Dessalement d’eau par systèmes d’évaporation sous vide

Classification

Les technologies utilisées actuellement dans les processus de dessalement d’eau peuvent se classer en fonction de différents critères, principalement:

1. Changement de phase de l’eau à traiter
2. Type d’énergie
3. Processus employé

Sur la base de ces critères de classification, les principales technologies associées se divisent en:

Technologies d’évaporation contre technologies de filtrage

On trouve actuellement de petites stations d’évaporation pour dessaler de l’eau de mer ou de l’eau de puits salubres, qui consomment de petites quantités d’énergie électrique qui peut être obtenue par des moulins à vent, des plaques photovoltaïques ou d’autres moyens d’obtenir de l’énergie électrique renouvelable.

Dans les processus d’évaporation, pour obtenir de l’eau potable à partir d’eau salée, la consommation énergétique ne dépend pas de l’eau à traiter, ils sont donc plus avantageux de ce point de vue, plus l’eau d’entrée est saline, par rapport aux processus d’osmose inversée.

En comparant les deux technologies, on peut dire que celles à base d’évaporation sont très effectives pour la production d’eau potable à partir d’eau salée, indépendamment de la salinité de l’eau d’entrée, concernant sa fiable consommation énergétique, comparable uniquement à l’osmose forcée (technologie de filtrage), dont les consommations énergétiques sont très faibles.

Cet article reprend en général les différentes technologies relatives aux deux processus et il tente d’expliquer l’évolution et les perspectives de celles-ci, en commençant par les processus d’évaporation précurseurs des technologies de dessalement.

Processus de dessalement par évaporation

Les origines des technologies de dessalement datent de l’époque d’Aristote (384-322 av. J.C.) quand celui-ci a fabriqué le premier évaporateur connu et dans ses travaux il parlait de dessalement de l’eau de mer.

Avant l’apparition et l’industrialisation des membranes d’osmose inverse, aux alentours de la moitié des années 60, la méthode pour dessaler l’eau de mer et la transporter s’effectuait exclusivement par équipement d’évaporation qui consommaient une importante quantité d’énergie.

Compression thermique de Vapeur (TCV)

La compression thermique de vapeur permet d’obtenir de l’eau distillée avec le même processus qu’une distillation par effets multiples, mais elle utilise une source d’énergie thermique différente : ce que l’on appelle les compresseurs thermiques (ou compresseurs thermiques), qui consomment de la vapeur à moyenne pression en provenance de la centrale de production électrique (en cas de centrale dual, sinon la vapeur sera obtenue par un processus créé exclusivement à cet effet) et qui aspire une partie de la vapeur générée dans la dernière étape à très basse pression, qui est comprimée pour donner de la vapeur à pression intermédiaire aux précédentes adaptée pour un apport à la 1ère étape, qui est la seule qui consomme de l’énergie dans le processus.

Le rendement de ce type de centrales est similaire à celui des centrales MED (distillation par effets multiples), cependant, leur capacité de dessalement peut être bien supérieure car elle permet une meilleure adaptabilité de prise de vapeur des centrales productrices de vapeur. Elles sont souvent considérées comme le même processus, mais nous le traiterons ici individuellement car la consommation d’énergie de la centrale s’effectue avec un équipement différent.

Distillation à Multiples effets (MED)

Dans les processus MED, l’eau à traiter passe au travers d’une série d’évaporateurs mis en série. La vapeur de l’une des cellules est utilisée pour évaporer l’eau de la suivante tandis que l’apport d’énergie primaire s’effectue sur la première des étapes.

Ce type de centrales sont de taille moyenne et elles sont spécialement indiquées dans les cas où l’on peut profiter de chaleurs résiduelles en provenance d’installations de cogénération, de turbines.

Distillation subite (MSF)

L’eau à dessaler est chauffée à basse pression ce qui permet une évaporation subite et irréversible, ce processus se répétant dans des étapes successives dans lesquelles la pression diminue en fonction des différentes conditions.

Elle est indiquée pour les eaux à salinité élevée. Elle est aussi indiquée pour des eaux aux températures plus élevées et une contamination plus importante. Le plus grand inconvénient présenté par les stations MSF est une forte consommation énergétique.

