Dessalement par désespoir

Même dans la Californie frappée par la sécheresse, San Diego se démarque. Il pleut moins qu'à Los Angeles ou Fresno. La région a moins d'eau souterraine que de nombreuses autres parties de l'État. Et plus de 80 % de l'eau destinée aux foyers et aux entreprises est importée de sources de plus en plus sollicitées. Le fleuve Colorado est tellement surchargé qu'il atteint rarement la mer; l'eau provenant du delta de la rivière Sacramento, à plus de 400 miles au nord, a été rationnée par les autorités de l'État cette année, coupant certains agriculteurs de la vallée centrale de Californie de leur principale source d'irrigation. Le comté de San Diego, chaud, sec et de plus en plus peuplé, offre un aperçu de la direction que prend une grande partie du monde. Il en va de même pour une décision récente du gouvernement du comté : il construit la plus grande usine de dessalement d'eau de mer de l'hémisphère occidental, pour un coût de 1 milliard de dollars.

Le projet massif, à Carlsbad, regorge de près de 500 travailleurs portant des casques jaunes. Lorsqu'il sera terminé l'année prochaine, il absorbera quotidiennement plus de 100 millions de gallons d'eau de l'océan Pacifique et produira 54 millions de gallons d'eau fraîche et potable. Bien que cela ne représente que 10% des besoins en eau du comté, il sera, de manière cruciale, fiable et résistant à la sécheresse, une protection contre des temps potentiellement pires à venir.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2015

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Le comté parie sur une combinaison d'ingénierie moderne et de technologie de dessalement vieille de plusieurs décennies. Une tranchée de canalisation en construction mène à une entrée de lagune à proximité ; 18 réservoirs en béton de la taille d'une maison attendent des chargements de sable et de charbon de bois pour traiter l'eau salée avant qu'elle ne soit prête pour le dessalement ; des pressuriseurs débouchent sur une conduite en inox d'un mètre de diamètre. Cette dernière pièce de quincaillerie brillante transportera l'eau sous haute pression dans 2 000 tubes en fibre de verre, où elle sera pressée à travers des membranes polymères semi-perméables. Ce qui passera sera de l'eau douce, laissant derrière elle de la saumure.

Le processus s'appelle l'osmose inverse (RO), et c'est le pilier des installations de dessalement à grande échelle dans le monde. Lorsque l'eau est forcée à travers la membrane, le polymère permet aux molécules d'eau de passer tout en bloquant les sels et autres impuretés inorganiques. La production mondiale de dessalement a triplé depuis 2000 : 16 000 usines sont en service dans le monde et le rythme de construction devrait s'accélérer tandis que la technologie continue de s'améliorer. Carlsbad, par exemple, a été équipé de membranes commerciales de pointe et de systèmes avancés de récupération de pression. Mais les usines restent coûteuses à construire et à exploiter.

Le dessalement de l'eau de mer est en effet l'une des sources d'eau douce les plus chères. L'eau se vend, selon les conditions du site, entre 1 000 et 2 500 dollars par acre-pied (la quantité utilisée par deux ménages américains de cinq personnes par an). Le produit de Carlsbad se vendra environ 2 000 dollars, soit 80 % de plus que ce que le comté paie pour l'eau traitée provenant de l'extérieur de la région. L'une des raisons est l'énorme quantité d'énergie nécessaire pour pousser l'eau à travers les membranes. Et Carlsbad, comme la plupart des usines de dessalement, est en cours de construction avec des pompes supplémentaires, une capacité de traitement et des tubes à membrane, pour mieux garantir la disponibilité. Parce qu'il s'agit d'un atout essentiel pour la région, il y a énormément de redondance pour donner une grande fiabilité, explique Jonathan Loveland, vice-président de Poseidon Water, le propriétaire de l'usine. Si une pièce échoue, quelque chose d'autre prendra le relais.

