L'impératif pour les solutions intégrées énergie-eau

L'augmentation de la population mondiale, associée à une industrialisation rapide et au changement climatique, a mis en évidence deux ressources fondamentales : l'énergie et l'eau. Selon les Nations Unies, près de 2,2 milliards de personnes n'ont pas accès à l'eau potable gérée en toute sécurité, alors qu'environ 770 millions vivent sans électricité.Ces déficits ne sont pas isolés, ils sont étroitement liés. L'eau est nécessaire pour presque toutes les formes de production d'énergie, qu'il s'agisse de refroidissement des centrales thermiques ou d'extraction et de raffinage des combustibles fossiles, alors que l'énergie est essentielle pour traiter, pomper et désaliniser l'eau.Cette interdépendance, connue sous le nom de lien eau-énergie, est de plus en plus tendue.

Quelles sont les installations multifonctionnelles d'énergie renouvelable?

Les installations multifonctionnelles d'énergie renouvelable (IFRE) sont des plates-formes intégrées qui captent l'énergie provenant de sources renouvelables, généralement solaire, éolienne, géothermique ou océanique, et produisent simultanément de l'eau propre par des procédés tels que le dessalement, la purification ou la récolte atmosphérique de l'eau. Le principe de base est la synergie des ressources[: la chaleur résiduelle provenant de la production d'énergie est réutilisée pour le dessalement thermique, les excès de puissance électrique des membranes d'osmose inverse et les infrastructures partagées (pipélines, systèmes de contrôle, connexions de réseau) réduisent les dépenses en capital.

Caractéristiques clés des IFMRE

  • Colocalisation:[ La production d'énergie et d'eau se produit sur le même site, réduisant ainsi au minimum les pertes de transport et l'utilisation des terres.
  • Relèvement énergétique:[ Les gradients de chaleur ou de pression des déchets sont captés et réutilisés, ce qui augmente l'efficacité globale.
  • Smart control:[ L'automatisation avancée et l'IA optimisent la sortie en fonction de la demande en temps réel, des conditions météorologiques et du réseau.
  • Évoluabilité: Les systèmes vont de l'échelle communautaire (1–100 m3/jour) à l'échelle des services (100 000+ m3/jour).

En intégrant ces caractéristiques, les IFMRE dépassent le paradigme classique des énergies renouvelables à sortie unique, offrant un modèle plus résilient et plus soucieux des ressources pour le développement durable.

Technologies et approches émergentes

Un portefeuille de technologies diversifié permet de réaliser la vision multifonctionnelle des énergies renouvelables. Bien qu'il n'existe pas de solution unique, plusieurs approches prometteuses ont gagné en traction dans la recherche et les déploiements pilotes.

Dessalement solaire: Puissance et eau du Soleil

Dans les systèmes PV-RO, les réseaux solaires produisent de l'électricité qui entraîne directement des pompes à haute pression poussant de l'eau saline à travers des membranes semi-perméables. Les systèmes modernes intègrent des dispositifs de récupération d'énergie qui captent la pression du courant de saumure, réduisant ainsi la consommation totale d'énergie jusqu'à 60%. Par exemple, l'usine Al Khafji Solar Desalination Plant] en Arabie saoudite utilise des panneaux PV pour alimenter une centrale RO de 60 000 m3/jour, ce qui compense jusqu'à 15% de sa demande électrique du réseau.

Systèmes hybrides vent-eau

L'énergie éolienne complète l'énergie solaire en fournissant de l'énergie pendant les périodes de nuit et de couvert, rendant les systèmes hybrides d'énergie éolienne plus fiables pour la production continue d'eau. Les installations à moteur à vent, souvent jumelées à des batteries ou à un stockage hydro-pompé, peuvent fonctionner hors réseau dans les communautés côtières et insulaires.Samsø (Danemark) abrite une éolienne de 2 MW qui alimente directement une unité de RO fournissant 300 m3/jour d'eau douce aux résidents locaux et une ferme à poisson.

Installations intégrées à l'eau alimentées en chaleur résiduelle

Les centrales thermiques, qu'elles soient de charbon, de gaz, de nucléaire ou de géothermie, rejettent de grandes quantités de chaleur de faible teneur (habituellement de 30 à 50 °C) aux tours de refroidissement ou aux rivières.Les IFM peuvent capter cette chaleur résiduelle et l'alimenter en processus de dessalement thermique comme la distillation à membrane (MD) ou la déshumidification-déshumidification (HDH). Un exemple notable est la Mina Al Fahal, usine combinée d'eau et d'électricité en Oman, qui utilise la chaleur d'échappement d'une turbine à gaz pour faire fonctionner une unité MED produisant 25 000 m3/jour d'eau potable.L'efficacité énergétique globale de la centrale dépasse 85 %, comparativement à environ 55 % pour la production d'électricité autonome.

