et de connaitre les paramètres à respecter pour que de l’eau soit considérée comme potable.

Dans un premier temps, l’eau potable est par définition de l’eau douce. Les eaux sont classées dans trois groupes en fonction de leur salinité :

• L’eau douce pour une salinité inférieure à 1 g/L • L’eau saumâtre pour une teneur en sel comprise entre 1 g/L et 10 g/L • L’eau salée pour une salinité supérieure à 10 g/L

Comme référence, la valeur moyenne est de 35 g/L pour l’eau de mer, même si cette valeur peut varier selon la position sur le globe.

Pour obtenir de l’eau potable à partir d'eau de mer, une étape de dessalinisation est donc nécessaire, celle-ci peut être réalisée via différentes méthodes que nous développerons de manière succincte dans la suite de ce rapport. Même si cette étape permet d’obtenir de l’eau douce, la dessalinisation n’est pas suffisante pour obtenir de l’eau potable. La potabilité est basée sur 63 critères, que l’on peut regrouper en 5 grands paramètres (dont la salinité) :

• Les paramètres physico-chimiques : comme le pH, les seuils maximum et minimum de certains composants comme les ions, les chlorures, le potassium et les sulfates;

• Les paramètres microbiologiques : bactéries ou parasites;

• Les paramètres liés aux substances indésirables telles que les nitrates, les nitrites et les pesticides;

• Les paramètres liés aux substances toxiques : le cyanure, le chrome, le nickel, ainsi que certains hydrocarbures.

Pour obtenir de l’eau potable, il faut donc mettre en place des protocoles permettant de supprimer les substances toxiques. Il est donc nécessaire de passer par une étape de dessalinisation, puis par des étapes de filtrations.

I-2) Système technique étudié

Notre système de dessalinisation low-tech utilise le procédé de distillation par four solaire. En effet, c'est intéressant puisque le soleil transmet 1000 W/m² gratuitement à la surface terrestre (si le rayonnement est parallèle à la surface terrestre). Or pour faire bouillir 1L d'eau il faut 93 W.h : pourquoi alors gâcher de l'énergie en utilisant de l'électricté ou des énergies fossiles quand on peut utiliser cette énergie renouvelable ?

La distillation consiste à vaporiser l'eau de mer. Les sels dissous et autres substances restent au fond tandis que les molécules d'eau s'évaporent. Il reste alors à les liquéfier pour récupérer de l'eau douce.

On peut le trouver sous différents formats plus ou moins élaborés mais qui restent accessibles à tous :

1) Dessalinisateur de Nomade des Mers

Figure 2: Dessalinisateur du projet embarqué sur un bateau

Ce premier dessalinisateur a été développé dans le cadre du projet Nomade des Mers par Thomas Piboum et Karel Janik. D'un coût de 20 euros, il est composé de deux planches réfléchissantes à incliner selon la position du Soleil pour refléter son rayonnement sur le bloc vertical. Ce dernier, creux, contient l'eau salée à distiller qui peut être réchauffée par le Soleil dont les rayons passent à travers les surfaces latérales transparentes où de la condensation se forme ensuite. L'eau douce coule et peut être récupérée en aval.

2) Dessalinisateur Watercone

Figure 3: Dessalinisateur Watercone dont la condensation est prête à être récupérée

Ce second dispositif est plus simple. En effet, le Watercone n'est composé que d'un réservoir de couleur noire absorbante contenant l'eau salée et d'un couvercle transparent recevant la vapeur d'eau pour la liquéfier. Son inconvénient est qu'il ne peut pas être laissé sans surveillance : un opérateur doit récuperer l'eau condensée en renversant le couvercle dans une bouteille. De plus, il ne produit qu'1,7 litres d'eau potable par jour qui couvre seulement les besoins quotidiens d'un enfant en eau douce : il devra être associé à d'autres dispositifs de son genre.

