Ressources en eau non conventionnelles (dessalement ...

Les ressources en eau non
conventionnelles :
Quel avenir dans une économie à
faibles émissions de Gaz à Effet
de Serre ?
24 janvier 2011
Jacques Labre , Suez Environnement
Jacques.labre@suez-env.com

Sommaire
•
•
•
•
•
Suez Environnement
Les ressources non conventionnelles : promesse
ou menace ?
Le dessalement , au coeur des enjeux croisés eau
-énergie
La réutilisation des eaux usées urbaines , une
option à privilégier ?
Conclusion : évaluation environnementale
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
2

− 91 millions de
personnes desservies en
eau potable
−
−
SUEZ ENVIRONNEMENT :
« S’ENGAGER POUR LA PLANÈTE
EST UNE BELLE ENTREPRISE »
Collecte et traitement
des effluents de 61
millions de personnes
1 milliard d’habitants
alimentés par une usine
de traitement d’eau
construite par
Degrémont
EAU DECHETS
24/01/11
NORTH AMERICA
6%
6
%
SOUTH
AMERICA
AMERIQ
UE DU
SUD 3
%
2%
AFRIQUE
AFRICA Moyen & ‘Orie &
d nt
MIDDLE -
EAST
7%
EUROPE
EURO
PE 78% 79
% ASIA
4%
% of 2009 revenues
OCEANIE
3%
OCEANIA 3%
78 000 COLLABORATEURS – 12,5 Md € de CA / an
78 000 COLLABORATEURS – 12,5 Md € de CA / an
−
−
ASI
E 3
%
−
−
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Collecte des déchets de
46 millions d’habitants
Plus de 460 000
entreprises clientes
41 millions de tonnes
de déchets traités par
an
49 incinerateurs dont
46 avec récupération
d’énergie
3

Sommaire
•
•
•
•
•
Suez Environnement
Les ressources non conventionnelles : promesse
ou menace ?
Le dessalement , au coeur des enjeux croisés eau
-énergie
La réutilisation des eaux usées urbaines , une
option à privilégier ?
Conclusion : évaluation environnementale
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
4

Géographie des tensions sur la
ressource en eau
Source: IWMI, WRI, Kassel University,
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
5

Les ressources non conventionnelles :
des domaines d’emploi différenciés
?
24/01/11
Eau Potable
Irrigation
Dessalement Réutilisation
Industrie
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
6

Dessalement et Réutilisation en tant
que «nouvelles» ressources
• Le dessalement est vraiment une nouvelle ressource
•
− Première application à usage urbain en 1975 (Riyad)
− Le dessalement augmente la ressource en eau douce
La réutilisation d’eau usée est une pratique traditionnelle
− L’utilisation d’eaux usées brutes pour l’irrigation
périurbaine a été pratiquée pendant des siècles
•
•
dans les pays du sud : Inde , Maroc , Mexique …
dans les pays du Nord : épandages d’eau usée
(Achères)
− La question avec l’eau usée n’est pas de créer une
nouvelle ressource , mais de passer d’une réutilisation
indirecte (après dilution dans une eau naturelle) à une
réutilisation directe
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
7

Le potentiel à long terme du
dessalement
•
•
•
•
39% de la population mondiale vit à moins de 100km
de la mer : (soit 2,4 Milliards hab.)
Japon 96% U.K. 100%
Chine 24% Philippines 100%
Inde 26% Israel 100%
USA 43% Tunisie 84%
Espagne 68% Algérie 69%
(en rouge : pays affectés par la surexploitation des eaux
souterraines)
Sur 71 villes (> 1 million) sans accès direct à des
ressources supplémentaires en eau douce , 42 sont
situées sur la côte
2% à 3% de la production mondiale d’eau potable
provient du dessalement
Le dessalement n’est plus réservé aux régions arides
(Londres , New York …) ni aux pays riches (Cap Vert…)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
8

Evolution historique des coûts de
dessalement (conditions optimales)
US$/m3
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Eau saumâtre 5gl Eau de mer (distillation) Eau de mer (Osmose)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
9
?

