La crise croissante du débordement d'aquifère

Selon la Commission géologique des États-Unis , plus de la moitié des grands aquifères du monde sont épuisés plus rapidement qu'ils ne peuvent le faire naturellement. Dans des régions comme la vallée centrale de la Californie, le Pendjab de l'Inde et les Hautes Plaines des États-Unis (maison de l'aquifère Ogallala), les nappes d'eau diminuent de plusieurs pieds par année.

La subsidence des terres, qui est le naufrage de la surface du sol, a été documentée dans des endroits comme Mexico et la vallée de San Joaquin, où certaines régions ont chuté de plus de 30 pieds. L'intrusion d'eau salée se produit lorsque la surpompe abaisse la pression d'eau douce, ce qui permet à l'eau de mer d'infiltrer les aquifères côtiers.

L'agriculture, qui consomme environ 70 % des prélèvements mondiaux d'eau douce, est confrontée à des coupes de production, les puits d'irrigation étant secs ou trop coûteux pour être pompés de plus en plus à des profondeurs croissantes. L'approvisionnement municipal en eau souffre également, obligeant les villes à mettre en œuvre des rationnements ou à chercher des solutions de rechange coûteuses.

Dessalement : bref aperçu de la technologie

La dessalement convertit l'eau salée en eau douce en enlevant les sels et minéraux dissous. Deux technologies principales dominent le marché : l'osmose inverse (RO) et la distillation thermique.

Osmose inverse

Les usines modernes de traitement des eaux usées atteignent des taux de récupération de 40 à 50 % à partir de l'eau de mer, produisant de l'eau dont les solides dissous totaux (TDS) sont inférieurs à 500 mg/L, ce qui est bien conforme aux normes de l'eau potable. Les progrès réalisés dans les matériaux membranaires et les dispositifs de récupération d'énergie ont réduit la consommation d'énergie spécifique à entre 3 et 5 kilowattheures par mètre cube (kWh/m3), comparativement à 8 à 10 kWh/m3 dans les années 1990.

Distillation thermique

Les procédés thermiques tels que les flashs multi-étapes (MSF) et la distillation multi-effet (MED) ébullition de l'eau de mer et condenser la vapeur pour produire de l'eau douce.Ces méthodes sont à forte intensité énergétique (10-25 kWh/m3) et sont généralement utilisées au Moyen-Orient, où les combustibles fossiles abondants et la chaleur résiduelle des centrales les rendent économiquement viables. MED est plus économe en énergie que MSF mais encore beaucoup moins efficace que RO pour la plupart des applications.

Technologies émergentes

Les recherches sur l'osmose, la distillation membranaire et la déionisation capacitive visent à réduire la demande d'énergie et à réduire les encrassements. Bien que prometteuses, ces technologies demeurent à des stades pilotes ou commerciaux précoces et ne sont pas encore compétitives avec RO pour le dessalement à grande échelle de l'eau de mer.

Avantages du Desalement en Théorie

Le dessalement offre plusieurs avantages inhérents qui en font une option attrayante pour les régions confrontées à un courant d'eau de débordement de l'aquifère :

  • Fondabilité de l'approvisionnement: Les usines de dessalement fonctionnent en continu, indépendamment des précipitations, de la fonte des neiges ou des modèles climatiques saisonniers.
  • Proximité de demander:[ Les villes côtières peuvent localiser des plantes près des centres de population, réduisant les coûts de transport de l'eau et les pertes.Par exemple, les plantes de Carlsbad, en Californie, et Sorek, en Israël, fournissent de l'eau directement aux systèmes municipaux.
  • Soulagement de pression pour les aquifères:[ Chaque mètre cube d'eau dessalée utilisé peut réduire le pompage des eaux souterraines d'une quantité à peu près égale.
  • Production évolutive: Les usines de dessalement peuvent être construites en capacité progressive, de petites unités communautaires (quelques centaines de m3/jour) à des méga-plantes de plus de 500 000 m3/jour (p. ex., l'usine Ras Al Khair en Arabie saoudite).

Ces avantages ont entraîné une expansion rapide de la capacité mondiale de dessalement.En 2023, la capacité installée totale dépasse 100 millions de m3/jour, avec des installations opérant dans 177 pays.Nations Unies note que le dessalement fournit plus de 300 millions de personnes en eau douce, et le marché continue de croître de 6 à 9 % par an.