3) Dessalinisateur Eliodomestico


Figure 4: Dessalinisateur sectionné

Un troisième système serait l'Eliodomestico. Par le même principe mais avec une disposition différente, il produirait aussi 1L d'eau douce par jour. Celui-ci contient l'eau saumure dans un réservoir en hauteur recevant l'énergie solaire. L'eau se vaporise et descend par un tube jusqu'à un autre réservoir en contrebas à l'abris de la lumière et aéré où elle se liquéfiera.

4) Dessalinisateur L'EauTech

Figure 5: Prototype de dessalinisateur

Le projet L'EauTech développé par des étudiants lillois, qui certes est plus cher car de l'ordre des 300 euros, semble être un dispositif plus avancé. Ici, le rayonnement du soleil de surface apparente importante est concentré par un panneau réfléchissant incurvé sur un réservoir de faible volume. Dans ce réservoir passe l'eau salée pompée, où elle sera vaporisée. Le gaz passe ensuite dans un tuyau de refroidissement pour se liquéfier et être récupéré.

I-3) Systèmes concurrents

De nombreux systèmes concurrents existent. Certains sont destinés à un usage plutôt individuel et d’autres sont utilisés à l’échelle industrielle. Ces systèmes utilisent des techniques variées mais nous n’en avons trouvé aucun qui puisse s’apparenter à une low tech puisqu’ils utilisent généralement des techniques assez complexes et exigeantes en termes de matériel.

Comme évoqué précédemment, la technique la plus anciennement développée est la distillation. Notre low tech utilise l’énergie solaire afin de fournir l’énergie thermique nécessaire mais on retrouve également des systèmes qui chauffent l’eau dans une chaudière afin de la faire évaporer. Ces techniques de chauffage sont utilisées dans des désalinisateurs individuels, où on retrouve de simples plaques chauffantes, ou bien à l’échelle industrielle.

La deuxième technique que nous avons trouvée fait appel à l’utilisation de membranes. Cette technique se décline en deux versions : l’osmose inverse et l’électrodialyse.

L’osmose inverse consiste à, dans un premier lieu, filtrer l’eau à travers du sable et du charbon pour la débarrasser des micro-organismes puis à exercer une pression pour la faire passer à travers une membrane semi-perméable. Cette membrane laisse passer les molécules d’eau mais retient les sels. On obtient ainsi une eau douce propre à la consommation. Contrairement à la distillation qui utilise de l’énergie thermique, l’osmose inverse a besoin d’énergie électrique pour fonctionner, notamment pour pouvoir exercer la pression nécessaire sur l’eau. L’osmose inverse est utilisée à l’échelle industrielle mais est également employée dans des systèmes embarqués sur les bateaux afin de produire de l’eau douce pour une consommation personnelle.

Figure 6: Schéma expliquant l'osmose inverse

L’électrodialyse est une méthode un peu différente puisque le principe n’est pas d’extraire l’eau pure à travers la membrane mais plutôt d’extraire les ions chlorure et sodium. Ces ions migrent grâce à un champ électrique et passent à travers une membrane. Ce procédé est encore une fois très coûteux en énergie et moins rentable que l’osmose inverse.

Il existe également de nombreux procédés qui sont encore en phase de développement tels que la congélation, l’osmose directe ou encore l’humidification-déshumidification de l’air qui est un procédé intéressant puisqu’il fonctionne à la pression atmosphérique, est alimenté par l’énergie solaire et que sa température de fonctionnement permet d’utiliser des matériaux peu coûteux.

II - Le Pourquoi ?

La désalinisation par des technologies low-tech a pour objectif de répondre à des enjeux aussi bien locaux que globaux que nous allons maintenant décrire.

II-1) Enjeux locaux

Le désalinisateur peut permettre une consommation locale d'eau potable, ce qui implique une diminution du gachis et des déchets.