Captage atmosphérique de l'eau (AWH) alimenté par les énergies renouvelables

Une niche émergente est la récolte atmosphérique de l'eau, qui extrait l'humidité de l'air ambiant à l'aide de matériaux sorbants ou de condensation.Lorsque ces systèmes sont alimentés par de l'électricité renouvelable, ils peuvent produire de l'eau dans des régions arides ou sans littoral où il n'y a pas d'eau de surface ou d'eau souterraine.Eaugène[ et Zero Mass Water[[ (qui fait maintenant partie de SOURCE) ont déployé des unités AWH à énergie solaire capables de produire 10 à 50 litres/jour par panneau.

Avantages de la combinaison de l'énergie et de la production d'eau

Les MFREI offrent une constellation d'avantages qui vont au-delà de simples économies de coûts. Chaque avantage renforce le bien-fondé d'une conception intégrée dans des contextes développés et en développement.

  • Efficacité des ressources:[ En tirant parti de la chaleur et de la pression des déchets, les IFMRE peuvent atteindre des rapports eau/électricité de 40 à 60 % supérieurs à ceux des systèmes distincts. Par exemple, les centrales CSP-MED obtiennent un coût de l'eau (PLDE) de 1,20 à 1,80 $ par m3, alors que le RO solaire autonome coûte habituellement de 2,00 à 3,00 $ par m3.
  • Synergies de coûts:[ L'infrastructure partagée — terre, routes, câblage, dessalement des navires et salles de contrôle — réduit les coûts d'immobilisation de 15 à 25 %. Les coûts opérationnels diminuent également, car un opérateur de réseau et un équipage de maintenance suffisent pour les deux processus.
  • Gains environnementaux:[ Les évaluations du cycle de vie montrent que les IFMRE réduisent les émissions de carbone de 30 à 70 % par rapport à la cogénération de l'eau et de l'énergie des combustibles fossiles.
  • Reliabilité et résilience accrues:[ Lorsque la production d'eau est couplée à une alimentation renouvelable fluctuante, le stockage (dans des réservoirs d'eau ou un stockage à pompe) découple la production de la génération, ce qui crée un tampon d'eau expéditable, convertissant efficacement les énergies renouvelables intermittentes en eau et en électricité stables.
  • Effets socio-économiques dans les régions éloignées:[ Pour les îles hors réseau, les camps de réfugiés et les villages ruraux, un seul MFREI peut remplacer un générateur diesel et un camion d'eau, économisant jusqu'à 70% en coûts logistiques.

Ces avantages ne sont pas théoriques.Le rapport IRENA «Renewable Energy in the Water, Energy & Food Nexus» (2021) met en lumière plus de 50 MFREI opérationnels dans le monde, allant de 100 m3/jour d'usines communautaires à 200 000 m3/jour de projets d'utilité.

Défis et obstacles à l'adoption

Malgré une forte dynamique, les IFMRE à grande échelle sont confrontées à des obstacles importants qui exigent une action coordonnée de la part des chercheurs, des décideurs et des investisseurs.

  • Coûts élevés en capital à l'avance:[ L'intégration de plusieurs technologies exige une conception technique et personnalisée sophistiquée, ce qui augmente les coûts initiaux de 20 à 40 % par rapport aux installations distinctes. Par exemple, une usine CSP-MED de 10 MW peut coûter plus de 80 millions de dollars, comparativement à 55 millions de dollars pour une usine CSP autonome.
  • Compétitivité et intégration technologiques:[ La combinaison des membranes solaires PV, RO, de stockage et de boucles thermiques nécessite une correspondance attentive des paramètres de fonctionnement (pression, température, salinité).Un mode de défaillance commun est l'encrassement des membranes accéléré par des fluctuations de la qualité de l'eau d'alimentation ou des variations de température à partir de l'entrée solaire intermittente.
  • Polices politiques et réglementaires :[ La plupart des pays considèrent l'électricité et l'eau comme des secteurs distincts comportant des ministères, des tarifs et des régimes de subventions distincts. Les IFMRE tombent dans un pays où l'homme n'est pas réglementé, exigeant souvent des permis duplicationnels pour la production d'électricité et l'extraction de l'eau.
  • Les risques environnementaux et sociaux:[ Les rejets de saumure provenant du dessalement (même au sein des IFMRE) peuvent nuire aux écosystèmes marins si leur gestion n'est pas adéquate.Les fermes solaires et les tours de refroidissement consomment des terres et de l'eau, en concurrence avec l'agriculture.
  • Maintien et lacunes dans les compétences:[ L'exploitation d'une centrale combinée d'alimentation en eau nécessite des techniciens formés à la fois pour comprendre les systèmes électriques et de traitement de l'eau.

Pour relever ces défis, il faut des lignes directrices ciblées en matière de R-D, des lignes directrices normalisées en matière de conception et des modèles d'affaires novateurs, comme les contrats de partenariat public-privé (PPP) ou les contrats « eau-service ».

Politique et investissement

En 2022, la Commission européenne a lancé l'Accélérateur Nexus Water-Energy-Food H2020, qui finance quatre MFREI de démonstration à grande échelle en Espagne, en Grèce, en Jordanie et au Maroc, chacun ayant un budget supérieur à 10 millions d'euros. Le programme de la Banque mondiale intitulé Scalling Up Renewables in Water (SURW)[ a engagé 200 millions de dollars pour soutenir des projets intégrés en Afrique subsaharienne et en Asie du Sud.