Déjà, quelque 700 millions de personnes dans le monde souffrent de pénurie d'eau, mais ce nombre devrait atteindre 1,8 milliard en seulement 10 ans. Certains pays, comme Israël, dépendent déjà fortement du dessalement ; d'autres suivront. Dans de nombreux endroits, nous sommes déjà à la limite des ressources en eau renouvelables, et pourtant nous continuons de croître, explique John Lienhard, ingénieur en mécanique et directeur du Center for Clean Water and Clean Energy du MIT. En plus de cela, nous avons le réchauffement climatique, avec des conditions plus chaudes et plus sèches dans de nombreuses régions, ce qui réduira potentiellement davantage la quantité d'eau renouvelable disponible. Bien que la conservation et le recyclage soient utiles, vous ne pouvez pas recycler ce que vous n'avez pas. À mesure que les villes côtières se développent, dit-il, la valeur du dessalement de l'eau de mer va augmenter rapidement, et il est probable que nous verrons une adoption généralisée.

Dans ce contexte sombre, il y a de bonnes nouvelles. En bref, le dessalement est mûr pour l'amélioration technologique. Une combinaison d'optimisation et d'automatisation pilotées par des capteurs, ainsi que de nouveaux types de membranes, pourrait éventuellement permettre des usines de dessalement deux fois plus petites et consommant proportionnellement moins d'énergie. Entre autres avantages, de petites unités mobiles de dessalement pourraient être utilisées dans des régions agricoles à des centaines de kilomètres de l'océan, où la demande en eau est importante et croissante.

Eau intelligente

Toutes les deux semaines, Yoram Cohen, un ingénieur chimiste qui dirige le Water Technology Research Center de l'Université de Californie à Los Angeles, prend la route pour la vallée de San Joaquin ravagée par la sécheresse. Faisant partie de la vaste section centrale agricole de l'État qui produit une grande partie des produits du pays, la région a beaucoup souffert. L'année dernière, 2014, a été la troisième année consécutive de sécheresse, à un moment où la demande en eau a atteint un niveau record. J'ai rejoint Cohen pour une sortie récente: un trajet en voiture de ses laboratoires à UCLA à la petite ville de Firebaugh, dans l'une des régions agricoles les plus durement touchées de l'État. Le long de la I-5, l'autoroute qui relie les villes de la côte sud de la Californie à sa vallée centrale, nous avons vu de vastes édifices hydrauliques construits dans les années 1950, dont quatre vastes conduites traversant les montagnes de Tehachapi et l'aqueduc californien revêtu de ciment, qui coupe un chemin sinueux à travers le fond de la vallée. Le système d'approvisionnement en eau de l'État, consacré à environ 80 % à l'agriculture et 20 % aux villes, achemine toujours de l'eau pompée depuis le delta de la rivière Sacramento jusqu'à l'aqueduc californien de 444 miles. L'infrastructure de l'eau a fait de la Californie du Sud ce qu'elle est aujourd'hui.

Mais c'est un système soumis à de fortes pressions. Le manque persistant de précipitations en Californie signifie que 80 % de l'État connaît actuellement une sécheresse extrême ou exceptionnelle, imposant des restrictions d'eau dans les zones urbaines et des coupures pour certains agriculteurs. Les résultats sont évidents : des étendues de terres agricoles desséchées sont nouvellement abandonnées ; les panneaux de signalisation signalent des avertissements de sécheresse extrême ; les panneaux plaident Eau = Emplois. Selon une étude récente de l'Université de Californie à Davis, la sécheresse a infligé 1,5 milliard de dollars de pertes agricoles rien qu'en 2014.

Toujours en construction, l'usine de dessalement de Carlsbad, en Californie, sera la plus grande installation de ce type aux États-Unis. En attente d'installation à l'installation, des pompes à turbine en acier inoxydable, enveloppées dans du Mylar protecteur, seront utilisées pour pomper l'eau propre.

Cohen, d'origine israélienne, explique que malgré ces pressions, le dessalement n'a pas fondamentalement changé depuis les années 1980. Le temps qu'il faut pour planifier de grands projets (Carlsbad a pris 14 ans) fait qu'il est difficile pour les investisseurs d'attendre beaucoup de bénéfices des nouvelles technologies, et le financement de la recherche fédérale américaine est allé à d'autres priorités. En outre, il a été possible de recycler ou de conserver l'eau, de sorte qu'un dessalement coûteux a été moins nécessaire. Le revers de la médaille, dit Cohen, est que le dessalement est désormais en mesure d'être transformé par les mêmes types de processus de détection, d'automatisation et contrôlés par des algorithmes qui refont d'autres industries. Je verrais bientôt de quoi il parlait.