Un des enjeux actuels majeurs du purificateur d'eau est de rendre les communautés plus autonomes, en particulier celles en développement et/ou avec des difficultés d'accès à l'eau. A une plus petite échelle et de manière plus ponctuelle, ce dispositif permet d'avoir accès à de l'eau pendant un voyage, par exemple. Les populations sont ainsi guidées vers l'autosuffisance en eau. Cela permet aussi de les sensibiliser à la sauvegarde de l'eau.

Enfin, d'un point de vue économique, construire et entretenir des systèmes low-tech permettrait de créer des emplois locaux au sein des communautés.

II-2) Enjeux globaux

La question de l'eau est centrale dans la problématique du réchauffement climatique. Le rapport publié par le GIEC en 2022 estime que la moitié de la population souffre du manque d'eau au moins un mois chaque année.

Les scientifiques prévoient qu'entre 42% et 79% des bassins hydrographiques du monde entier seront profondemment impactés par la sécheresse. Cela aura un impact fort sur les réserves d'eau douce. Il parait donc évident que les dessalinisateurs/purificateurs sont des outils très utiles pour essayer de résoudre la crise de l'eau douce. Il serait possible de puiser dans les réserves d'eau salées présentes en très grande quantité sur notre planète. En effet, seulement 0,02% de l'eau présente sur Terre est douce.

Les usines de dessalinisation mises en place de nos jours sont très gourmandes en energie et font appel à des technologies avancées. Une dessalinisation low-tech impliquerait une diminution évidente de la consommation d'énergie. D'après Philippe Bréant, directeur d'un programme de recherche sur l'eau potable, un mètre cube d'eau à dessaler coûte 3,5 kWh soit l'énergie nécessaire pour chauffer un cumulus d'eau de 200L. Ces usines ont d'autres problèmes : les eaux saumâtres qui sont rejetées et les pompes d'aspiration sont néfastes pour la biodiversité.

D'un point de vue économique, la mise en place d'usines de dessalement low tech serait un atout majeur pour des régions et des pays soumis à des pénuries d'eau.

Les différents procédés industriels utilisés de nos jours sont regroupés en deux familles: les procédés thermiques, comprenant la congélation et la distillation, et les procédés membranaires, comprenant l'osmose inverse et l'électrodialyse. Cependant, dans ces deux cas, ces procédés requièrent soit une importante quantité d'énergie, soit une technologie de pointe, entrainant donc un coût de production élevé. Ainsi, beaucoup de pays concernés par le manque d'eau potable ne peuvent se permettre de développer de telles usines.

Si l'on veut développer un moyen efficace de production d'eau potable à l'échelle d'un territoire il faut donc trouver d'autres solutions. En effet, la distillation demande une quantité assez importante d'énergie pour pouvoir évaporer l'eau et l'osmose inverse nécessite des membranes pouvant filtrer des éléments de l'odre d'un angstrom (10^(-10m), ce qui équivaut à la taille d'un atome. Un moyen peu onéreux et efficace serait alors de mettre en place des stations de dessalement et de purification d'eau low tech. Cela est déjà fait mais localement. Les pays atteints de sécheresses, et donc en manque d'eau, sont aussi généralement ceux qui reçoivent le plus d'énergie solaire. En utilisant cette énergie "gratuite", il serait ainsi possible de chauffer l'eau en vue d'un processus de distillation tout en réduisant drastiquempent la consommation énergétique et donc le coût.

Par ailleurs, les usines low tech auraient un coût de maintenance bien moindre étant donné qu'elles n'utiliseraient que des matériaux et méthodes simples. Le personnel pourrait être formé rapidemment et cela créerait des emplois dans les endroits les plus défavorisés.

Fournir de l'eau potable et améliorer la qualité de l'eau est aussi un enjeu social incontournable pour les prochaines décennies. Il existe actuellement de nombreuses inégalités d'accès à l'eau potable dans le monde.

En effet, en 2018, 3,6 milliards de personnes n'ont pas eu un accès suffisant à l'eau potable pendant au moins un mois. D'ici 2050, elles seront 5 milliards dans ce cas. De plus la contamination microbiologique de l’eau potable peut être à l’origine de la transmission de maladies telles que la diarrhée, le choléra, la dysenterie, la fièvre typhoïde et la poliomyélite.