Il existe actuellement des installations qui combinent la production d’énergie électrique des champs solaires avec la production d’eau potable à partir de stations d’évaporation de type flash.

Compression mécanique de vapeur (CMV)

Les évaporateurs sous vide par compression mécanique de vapeur (CMV) évaporent le liquide, dans ce cas de l’eau salée, sur un côté de la surface d’échange, et il est comprimé suffisamment pour se condenser de l’autre côté et ainsi le cycle de distillation de l’eau peut être maintenu, ce qui permet de réduire les pertes du processus et l’élévation de la température d’ébullition de l’eau salée par rapport à l’eau pure.

Ces petits équipements sont beaucoup plus fiables et faciles à opérer que les équipements d’osmose inversée et ils n’ont presque pas besoin de maintenance, ce qui en fait l’outil idéal pour approvisionner en eau douce de petits noyaux de population, des secteurs isolés, des zones insulaires, etc.

La consommation spécifique de ces installations est inférieure à celle des autres processus de distillation : normalement la consommation électrique équivalente est d’environ 10 kWh/m3. La principale limite de ce type de technologie est la taille maximale des compresseurs volumétriques employés. Leur capacité maximale ne permet pas de production importante d’eau dessalée.

Autres alternatives d’évaporation : Évaporation d’eau sous vide

Un autre moyen d’obtenir de l’eau potable en provenance de la mer ou de sources salubres est en utilisant des évaporateurs d’eau sous vide, qui mettent à profit les sources de chaleur résiduelle en provenance de circuits de réfrigération de moteurs à cogénération. Cela permet d’augmenter le pourcentage de récupération d’énergie et d’atteindre les objectifs minimums afin de pouvoir profiter des primes d’énergie vendue au réseau.

Processus de dessalement par filtrage

Les premières stations de dessalement ne sont pas apparues avant la fin de la seconde guerre mondiale.

Osmose Forcée

si l’on approfondit le champ des applications industrielles, dans lesquelles l’osmose inversée bénéficie d’une hégémonie claire en termes d’efficacité, on observe l’existence d’une série de techniques complémentaires qui, dans les situations concrètes, peuvent même améliorer ses prestations. C’est le cas de l’osmose forcée, où la pression osmotique créée par l’ajout d’un composé facilement séparable est la force d’impulsion du flux au travers de la membrane semi-perméable. Elle produit de l’eau dessalée et elle s’effectue `très basse pression et à température ambiante , ce qui conduit à une faible consommation d’énergie.

Cette technologie présente une efficacité énergétique élevée et dans certains cas elle peut s’avérer une grande concurrente de l’osmose inversée. Il s’agit d’une technique avec un avenir prometteur.

Distillation par membranes

Cette technologie est relativement récente et elle se présente comme une solution pour les mélanges difficiles à séparer et que la combinaison de la différence de pressions de vapeur et d’une perméabilité différente au travers d’une membrane semi-perméable font que la séparation peut être effective et viable.

Les deux technologies complètent l’osmose inversée et elles préparent le terrain à la conception du traitement optimal dans de nombreuses industries.

Osmose Inversée (RO): Actualité et Perspectives

En 1960, à l’Université de Californie la première membrane d’osmose inversée est construite en acétate de cellulose, elle est capable d’empêcher le passage des sels et de permettre le passage d’un flux d’eau raisonnable. À partir de cette membrane basique, la technologie n’a cessé d’évoluer pour parvenir à un meilleur rendement énergétique et un coût de fonctionnement inférieur.

