Les États-Unis et de nombreuses autres régions du monde sont sous le choc d'une grave sécheresse. Une solution possible est le dessalement de l'eau de mer, mais est-ce une solution miracle ?

L'ouest des États-Unis connaît actuellement ce qu'un paléoclimatologue a appelé "potentiellement la pire sécheresse en 1, 200 ans." La région a connu de nombreuses sécheresses dans le passé, y compris les « mégasécheresses » qui durent des décennies, mais le changement climatique rend les années sèches plus sèches et les années humides plus humides. Des températures plus élevées réchauffent le sol et l'air plus rapidement, et l'évaporation accrue assèche le sol et diminue la quantité de précipitations qui atteint les réservoirs. Le réchauffement entraîne également une diminution du manteau neigeux nécessaire pour reconstituer les rivières, ruisseaux, réservoirs et humidifier le sol au printemps et en été.

Environ 44% des États-Unis connaissent un certain niveau de sécheresse avec près de 10% de "sécheresse exceptionnelle". Les feux de forêt font actuellement rage dans 13 États, aggravée par les conditions chaudes et sèches. Il y a eu des coupures d'eau sans précédent dans le fleuve Colorado, qui fournit de l'eau à sept États, et des fermetures de centrales hydroélectriques. Les aquifères des villes qui dépendent de l'eau de puits sont épuisés, obligeant les résidents à transporter l'eau par camion. Normalement, l'agriculture consomme plus de 90 pour cent de l'eau dans de nombreux États occidentaux, mais la sécheresse a fait chuter les rendements; certains agriculteurs ont réduit leur superficie ou changé leurs cultures pour des cultures moins gourmandes en eau, tandis que d'autres feront probablement faillite. Les éleveurs doivent vendre une partie de leurs troupeaux. Mais même si les habitants font face à ces difficultés, de plus en plus de personnes s'installent dans la région.

Entre 1950 et 2010, le taux de croissance du Sud-Ouest était le double de celui du reste du pays. La population américaine devrait continuer de croître jusqu'en 2040, avec plus de la moitié de cette croissance dans des zones qui ont connu une grave sécheresse au cours des dix dernières années. De nombreuses personnes continuent de se déplacer vers une région qui devrait devenir encore plus sèche dans les années à venir, tout comme le dernier rapport du GIEC prédit que le changement climatique intensifiera les sécheresses dans ces régions.

Tous les autres continents du monde connaissent également une grave sécheresse, sauf l'Antarctique. Et l'ONU a averti que 130 pays supplémentaires pourraient être confrontés à des sécheresses d'ici 2100 si nous ne faisons rien pour freiner le changement climatique. Mais dès 2025, les deux tiers de la population mondiale pourraient être confrontés à des pénuries d'eau, selon le Fonds mondial pour la nature. Cela pourrait entraîner des conflits, l'instabilité politique, et le déplacement de millions de personnes.

La rareté de l'eau douce peut également rendre plus difficile la décarbonisation de la société - quelque chose que nous devons faire pour empêcher un changement climatique catastrophique - car certaines stratégies pour y parvenir pourraient aggraver la pression sur les ressources en eau. Hydrogène vert, considéré comme essentiel pour éliminer les émissions de l'aviation, expédition, camionnage, et l'industrie lourde, est produit par électrolyse, qui sépare l'eau en hydrogène et oxygène. Cependant, le processus nécessite de grandes quantités d'eau purifiée. On estime qu'il en faut neuf tonnes pour produire une tonne d'hydrogène, mais en réalité, le processus de traitement utilisé pour purifier l'eau nécessite deux fois plus d'eau impure. En d'autres termes, 18 tonnes d'eau sont vraiment nécessaires pour produire une tonne d'hydrogène vert. Énergie nucléaire, considéré par le GIEC comme un outil important pour atteindre nos objectifs climatiques, dépend aussi de l'eau douce pour le refroidissement, mais à mesure que les pénuries d'eau augmentent, les centrales nucléaires peuvent être contraintes de réduire leur capacité ou de fermer.

Où il y a de l'eau

Alors que la majeure partie de notre planète est recouverte d'eau, seulement trois pour cent de celle-ci est de l'eau douce et seulement un tiers de celle-ci est disponible pour l'homme puisque le reste est gelé dans les glaciers ou inaccessible en profondeur. Pendant ce temps, le réchauffement climatique continue de faire fondre plus de glaciers chaque année et d'augmenter l'évaporation, diminuant nos ressources en eau douce.