Le dessalement , un élément clé dans
l’adaptation au changement
climatique …
• La capacité installée s’est
accrue de 160% pendant les
10 dernières années
• Le dessalement est déjà une
ressource pour plus de 200
millions d’hommes
• Le dessalement d’eau de mer
devient une ressource
compétitive dans les zones
côtières (< 0.85$/m 3 )
24/01/11
Source: IDA/GWI Desalination Plant Inventory, 2008
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
10

… ou une technologie incompatible
avec le développement durable ?
•
•
•
“Ocean water desalination harms marine ecosystems ,
promotes unsound coastal zone management , wastes
energy and impacts human health” (Food and Water Watch)
Le dessalement d’eau de mer requiert autant dénergie qu’un
pompage sur 1,000 m de dénivellation
Le coût de l’énergie représente en moyenne :
•
•
50% des coûts de fonctionnement
30% du coût de l’eau produite
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
11

Les eaux usées urbaines , une
ressource peu valorisée …
−
−
368 km 3 /an d’eaux usées urbaines collectées dans le
monde
(2 fois le débit total des fleuves français)
Seulement 160 km 3 /an sont traités, et 7,1 km 3 /an (4,5%)
sont régénérés
…. mais d’usage controversé
−
−
−
impact sanitaire
−
−
en recyclage urbain
en réutilisation agricole
bénéfice pas toujours évident en ACV
réticences culturelles
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
12

Sommaire
•
•
•
•
•
Suez Environnement
Les ressources non conventionnelles : promesse
ou menace ?
Le dessalement , au coeur des enjeux
croisés eau - énergie
La réutilisation des eaux usées urbaines , une
option à privilégier ?
Conclusion : évaluation environnementale
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
13

Deux familles de process
•
Process thermiques
−
−
Développés industriellement :
Distillation
• Détente Multi Etages (MSF)
• Distillation Multi Effets (MED)
• Compression de Vapeur (VC)
Pilotes
• Congélation
Humidification - déshumidification
•
24/01/11
•
Process membranaires
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
14

•
•
Distillation (MED),
Bahrein
Distillation (MSF),
Jebel Ali, Emirats Arabes Unis
24/01/11
•
Osmose Inverse
Perth, Australie
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
15

Deux familles bien différenciées
Distillation Séparation membranaire
Process dominant Détentes Multi Etages (MSF)
24/01/11
Osmose inverse (RO)
Maturité Technologie mûre , coûts stabilisés Technologie éprouvée mais évolutive ,
marges de progrès
Source d’énergie Chaleur résiduelle de centrales
thermiques (cogén.)
Electricité
Taille Fortes économies d’échelle Peu d’économies d’échelle
Flexibilité Production d’eau liée à la
production d’électricité
Adaptable à la demande d’eau
Points critiques Corrosion Qualité de l’eau à dessaler
Domaine d’emploi
privilégié
Eaux de mers fortement salées ,
pays pétroliers
Eaux saumâtres , pays sans
ressources pétrolières
Concurrence Grands ensembliers peu nombreux Nombreux ensembliers/intégrateurs
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
16

Principe de la distillation flash (MSF)
Vapeur
•
•
•
120°C à 60°C
1 l d’eau de mer permet de produire 0.4 L d’eau distillée
Le concentrat rejeté représente 0,6 L à une concentration de 50 à 85 g/l
Energie consommée : 6 à 25 kWh/m3 en équivalent énergie électrique
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Concentrat
17
Eau de mer
Eau distillée

La distillation est couplée aux
centrales thermoélectriques
Vue du complexe de cogénération d ’Al Taweelah A1 (Emirats Arabes Unis)
Projet financé et
exploité par un
consortium privé
comprenant GDF
SUEZ
Production :
1 431MW
électriques
eau 385,000 m 3 /j
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
18

L’osmose inverse (RO)
Membrane Semi-perméable
Eau pure allant du
compartiment dilué vers le
compartiment concentré :
Osmose
•
•
•
1 L d’eau de mer permet de produire de 0,4
à 0,6 L d’eau dessalée
Concentrat : salinité de l’eau de mer x 2
Energie consommée : 2,5 à 5 kWh/m3 24/01/11
π
200 à
350 m CE 500 à 800 m CE
= Pression osmotique Ρ
Application de la pression
correspondant à la pression
osmotique : Equilibre
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
= Pression efficace
Application d’une
pression plus grande que
la pression osmotique:
Osmose Inverse
19

Les modules d’osmose inverse
constituent le cœur de l’installation
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
20