Défis critiques

Malgré sa promesse, le dessalement fait face à un trio de défis interconnectés : l'énergie, le coût et l'impact environnemental.

Consommation d'énergie et empreinte carbone

Le dessalement de l'eau de mer demeure une source d'énergie importante.L'énergie théorique minimale nécessaire pour séparer le sel de l'eau de mer est d'environ 1 kWh/m3, mais les centrales RO du monde réel fonctionnent de 3 à 5 kWh/m3. Lorsqu'elles sont alimentées par des combustibles fossiles, cela se traduit par des émissions de gaz à effet de serre importantes — environ 1,5 à 2,5 kg de CO2 par m3 d'eau produite.

La transition vers les sources d'énergie renouvelables est techniquement réalisable.Des projets de dessalement à énergie solaire existent en Arabie saoudite (avec panneaux photovoltaïques) et en Australie (avec chauffage solaire). Cependant, la nature intermittente du solaire et de l'éolien nécessite un stockage de l'énergie ou des systèmes hybrides, ce qui augmente les coûts d'investissement.

Viabilité économique

Les usines de traitement des eaux de mer à grande échelle fournissent maintenant de l'eau à 0,50 $ à 1,00 $ le mètre cube, en baisse par rapport à 1,50 $ à 2,50 $ au début des années 2000. Cela rend le dessalement concurrentiel par rapport à d'autres sources d'approvisionnement, comme les transferts d'eau à longue distance ou les eaux usées recyclées (qui peuvent coûter 0,60 $ à 1,20 $/m3 pour un traitement avancé).

Cependant, le dessalement reste beaucoup plus coûteux que le pompage des eaux souterraines. L'extraction des eaux souterraines d'un aquifère peu profond et non appauvri peut coûter aussi peu que 0,10 $–0,30 $/m3. Même avec l'augmentation des profondeurs de pompage, les eaux souterraines demeurent souvent moins chères que les eaux dessalées. L'écart se rétrécit seulement lorsque l'épuisement des eaux aquifères force l'approfondissement des puits ou lorsque les externalités environnementales (p. ex. dommages causés par les subsidences, intrusion dans les eaux salées) sont internalisées.

Les coûts d'investissement constituent un autre obstacle : une usine de RO d'eau de mer de 100 000 m3/jour peut nécessiter des investissements initiaux de 300 à 500 millions de dollars, les permis et la construction étant de trois à cinq ans.

Rejets de saumure et impacts environnementaux

La dessalement produit un courant de saumure concentré contenant deux fois la salinité de l'eau de mer, ainsi que des produits chimiques utilisés pour le prétraitement (antiscalants, coagulants) et le nettoyage des membranes. Le retour de la saumure dans l'océan peut créer des panaches hypersalines qui réduisent l'oxygène dissous et nuisent aux organismes benthiques.

Les stratégies d'atténuation comprennent la dilution de la saumure avec de l'eau de refroidissement de la centrale électrique, des systèmes de diffuseurs pour disperser les panaches et des technologies à décharge zéro liquide (ZLD) qui récupèrent les solides.

En outre, les apports de dessalement tuent les organismes marins (entraînement et imprégnation) si les écrans ne sont pas conçus correctement. Les apports de surface (puits de pêche) réduisent cet impact, mais sont limités par la géologie et la capacité de l'aquifère.

La faisabilité comme solution de rechange aux aquifères dépassés

La question fondamentale est de savoir si le dessalement peut servir de direct substitut aux eaux souterraines extraites des aquifères renversés. La réponse dépend fortement de l'emplacement, de l'échelle et de l'utilisation prévue de l'eau.

Où le Dessalement fonctionne le mieux

À Singapour, le dessalement fournit environ 30 % de l'approvisionnement national en eau, complète l'eau importée, la récolte d'eau de pluie et la récupération de l'eau. En Israël, les usines de Sorek et Ashkelon produisent près de 60 % de l'eau domestique, ce qui permet au pays de reconstituer l'aquifère côtier surchargé et même d'exporter l'eau excédentaire vers les voisins.

En Californie, l'usine de dessalement Carlsbad fournit environ 10 % de l'eau du comté de San Diego, ce qui a réduit la dépendance à l'égard du fleuve Colorado et du delta Sacramento-San Joaquin, qui sont à la fois sous pression environnementale et sous pression de découvert.