  • Planification intégrée des ressources:[ Des pays comme l'Arabie saoudite et les Émirats arabes unis exigent que toutes les nouvelles installations de dessalement soient alimentées par des énergies renouvelables d'ici 2027, créant ainsi un marché pour les IFMRE.
  • Certificats d'eau verte: Comme pour les certificats d'énergie renouvelable (CER), ces certificats permettraient aux producteurs d'eau de monétiser les avantages environnementaux de l'utilisation d'énergie renouvelable.
  • Financement consolidé: La combinaison du financement à des conditions favorables au développement, de la dette commerciale et de l'investissement privé réduit le coût du capital pour les projets de première nature. Le Fonds vert pour le climat a approuvé 150 millions de dollars pour des projets pilotes de la MFREI aux Maldives et au Chili.

Du côté des investissements, le capital-risque est utilisé pour les startups de technologie de l'eau axées sur les systèmes intégrés d'énergie-eau. Selon Bluefield Research[, les investissements mondiaux dans le seul dessalement à énergie solaire ont atteint 1,2 milliard de dollars en 2023, soit une augmentation de 35 % d'une année sur l'autre.

Études de cas : Déploiements du monde réel

Bien que toujours naissant, plusieurs projets phares du MFREI démontrent la viabilité et l'impact des systèmes intégrés dans divers contextes.

La ville économique du roi Abdullah (KAEC) Plante de dessalement à puissance solaire, Arabie saoudite

Terminée en 2022, cette installation de 60 000 m3/jour utilise 112 MW de photovoltaïque bifacial pour alimenter un système d'osmose inverse. L'usine fonctionne 24/7 en combinant 40 MW de stockage d'énergie de batterie et de raccordement au réseau pour la sauvegarde. Résultats: consommation d'énergie de 3,5 kWh/m3 (vs. 4,5 kWh/m3 pour les installations typiques de réseau), coût de l'eau de 1,10 $/m3 et réduction annuelle de 380 000 tonnes d'émissions de CO2.

L'usine hybride de Lanzarote, en Espagne

Sur l'île Canaries de Lanzarote, un parc éolien de 5 MW, couplé à 2 MW de photovoltaïque solaire, alimente une centrale de 5 000 m3/jour. Un système de contrôle unique utilise des prévisions météorologiques en temps réel pour ajuster la production de dessalement. Lorsque les vents sont forts, le RO fonctionne à pleine capacité; les jours de calme, il compte sur des réserves d'eau solaires et stockées.

La centrale géothermique de Jemna, Tunisie

Dans le sud aride de la Tunisie, l'usine de Jemna achemine la saumure géothermique à 120°C pour produire 1,5 MW d'électricité par l'intermédiaire d'une unité de cycle organique de Rankine (ORC). La chaleur résiduelle (toujours à 70°C) alimente ensuite une unité de dessalement MED qui produit 500 m3/jour d'eau douce pour une oliveraie adjacente.

Perspectives et orientations de la recherche

La trajectoire des IFMRE indique une croissance exponentielle, car trois facteurs clés convergent : la maturation technologique, la baisse des coûts et l'urgence des politiques. D'ici 2035, les projets de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) qui permettent d'intégrer les systèmes d'alimentation en eau pourraient contribuer à 10 % de la capacité mondiale d'eau dessaliné (au lieu de <1 % aujourd'hui).

  • Déchargement de liquide-zéro (ZLD): Systèmes qui concentrent la saumure sur les solides, récupérant des minéraux précieux comme le lithium et le magnésium tout en éliminant les rejets environnementaux.
  • Membranes d'inspiration bio:Membranes à base d'aquaporine qui réduisent considérablement les besoins énergétiques pour les RO, pouvant tomber à 2,0 kWh/m3 ou moins.
  • Dessalement interactif grid : Installations qui ajustent la production d'eau pour fournir des services de grille (réaction de fréquence, stockage virtuel), générant des flux de revenus supplémentaires.
  • Flottant au large des IFMRE:[ Combinant des éoliennes flottantes avec des unités de dessalement submergées — un concept testé par la société norvégienne WindCatching en mer du Nord.

La vision ultime est un système entièrement circulaire où les énergies renouvelables, l'eau et les minéraux sont produits avec des déchets presque nuls et une empreinte environnementale minimale. Pour y parvenir, il faudra une innovation soutenue, une collaboration intersectorielle et un engagement à déployer des solutions dans les communautés qui en ont le plus besoin.

Conclusion

Des centrales solaires-RO en Arabie saoudite aux systèmes géothermiques en Tunisie, ces solutions intégrées permettent de réaliser des gains mesurables en termes d'efficacité, de coûts et de performance environnementale. Alors que des défis subsistent — coûts initiaux élevés, fragmentation réglementaire et obstacles à l'intégration technique — l'élan est indéniable.