Perth , Australie :
osmose inverse 140 000 m3/j
(Constructeur / Opérateur Degrémont)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
21

Avantages de la coproduction d’électricité
et d’eau dessalée
(Integrated Water and Power Producer)
•
•
•
Donner de la flexibilité au système de cogénération d’eau et
d’électricité : adapter selon les saisons le ratio Eau / Electricité
Utiliser la capacité de production électrique non employée aux
périodes creuses
Partager les infrastructures de prise d’eau et rejet en mer
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
22

Comparaison de l’efficience énergétique
des principales techniques de dessalement
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Osmose Inverse Distillation (MED) Distillation (MSF)
Consommation en kWh/m3 pour eau de mer à 36 g/l
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
23
Chaleur
Electricité
Equivalence
chaleur /
electricité :
10.5MJ/1kWhe

Le coût de l’énergie dans le
dessalement par osmose inverse
−
La part de l’énergie représente, suivant les pays de 30
à 80% du cout d’exploitation d’une installation d’OI
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
24

Osmose inverse : Progrès de
l’efficacité énergétique (eau de mer)
kwh/m 3
12
10
8
6
4
2
0
Première OI
11.8
Recup energie
pompe inversée
8
24/01/11
Turbine Pelton
Rendement Pompe HP
5
Membranes faible pression
3.2
Echangeurs de
pression
2.3
1970 1980 1990 2000 2006 2010
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
100 m 3
Alimentation eau
de mer
Limite thermodynamique pour une salinité de 36 g/l at 25°C : 0.7 kWh/m3
?
25
RO
55 m 3
Rejet
45 m3 Perméat

Minimisation de l’énergie consommée :
progrès récents
Utilisation de pompes et moteurs à haut rendement
Système de récupération d’énergie
Efficacité > 95%
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
26

Recours aux énergies renouvelables pour
le dessalement : exemple de Perth
•
• −
Consommation d’électricité compensée par le champ
d’éoliennes de Emu Downs :
−
−
200 Km au nord de la ville de Perth
48 Turbines (83 MW)272 GW.h/an sur le réseau
180-200% des besoins de l’installation de dessalement
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
27

Utilisation directe d’énergie solaire pour le
dessalement : Distillation MED
(source : CIEMAT , Espagne)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
28

Evaporation area
Utilisation de l’énergie solaire : procédé
d’humidification - déshumidification
(source : CIEMAT , Espagne)
45ºC
85ºC
Brine recirculation
75ºC
Condensation
area
40ºC
Distilled water
24/01/11
Solar collector
Pump
Seawater
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
•
•
•
Procédé fondé sur la
capacité de l’air à
augmenter sa teneur en
vapeur avec la
température
L’énergie solaire est
fournie par des capteurs
plans conventionnels
Production moyenne : 10
à 20 l/m2 (de capteur
solaire) par jour
29

Couplage du dessalement thermique avec un
réacteur nucléaire
(source : Commissariat pour l’Energie Atomique , France)
Source de
chaleur
nucléaire
Couplage
testé
24/01/11
Système de
conversion d’énergie
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Processus de
dessalement
à Aktau (Kazakstan) : réacteur BN350 (1973-1999)
30

Utilisation de l’énergie des déchets : le concept
« waste to water »
•
•
Dans la plupart des pays arides , les ordures
ménagères sont mises en décharge
Ces déchets sont une source potentielle
d’énergie , qui pourrait couvrir tout ou partie
de la production d’eau potable par
dessalement d’eau de mer :
−
−
−
−
production de déchets en pays
industrialisé : 1.25 kg/hab/j (50%
recyclable , 50% incinérable)
Capacité calorifique des déchets :
• 10 MJ/kg (50% d’origine organique)
Production électrique d’un incinérateur :
• 4 MJ/kg
Production d’eau douce par une unité
d’osmose inverse alimentée par cette
électricité (3.6 kWh/m3 ) :
• 260 l /kg de déchets ou 160 l/hab/j
24/01/11
Waste to Water : installation de Gibraltar
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
31

Sommaire
•
•
•
•
•
Suez Environnement
Les ressources non conventionnelles : promesse
ou menace ?
Le dessalement , au coeur des enjeux croisés eau
-énergie
La réutilisation des eaux usées urbaines , une
option à privilégier ?
Conclusion : évaluation environnementale
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
32