En raison de la rareté de l'eau, certaines parties du monde se sont tournées vers le dessalement pour l'eau potable. Le dessalement (dessalement) consiste à éliminer le sel et les minéraux de l'eau salée, généralement l'eau de mer. Ce processus se produit naturellement lorsque le soleil chauffe l'océan - l'eau douce s'évapore de la surface et tombe ensuite sous forme de pluie. Les régions arides comme le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord dépendent depuis longtemps de la technologie de dessalement pour leur eau douce. Aujourd'hui, plus de 120 pays ont des usines de dessalage, l'Arabie saoudite produisant plus d'eau douce par dessalage que tout autre pays. Les États-Unis possèdent également un certain nombre d'usines de dessalement, la plus grande de l'hémisphère occidental étant située à Carlsbad, CALIFORNIE. Une nouvelle usine de dessalage de 1,4 milliard de dollars à Huntington Beach, CA devrait être approuvé prochainement.

Approches de dessalement

Le desal se fait généralement de deux manières. La distillation thermique consiste à faire bouillir de l'eau de mer, qui produit de la vapeur qui laisse le sel et les minéraux derrière. La vapeur est ensuite collectée et condensée par refroidissement pour produire de l'eau pure. La deuxième méthode est la filtration membranaire qui pousse l'eau de mer à travers des membranes qui piègent le sel et les minéraux d'un côté et laissent passer l'eau pure.

Avant les années 1980, 84 pour cent du dessal utilisé la méthode de distillation thermique. Aujourd'hui, environ 70 pour cent du dessalement mondial se fait avec une méthode de filtration membranaire appelée osmose inverse, car c'est la méthode la moins chère et la plus efficace. En osmose naturelle, les molécules se déplacent spontanément à travers une membrane d'une solution avec moins de substances dissoutes à une solution plus concentrée, égaliser les deux côtés. Mais en osmose inverse, l'eau plus salée se déplace à travers une membrane vers une solution moins salée. Parce que cela fonctionne contre l'osmose naturelle, l'osmose inverse nécessite une pression élevée pour pousser l'eau à travers les membranes semi-perméables. L'eau douce résultante est ensuite stérilisée, généralement avec la lumière ultraviolette.

Préoccupations concernant le dessalement

Bien que le desal puisse être la seule solution pour certaines régions, il est cher, consomme beaucoup d'énergie et a des effets néfastes sur l'environnement.

"Le dessalement de l'eau de mer est l'un des moyens les plus coûteux d'obtenir de l'eau, " dit Ngai Yin Yip, professeur adjoint d'ingénierie de la terre et de l'environnement à l'Université de Columbia. « Cela est simplement dû au fait que retirer le sel de l'eau n'est pas une chose facile à faire. Mais nous devons avoir de l'eau - il n'y a tout simplement pas de substitut à l'eau. Cela peut donc être coûteux. Mais le fait que nous ne pouvons pas survivre sans eau signifie que c'est un coût nécessaire."

Les installations de dessalement à grande échelle sont très coûteuses à construire et les usines consomment beaucoup d'énergie. Les installations de distillation thermique nécessitent de l'énergie pour faire bouillir l'eau en vapeur et de l'électricité pour actionner les pompes. L'osmose inverse ne nécessite pas d'énergie pour générer de la chaleur, mais dépend de l'énergie pour l'électricité pour entraîner ses pompes à haute pression. En outre, l'encrassement des membranes par des sels moins solubles, produits chimiques, et les micro-organismes peuvent avoir un impact sur leur perméabilité et réduire la productivité, s'ajoutant aux coûts de maintenance et d'exploitation.

Selon Yip, le moyen le plus économique de procéder au dessalement est de cibler les sources d'eau qui contiennent moins de sel, comme les eaux souterraines. "Moins il y a de sel, moins il faut de travail pour l'enlever, " a-t-il dit. " Donc, d'un point de vue purement économique, l'eau souterraine serait plus économique que l'eau de mer. » Le dessalement de l'eau souterraine peut se faire de manière durable dans les endroits où elle est abondante. Mais là où elle diminue, puiser les eaux souterraines peut entraîner un affaissement des terres, ou dans les zones côtières, à l'intrusion d'eau salée de l'aquifère. S'il n'y a pas d'eau souterraine disponible, Yip pense que l'osmose inverse de l'eau de mer est la meilleure technologie à utiliser.

De nombreuses plantes du Moyen-Orient, cependant, utiliser des centrales thermiques plus anciennes qui fonctionnent aux combustibles fossiles. Par conséquent, les usines de dessalage émettent actuellement 76 millions de tonnes de CO 2 chaque année. Alors que la demande de desal devrait augmenter, les émissions mondiales liées au desal pourraient atteindre 400 millions de tonnes de CO 2 par an d'ici 2050.