Au coucher du soleil de fin octobre, de longues ombres projettent le sol croustillant en haut relief. Nous sommes sortis de la I-5, avons parcouru neuf milles et avons tourné à droite sur un chemin de terre battue entre des pistachiers. C'était le crépuscule et les faisceaux des phares disparaissaient dans le néant plat du désert. Pourtant, quand j'ai ouvert la fenêtre, j'ai senti une bouffée de quelque chose qui sentait vaguement l'air salé de la côte. Les phares ont révélé le coupable : un tuyau vomissant un breuvage de ruissellement agricole très utilisé. Cela avait commencé dans le delta de Sacramento sous forme d'eau douce. Mais il s'est progressivement concentré par évaporation dans le système d'aqueduc, et encore plus à mesure qu'il était appliqué sur les cultures, captait des minéraux dans le sol et était à nouveau appliqué sur les cultures. Elle était maintenant presque aussi saline que l'eau de mer et contaminée par une gamme de minéraux et d'engrais.

Il faut beaucoup d'énergie pour pousser l'eau à travers les membranes.

Cohen m'a conduit à une caravane voisine habitée par deux étudiants diplômés et une vaste collection de réservoirs, de tuyaux, de vannes, de tubes et d'ordinateurs. C'était un système totalement automatisé, capable d'utiliser n'importe lequel des produits saumâtres ou pollués que les agriculteurs de Firebaugh produisent et de générer 30 000 gallons potables par jour. Un écran d'ordinateur affichait une image en noir et blanc en temps réel qui ressemblait à un paysage lunaire. C'était un coup d'un morceau de la membrane polyamide au centre du processus. L'image a révélé quelques morceaux blancs : le début de l'entartrage minéral, un fléau de membranes. Un logiciel d'analyse d'image peut détecter ce qui se passe, et un algorithme peut diriger une vanne pour qu'elle s'ouvre et distribue une solution antitartre dans le système, gardant ainsi une longueur d'avance sur le problème. D'autres capteurs et systèmes de contrôle peuvent entraîner des ajustements pour éviter d'autres problèmes d'encrassement, en modifiant la pression ou le dosage des additifs chimiques utilisés pour le prétraitement.

Cohen attrapa un tube en plastique et tordit un petit robinet. L'eau claire bavait ; il tendit la main pour en prendre, la porta à sa bouche, but un peu et se frotta le reste sur le visage. Si nous pouvons trouver une voiture qui ne nécessite pas de chauffeur, pourquoi ne pouvons-nous pas comprendre comment faire fonctionner une usine d'osmose inverse sans opérateurs ? il a dit.

Les économies pourraient être importantes : des systèmes automatisés comme ceux-ci pourraient probablement économiser entre un tiers et la moitié des coûts des usines de dessalement conventionnelles, dit Cohen. Mais plus que cela, une unité de la taille d'une remorque - capable de s'adapter à différents sites et conditions à l'heure - pourrait simplement rouler et aider les agriculteurs à obtenir de l'eau douce, peu importe par quoi ils commencent.

Membranes magiques

Même si les systèmes deviennent plus intelligents, l'osmose inverse reste un gros consommateur d'énergie. Carlsbad consommera plus de 35 mégawatts d'électricité (ce qui pourrait alimenter environ 30 000 foyers), pour une facture annuelle de 30 millions de dollars. Environ les deux tiers de cette somme iront à la pression d'eau nécessaire pour faire fonctionner la technologie. (L'autre tiers servira principalement à pomper l'eau à 10 miles en amont d'un réservoir, ainsi qu'au prétraitement et au pompage.) Les propriétaires de Carlsbad estiment que l'usine consommera 2,8 kilowattheures par mètre cube pour le dessalement seul. Certains petits systèmes d'osmose inverse, utilisant des processus configurés différemment (faire couler de l'eau par lots plutôt que pomper en continu), atteignent 1,5 à 1,7 kilowattheures, explique Lienhard. Mais la technologie n'a pas été prouvée à plus grande échelle.