Usines de régénération d’eau usée
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
33

Les enjeux de la réutilisation varient selon
les regions
Situation de la
réutilisation
Principaux objectifs
Principaux obstacles
24/01/11
«Sud» «Nord»
Réutilisation directe
spontanée en agriculture
périurbaine
Améliorer les pratiques
traditionnelles afin de
réduire les risques
sanitaires
Manque d’infrastructures
Manque de moyens
financiers
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Réutilisation directe peu
pratiquée
La situation habituelle
donne lieu à
« réutilisation indirecte »
Réduire la pression sur
les eaux naturelles
Protéger la santé
publique
Acceptation sociale
34

Plage des coûts pour la régénération
(coûts de distribution exclus)
Informel en agriculture
Traitement secondaire / irrigation hors légumes crus
Traitement tertiaire /espaces verts
traitement tertiaire / Eau de process industrielle
Traitement quaternaire/ Recharge d'aquifère
Integral recycling (zero discharge - industry)
24/01/11
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
US$/m3
35

La réutilisation est moins énergivore que le
dessalement ….
et pourtant elle progresse plus lentement
Dessalement eau de mer (OI 2
passes)
Dessalement eau de mer (OI 1 passe)
Régénération EU (quaternaire)
Régénération EU (tertiaire)
24/01/11
0 1 2 3 4 5 6
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
kWh/m3
36

… car les projets de réutilisation sont plus
compliqués à mener que ceux de dessalement
−
les projets de réutilisation sont politiquement complexes
• ils impliquent de nombreuses parties prenantes
• les enjeux de santé sont importants
• ils peuvent être bloqués par des problèmes de perception ,
par des campagnes médiatiques
Par conséquent , une gestion participative est essentielle
−
−
−
les parties prenantes doivent être impliqués dès l’origine du
projet (monde de la santé , utilisateurs de l’eau régénérée ,
défenseurs de l’environnement , médias , etc …)
il faut bâtir la confiance dans l’autorité qui va produire l’eau
régénérée
les usagers futurs doivent être considérés comme des clients
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
37

Besoin d’une réglementation cohérente entre
réutilisation directe et indirecte : cas des Pouilles (Italie)
10.000
UCF/ml
E. Coli
11
E. Coli
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
38

Adaptation de la qualité aux usages :
l’exemple de West Basin Municipal Water District (USA)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
39

Les facteurs de succès de la réutilisation
•
•
Un changement des mentalités :
− passer de
“traiter les eaux usées pour qu’elles puissent être rejetées” à
“les régénérer pour qu’elles puissent être utilisées”
Un bon équilibre entre :
− obligations réglementaires et incitations économiques
− les précautions sanitaires et la promotion d’une “économie du
recyclage”
− un projet technique solide et une communication intelligente
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
40

Sommaire
•
•
•
•
•
Suez Environnement
Les ressources non conventionnelles : promesse
ou menace ?
Le dessalement , au coeur des enjeux croisés eau
-énergie
La réutilisation des eaux usées urbaines , une
option à privilégier ?
Conclusion : évaluation environnementale
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
41

Impact de la réutilisation des EU
La REU présente des impacts positifs:
- diminution des prélèvements sur les ressources
primaires
− Suppression de rejets polluants dans les milieux
aquatiques
− Economie de fertilisation sur les cultures
Mais
− Les risques sanitaires ne doivent pas être sous
estimés
− Le sels dissous peuvent être préjudiciables aux sols
et aux cultures
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
42

Risques sanitaires liés à l’irrigation avec
des eaux usées brutes (source : OMS)
Helminthes Bactéries/Virus Protozoaires
Consommateurs Ascaris Diarrhées ,
Cholera ,
Typhoïde, Ulcères
Agriculteurs et
leur famille
Ascaris , tenia Diarrhées ,
Salmonellose
Voisinage Irrigation
gravitaire : idem
Aspersion ??
24/01/11
Aspersion :
risques avérés si
usage d’eau brute
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Parasites sur les
légumes feuilles
Amibiases
Aspersion ???
43

Impact environnemental du dessalement
Impact Osmose Distillation
Inverse (MSF)
Bruit +++ ++
Rejet de saumure : température + +++
Rejet de saumure : salinité ++ +++
Rejet de réactifs chimiques ++ +++
Elimination des boues de
prétraitement
+ +
Emissions de gaz à effet de serre ++ +++
Risques industriels + +++
Index d’impact général 10 17
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
44