Actuellement, cette technologie est utilisée pour le dessalement des eaux salubres et d’eau de mer en fonction des information générales de fonctionnement suivantes:

• Eaux Salubres: La salinité de ce type d’eaux est de 2000 mg/L – 10000 mg/L. Pour son traitement on utilise des pressions de 14 bar – 21 bar afin d’obtenir des coefficients de rejet supérieurs à 90 % et à obtenir des eaux avec des concentrations salines inférieures à 500 mg/L, qui sont les valeurs recommandées par WHO comme condition de potabilité. Les stations de traitement utilisent des modules de membranes enroulées en spiral. On estime que les coûts de capital de ce type de stations sont de l’ordre de 0.25 $US/L d’eau traitée par jour, les coûts d’exploitation étant du même ordre.
• Eau de Mer: En fonction de la zone géographique, la salinité de ce type d’eaux est de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Pour obtenir des conditions de potabilité, on utilise des membranes en polyamide de type fibre creuse qui permettent d’obtenir des coefficients de rejet supérieurs à 99.3 % avec des pressions de travail de 50 bar – 70 bar. Les coûts d’exploitation de ce type de station de traitement sont estimés à 1 – 1.25$US/ L d’eau traitée/jour, ce qui rend ce système de traitement non compétitif, comparé à d’autres systèmes comme les processus d’évaporation multi étape, si les besoins en eau dépassent les 40000 m3 d’eau traitée/jour.

Défis du dessalement

Le rendement énergétique ne peut pas augmenter sans limite, car il y a un coût thermodynamique qui exige un coût minimum qu’il est impossible de réduire. Cela dépend des caractéristiques physiques-chimiques de l’eau à dessaler, du pourcentage de récupération du processus et de la salinité. Ainsi, théoriquement, la consommation énergétique minimum nécessaire pour dessaler l’eau de mer avec une salinité de 35 g/L et avec une récupération standard de 45% est 1,97 kWh/m3.

Avec la meilleure technologie actuellement disponible, la consommation minimum industrielle est à 2,51-2,74 kWh/m3 en fonction de si l’on utilise des turbines Pelton ou des chambres isobariques –plus efficaces– pour la récupération de la pression. À la lumière de ces valeurs, on observe que les marges disponibles pour réduire les consommations énergétiques sont déjà très réduites.

Actuellement, on peut construire des stations de dessalement avec une consommation énergétique dans la phase d’osmose de 2 kWh/m3, avec un indice de récupération d 45%, ce qui équivaudrait à une consommation globale de 2,5 kWh/m3. Un facteur important pour maintenir la consommation énergétique sous contrôle lors du dessalement est d’éviter l’encrassement des membranes (fouling), lequel concentre les objectifs de nombreuses lignes de recherche. Le fouling influence directement le rendement énergétique, la vie utile des membranes et le taux de production d’eau.

Pour continuer à réduire la consommation énergétique, il convient de signaler que des progrès ont été effectués sur les équipements auxiliaires aux membranes et aux circuits hydrauliques, car elles ne disposent pratiquement pas de marge d’amélioration. Les lignes de recherche les plus prometteuses se concentrent sur la réduction des pressions de travail sans que cela ne diminue le flux de perméat. Les principaux fabricants de membrane travaillent dans cette direction et il existe déjà des membranes avec un fonctionnement très satisfaisant en travaillant à une pression totale de 55 atm, au lieu de 70 atm comme c’était le cas depuis peu de temps.

Le futur à moyen terme est préoccupant, car les réserves d’eau douce seront de moins en moins fiables et de moins en moins disponibles. On calcule qu’en 2016, 1% de la population mondiale s’approvisionne en eau dessalée et qu’en 2025 ce pourcentage atteindra les 14%. Face à ce scénario, les progrès en matière de réduction de la consommation énergétique dans le dessalement permettront que la construction de stations de dessalement basées sur l’osmose inversée continue à proliférer

La consommation énergétique dépend fortement de la salinité de l’eau à traiter, il sera donc nécessaire de prioriser les sources dont on obtient de l’eau douce. L’avenir passe inexorablement par la réutilisation des eaux usées, premièrement, et par le dessalement des eaux salubres de l’intérieur, ensuite. Le dessalement d’eau de mer devra se faire en dernier recours.

En Israël, pays à l’avant-garde pour l’utilisation efficace de l’eau et des technologies hydriques, 80 % des eaux usées sont réutilisées.