Quel est le problème? Il faut beaucoup de travail pour pousser l'eau à travers les membranes, une pression qui se traduit par une consommation d'énergie élevée. Ces membranes en polyamide relativement épaisses, bien que loin d'être idéales, sont les meilleures que nous ayons actuellement. Mais quelques groupes essaient de proposer des matériaux plus efficaces. Au MIT, l'équipe de l'ingénieur en mécanique Rohit Karnik construit des membranes d'un seul atome d'épaisseur, pour aider les molécules d'eau à traverser. Les chercheurs font exploser le graphène avec des faisceaux d'ions et le baignent dans des produits chimiques pour graver des pores de moins d'un nanomètre de diamètre.

En théorie, une membrane essentiellement bidimensionnelle comme celle-ci offre le moins de résistance possible. Les modèles informatiques du groupe de science et d'ingénierie des matériaux de Jeffrey Grossman au MIT ont montré que les membranes de graphène pouvaient réduire l'énergie utilisée dans l'osmose inverse de 15 à 46 %. Mieux encore, la perméabilité élevée pourrait signifier que beaucoup moins de surface est nécessaire pour faire le travail, de sorte que l'ensemble de l'usine pourrait être deux fois plus petit.

Jusqu'à présent, Karnik a fabriqué une membrane de graphène d'un centimètre carré, y a percé des trous et a montré qu'elle peut retenir sélectivement certains ions. Mais il n'a pas encore été démontré qu'il peut réellement dessaler l'eau de mer, même sur une paillasse de laboratoire. Et une fois que lui ou un autre groupe y parvient, le prochain défi consiste à fabriquer de manière fiable des kilomètres de matériaux membranaires avec des caractéristiques cohérentes. Karnik est optimiste qu'il y arrivera, mais il dit qu'il faudra des années avant que les membranes de graphène ne soient prêtes.

Les matériaux membranaires existants pourraient s'améliorer grâce à d'autres approches de nano-ingénierie. Dans une petite section de la bande-annonce de Firebaugh, Cohen mène une expérience avec une membrane conçue par son propre groupe. Une couche de base est en polyamide. Mais ensuite, il ajoute une couche de brosses en forme de tentacules faites de polymères hydrophiles, ce qui signifie qu'elles attirent l'eau. Les premières recherches suggèrent que ces membranes hybrides pourraient bien mieux résister à l'encrassement, car les brosses - qu'il compare au varech se balançant sur un rocher sous-marin - découragent les choses de coller. Cela pourrait signifier moins de temps d'arrêt, moins de remplacements et un débit plus rapide. Mais Cohen, prenant une gorgée de son eau de fossé, exhorte au réalisme. Les gens ont cette obsession qu'il y aura en quelque sorte une membrane magique qui réduira le coût du dessalement à presque rien, et je pense que c'est un peu trompeur, dit-il.

Pour l'instant, dans les municipalités côtières de Californie, l'eau de mer reste l'option de dernier recours, après la conservation, le recyclage, voire le traitement et la réutilisation des eaux usées. Alors que beaucoup envisagent le dessalement, la ville la plus susceptible de suivre les traces de San Diego est Santa Barbara. C'est parce qu'il a déjà construit une usine d'osmose inverse au début des années 1990 après une sécheresse de cinq ans, pour la fermer rapidement lorsque quelques années de bonnes pluies hivernales ont rempli les réservoirs. La ville a récemment décidé de commencer à financer une réhabilitation coûteuse du site afin qu'il puisse être réactivé si nécessaire. D'autres municipalités ont décidé que c'était trop cher ou problématique pour l'environnement (les installations tuent inévitablement les œufs de poisson et d'autres formes de vie marine, à moins que les tuyaux d'admission ne soient enfouis sous le sable à grands frais).

Mais cette évaluation pourrait être renversée. L'eau captée dans des réservoirs ou pompée dans des deltas lointains devient de plus en plus chère, et ces alternatives ont leurs propres coûts environnementaux. Alors que les sources se tarissent et que la concurrence pour l'eau augmente de la part des entreprises, des agriculteurs et des villes, nous nous tournerons inévitablement vers l'eau de mer et d'autres sources salées. Ce n'est peut-être pas une bonne solution, mais l'essentiel est que nous nous retrouvons avec de moins en moins de choix dans un monde qui manque d'eau.

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