Les pays pauvres et en développement sont les plus touchés, or leur économie dépend essentiellement de l'agriculture, qui est le secteur le plus demandeur en eau.

Figure 7 : Les différents usages de l'eau

Un meilleur approvisionnement en eau potable permettrait donc de développer l'économie de certains pays et de lutter contre la pauvreté.

Le manque d'eau est aussi une source de conflits. Lorsqu'un cours d'eau traverse une frontière, le pays situé en amont peut s'en servir comme moyen de pression. (exemple de la Turquie avec l'Euphrate)

III - Le Comment ?

L'une des parties intégrantes de ce projet est la mise en place de l'organisation de l'équipe. Pour cela nous avons réflechi à l'implémentation de plusieurs méthodes et outils pour faciliter le travail de l'équipe.

Tout d'abord, bien que les recherches soient communes à toute l'équipe, la rédaction des parties de ce rapport à été divisée en équipes qui travaillent efficacement sur chaque problématique:

– Marianne et Louis expliquent comment l’on va procéder et s’occupent de la mise en page du dossier. – Zoé, Claire, Nils et Arthur s’occupent d’expliquer pourquoi cette low tech peut être intéressante et ils expliquent les enjeux du projet. – Mathéo, Clara, Ysée et Trung détaillent le projet sur lequel on travaille, et les utilités qu’il peut apporter.

On a décidé pour le début du projet d'essayer d'avoir une vue d'ensemble en faisant des recherches larges afin de définir le sujet. On s'est renseigné à la fois sur le déssalinisateur d'eau et le purificateur d'eau. On a également cherché quels étaient les enjeux sociétaux de ce projet, à quoi il pouvait servir et dans quel but nous devions améliorer cet objet. Nous avons construit un plan détaillé pour notre rapport en détaillant chaque partie afin de s'organiser dans la rédaction.

Afin de pouvoir avancer ensemble dans les recherches, on a décidé de tenir informée toute l'équipe sur les documents et références bibliographiques intéressantes en fonction des sujets en faisant une petite présentation de nos avancées à chaque début de rédaction. Nous avons également mis en place une to do list en fonction des équipes. Au niveau de l'organisation dans l'équipe, afin de travailler efficacement et d'avancer chaque semaine sur le travail, nous avons créé un trello pour répartir les taches. Nous avons également écrit des rapports des choses importantes dites lors des séances de travail en groupe. De plus, nous avons mis en place au sein de l'équipe génépi l'extension zotero pour sauvergarder les fichiers que l'on consulte et permettre une sauvegarde de la bibliographie organisée. Enfin, nous avons également utiliser le forum sur le drive afin de poser nos questions générales rapidement.

Conclusion

Pour conclure, les méthodes low-tech présentent de très nombreux avantages, notamment grâce à leur bas coût et aux faibles ressources nécessaires à leur mise en place. Ces solutions s’adaptent d’autant plus à l’aspect géo-économique car elles sont destinées à des régions défavorisées où l’accès à l’eau est souvent difficile. Ces solutions présentent néanmoins des inconvénients. Dans un premier temps, il faut avoir un accès à de l’eau pour pouvoir la purifier. Les zones désertiques, zones dans lesquelles les systèmes low-tech fonctionnant par distillation sont les plus efficaces et nécessaires, se trouvent souvent loin des cotes et donc loin d’une quantité d’eau importante. Dans un second temps, si nous utilisons uniquement un système de dessalinisation, l’eau douce peut encore contenir de nombreux polluants. De plus, elle ne contient plus aucun minéraux après évaporation, apports nécessaires au corps humain. Il est alors difficile de reminéraliser cette eau avec des solutions low-tech; la consommation sur une longue durée pourrait alors entrainer des carences alimentaires.