Avenir du dessalement

Une alternative économique qui a tendance à se mettre en place actuellement consiste à traiter par osmose inversée les eaux usées urbaines, épurées précédemment , pour leur injection dans des aquifères souterrains. Leur recharge grâce à cette technique est rapide et contrôlée, ce qui permet que la potabilisation postérieure de cette eau ne soit pas complexe. En Espagne, la réutilisation des eaux usées urbaines pour son utilisation comme eau potable est possible techniquement mais la législation ne le permet pas. La seule exception est précisément si l’eau usée traitée par osmose inversée est injectée préalablement dans un aquifère souterrain avant sa potabilisation.

Le rapport de 2014 des Nations Unies sur le développement de l’eau dans le monde constate qu’il y a plus de 16.000 stations de dessalement réparties dans le monde pour un total de plus de 150 pays, avec une capacité de production qui pourrait aller jusqu’à doubler en 2020. Il y a des projets de recherche autour de l’osmose inversée qui font penser que : (1) cette technique restera, dans les 10 prochaines années, la technologie de référence pour la production d’eau douce avec certaines améliorations, certaines substantielles, et (2) certains projets de recherche sont très prometteurs et finiront par offrir des résultats utiles et de grande valeur qui permettront de réduire encore plus les coûts énergétiques et environnementaux, en plus des coûts ´économiques.

Parmi les projets de recherche les plus prometteurs pour de nouvelles technologies de dessalement, on trouve les projets suivants :

• Technologie ReFlex de l’entreprise Desalitech (USA)Cette technologie se base sur un système d’osmose inversée conventionnel qui fonctionne en batch. Le pourcentage de récupération est déterminé par la fréquence des étapes de purge qui sont commandées par un software spécifique, au lieu de la conception mécanique et le nombre d’étapes comme le serait un système d’osmose inversée conventionnel. Le système ReFlex commence à réaliser des batchs à basse pression et celle-ci augmente progressivement à mesure que la concentration augmente, jusqu’à atteindre le degré de récupération indiqué. Ce fonctionnement fait que la pression moyenne est inférieure à la pression constante du système conventionnel. De plus, la pression de la purge est minime, à la différence du système conventionnel. Grâce à ce type d’opération, la consommation d’énergie est réduite de 20-35% par rapport au système conventionnel.
• Technologie de l’entreprise IDE Technologies (Israël)IDE Technologies a développé des membranes de 16″ en disposition verticale, de manière à réduire les récipients sous pression, les collecteurs, les appareils de contrôle et à réduire la taille de la station. Grâce à cette technologie, on peut construire des stations très compactes et cela est particulièrement important lorsqu’il s’agit de concevoir des stations de dessalement à capacité élevée. Grâce à cette technologie avancée, cette entreprise a conçu et construit la plus grande et la plus moderne station de dessalement du monde à l’heure actuelle, à Sorek (Israël), laquelle possède une capacité de 624.000 m3/jour.
• Membranes d’oxyde de graphène, Université de Berkeley (USA)Un groupe de chercheurs de l’Université de Berkeley (USA) a conçu et construit une membrane en oxyde de graphène perforée de la taille d’un atome, qui permet le dessalement avec une part minimale du coût provenant de l’osmose inversée conventionnelle. Les pores peuvent être manipulés pour faire varier la perméabilité de la membrane. Si son application à échelle industrielle est confirmée, les systèmes actuels d’osmose inversée seront révolutionnés et les coûts économiques d’exploitation seront considérablement réduits.

Les améliorations innovantes qui sont introduites dans l’osmose inversée, fruit de la recherche, font de cette technologie la référence pour la suppression des sels à court et moyen terme, autant pour la production d’eau pour la consommation ou au niveau industriel. Il convient de souligner l’adaptabilité de cette technologie pour les applications industrielles basées sur le concept de déversement zéro.

Pour toutes les raisons exposées, dans un futur proche, l’osmose inversée -avec les technologies associées- restera la première option pour la séparation de sels, autant dans le dessalement d’eau pour la consommation humaine que pour les différentes applications industrielles. Actuellement, le coût de l’eau pour la consommation humaine est le double de celui de l’eau douce de surface. Celle-ci sera toujours plus rare et de moins en moins fiable. En 2025, on prévoit que les coûts de dessalement seront égaux aux coûts d’extraction de l’eau douce.