L’ « empreinte carbone » du dessalement
Environ 1 kg
d’équivalent
fuel pour
produire 1t
d’eau douce à
partir d’eau de
mer
24/01/11
Boeing 747
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
Dessalement 140 000 m 3 /d
(Perth)
Energie 75 MW 24 MW
Equivalent 90.000 logements 30.000 logements
45

Empreinte carbone du dessalement :
Evaluation au niveau d’un ménage
Hypothèse : ménage de 4 personnes ayant le dessalement
d’eau de mer comme ressource unique pour
satisfaire ses besoins en eau (soit 500 l /j)
−
−
−
Consommation électrique correspondante :
1.8 kWh/ménage/j (equivalent à 0.5 l de fuel/j)
Emissions de CO2 correspondantes (électricité produite par turbine
à cycle combiné) :
0.8 kg CO2 /ménage/j
295 kg CO2 /ménage/an
Niveau d’émissions equivalent à :
6 km/j en voiture (150g CO2 /km)
0.67% des émissions moyennes de CO2 dans les pays
OCDE (11t/hab/an)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
46

Empreinte carbone du dessalement :
Scénario futuriste dans une économie décarbonée
Hypothèse : en 2050 , des quotas individuels d’émissions de
GES sont imposés pour maintenir l’élévation de température
en dessous de 2°C :
−
−
−
“budget carbone individuel” universel : 2t of CO 2 / hab / an
(soit un abattement de 80% decrease pour l’ Europe)
demande en eau domestique ramenée à 100 l/hab/j (
abattement de 25%)
dans une région sèche où le dessalement constituerait l’unique
ressource en eau potable , un ménage de 4 personnes aurait 2
options :
ou bien either affecter 0,475 t/an de son “budget carbone ” à
l’eau potable (5.9% du quota)
ou bien financer à hauteur de 30 m² des panneaux solaires
dans une unité de dessalement solaire
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
47

Le dessalement est une option à considérer
face au transport de l’eau à grande distance
Comparaison des coûts entre dessalement et aqueduc
pour une ville littorale (1)
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
48

Précautions pour limiter l’impact du rejet :
exemple de Perth
−
−
Dispersion du concentrat salé
pour éviter un impact négatif sur
la vie marine
Analyse en continu des
paramètres de qualité d’eau de
mer
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
49

Perth :
Aspect des fonds au voisinage du diffuseur
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
50

Préalables au recours au dessalement
comme solution aux tensions sur l’eau
•
•
•
•
Réduire au maximum le taux d’eaux non facturées
− Action déterminée de réduction des fuites
− Plan d’action pour réduire les « pertes administratives »
Gérer la demande
− Réviser la tarification ,
• éliminer les subventions aux usagers qui n’en n’ont pas besoin
• créer des incitations pour les acteurs économiques
− Sensibiliser sur la nécessité d’économiser l’eau
Mobiliser d’abord des ressources de substitution moins coûteuses
− Négociations avec les irrigants
Développer la réutilisation des EU partout où c’est possible
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
51

Conclusion : Durabilité du dessalement
•
•
La consommation d’énergie du dessalement est
significative
Néanmoins le dessalement reste une solution pertinente
dans une économie décarbonée , et va continuer à jouer un
rôle important comme outil de l’adaptation au CC :
−
−
comme l’eau est stockable , le dessalement est un bon
candidat pour utiliser les énergies renouvelables fluctuantes
comme l’éolien
dans le pire des cas , les besoins domestiques vitaux peuvent
être assurés par dessalement tributaire d ’énergies fossiles , à
un coût raisonnable en termes d’émissions
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
52

Conclusion : arbitrages eau - énergie
•
La question du dessalement n’est qu’un exemple parmi
d’autres des arbitrages entre gestion de l’eau et de
l’énergie :
−
−
−
−
la restauration du « débit écologique » des cours d’eau
aménagés implique une réduction de la production
hydroélectrique
une épuration plus poussée des eaux usées consomme plus
d’énergie
de même pour les techniques d’irrigation efficientes
etc…
24/01/11
Ressources en eau non
conventionnelles (J. Labre)
53