Limitations applicables aux aquifères intérieurs

Pour les aquifères intérieurs (par exemple, l'Ogallala dans les grandes plaines des États-Unis, l'aquifère du bassin de l'Indus au Pakistan), le dessalement est géographiquement limité. Le transport d'eau de mer à des centaines de kilomètres impose d'énormes coûts énergétiques de pompage et d'infrastructures de pipelines. Le dessalement de l'eau de saumure est une option plus viable; de nombreux aquifères intérieurs contiennent des couches d'eau de saumure qui peuvent être traitées à moindre coût que l'eau de mer.

L'évacuation des eaux de la mer pour le dessalement intérieur pose un défi majeur. Les bassins d'évaporation sont à forte intensité terrestre et l'injection de puits profonds comporte des risques sismiques. Les systèmes d'évacuation des eaux de l'eau de l'eau de l'eau de l'eau sont trop coûteux pour la plupart des applications agricoles.

Pas une solution autonome

L'agriculture, qui représente 70 à 80 % de la consommation d'eau souterraine dans de nombreuses régions asséchées, ne peut pas se permettre de se procurer de l'eau dessalée à 0,50 $–1,00$/m3. Les grandes cultures comme le blé ou le maïs ne génèrent des revenus bruts que de 0,10 $–0,20 $/m3 d'eau utilisée. Même les cultures de grande valeur comme les amandes et les tomates se battent à ces prix.

En outre, le dessalement ne s'attaque pas aux causes profondes du débordement : pompage non réglementé, électricité subventionnée pour l'extraction des eaux souterraines et absence de mesure.

Intégrer le dessalement dans un portefeuille de l'eau durable

Une approche pragmatique considère le dessalement comme un élément d'une stratégie plus large de gestion de l'eau.

Utilisation concomitante

L'utilisation conjuguée consiste à gérer intentionnellement les eaux de surface, les eaux souterraines et les eaux dessalées. Par exemple, l'eau dessalée peut être utilisée pendant les sécheresses tout en permettant aux aquifères de se recharger pendant les années humides. Ce système est déployé dans le comté d'Orange, en Californie, où une usine de dessalement des eaux de mer près de la zone de Huntington Beach complète le système de reconstitution des eaux souterraines (eau recyclée avancée injectée dans l'aquifère).

Intégration des énergies renouvelables

Pour réduire au minimum l'empreinte carbone, il faut associer les nouvelles installations de dessalement aux énergies renouvelables. Des pays comme l'Espagne et l'Australie construisent des dessalement à énergie solaire pour alimenter des communautés côtières isolées.

Politique et réglementation

La mise en œuvre de droits d'extraction, de permis de pompage négociables ou de compteurs obligatoires crée des incitations économiques pour une utilisation efficace de l'eau. La dessalement peut alors servir d'assèchement coûteux mais fiable, et non d'approvisionnement à choix préliminaire. La directive-cadre de l'Union européenne sur l'eau souligne la nécessité de fixer des prix qui reflètent les coûts réels de l'eau, y compris les externalités environnementales.

Gestion de la demande

Avant de créer une nouvelle capacité de dessalement, les collectivités devraient s'efforcer de conserver l'eau, de réduire les fuites et d'utiliser des appareils efficaces. En Californie, l'utilisation de l'eau en milieu urbain a été plus lente malgré la croissance démographique due aux mesures d'efficacité.

Conclusion

La dessalement est un outil puissant pour traiter le déversement de l'aquifère, mais ce n'est pas une panacée. Sa capacité à fournir un approvisionnement fiable et résistant à la sécheresse est prouvée et les coûts continuent de diminuer. Toutefois, les contraintes environnementales et économiques - en particulier l'utilisation élevée de l'énergie, l'élimination de la saumure et le coût par rapport à l'agriculture - font que le dessalement ne peut pas à lui seul restaurer les aquifères appauvris.

Pour les villes côtières à forte demande d'eau et à capacité de payer, le dessalement offre une solution partielle réaliste. Pour les régions agricoles intérieures, le travail plus difficile mais plus nécessaire de réduction de la demande, de déplacement des cultures et de recharge reste la priorité. Sans cet effort fondamental, même la technologie de dessalement la plus avancée ne fera que retarder le jour inévitable de la prise en compte des aquifères surchargés.