Le desal a également des impacts sur l'environnement marin en raison de la quantité de saumure qu'il produit. Pour chaque unité d'eau pure produite, environ 1,5 unité de saumure concentrée - deux fois plus salée que l'eau de mer et polluée par du cuivre et du chlore utilisé pour prétraiter l'eau pour l'empêcher d'encrasser les membranes - en résulte. Globalement, chaque jour, plus de 155 millions de tonnes de saumure sont rejetées dans l'océan. Si de la saumure est libérée dans une zone calme de l'océan, il coule au fond où il peut menacer la vie marine. Une étude de 2019 de l'usine de dessalement de Carlsbad près de San Diego qui dilue sa saumure avant de la relâcher, constaté qu'il n'y avait pas d'impact direct sur la vie marine, cependant, les niveaux de sel dépassaient les limites autorisées et le panache de saumure s'étendait plus loin au large que ce qui était autorisé.

Améliorer le dessalement

Des chercheurs du monde entier tentent de résoudre les problèmes de desal. Voici quelques exemples de certaines de leurs solutions.

Énergie renouvelable

NEOM est une ville-État intelligente futuriste de 500 milliards de dollars en cours de construction dans le nord-ouest de l'Arabie saoudite le long des rives de la mer Rouge. Pour fournir de l'eau à environ un million de futurs habitants, il construira un système de dessalement solaire innovant comprenant un dôme de verre et d'acier de 25 mètres de haut sur un chaudron d'eau. L'eau de mer est acheminée à travers un aqueduc vitré et chauffée par le soleil lorsqu'elle pénètre dans le dôme. Là, des miroirs paraboliques concentrent le rayonnement solaire sur le dôme, surchauffer l'eau de mer. En s'évaporant, highly pressurized steam is released and condenses as fresh water, which is piped to reservoirs and irrigation systems. The system is completely carbon neutral and theoretically reduces the amount of brine waste produced. NEOM, expected to be completed in 2025, claims it will produce 30, 000 cubic meters of fresh water per hour at 34 cents per cubic meter.

The U.S. Army and the University of Rochester researchers have developed a simple and efficient method of desalinating water also dependent on the sun's energy. Using a laser treatment, they created a "super-wicking" aluminum panel with a grooved black surface that makes it super absorbent, enabling it to pull water up the panel from a water source. The black material, heated by the sun, evaporates the water, a process made more efficient because of its super-wicking nature. The water is then collected, leaving contaminants behind on the panel, which is easy to clean. It can be reconfigured and also be angled to face the sun, absorbing maximum sunlight, and because it is moveable, could easily be used by military troops in the field. Larger panels would potentially enable the process to be scaled up.

European companies are developing the Floating WINDdesal in the Middle East, a seawater desal plant powered almost entirely by wind energy. The floating semi-submersible plant is being built in three sizes, with the largest expected to be able to produce enough water for 500, 000 personnes. The plants can be moved by sea, making them easy to mobilize for emergencies and can be deployed in deeper water where brine disposal would have less impact on marine life. Because they float, they will not be affected by rising sea levels.

Membranes

Membrane research is focused on increasing membrane permeability which would reduce the amount of pressure needed, reducing the fouling that occurs, and making membranes more resilient to high pressure.

A discovery by scientists at the University of Texas, Penn State and DuPont could improve the flow of water through membranes and increase their efficiency, which would mean that reverse osmosis would not require as much pressure. Using an electron microscope technique, the researchers discovered that the densely packed polymers that make up even the thinnest membranes could slow the water flow. The most permeable membranes are those that are more uniformly dense at the nanoscale, and not necessarily the thinnest. The discovery could help makers of membranes improve their performance.

Reverse osmosis desal is hindered when microorganisms grow on the membrane surface, slowing the flow of water. Some coatings that have been used to prevent this "biofouling" of membranes are hard to remove, so they result in more energy use as well as more chemicals released into the sea. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) researchers created a nontoxic coating that adheres to the membrane and can be removed with a flush of high-saline solution.

Desal without membranes

Columbia University engineers led by Yip, developed a method called temperature swing solvent extraction (TSSE) that doesn't use membranes at all to desalinate. The efficient, évolutif, and low-cost technique uses a solvent whose water solubility—the amount of a chemical substance that can dissolve in water—changes according to temperature.

A basse température, the solvent mixed with salt water draws in water molecules but not salt. After all the water is sucked into the solvent, the salts form crystals that can easily be removed. The solvent and its absorbed water are then heated to a moderate temperature, enabling the solvent to release the water, which forms a separate layer below. The water can then be collected. Yip explained that the process is designed to deal with very salty water, which reverse osmosis cannot handle. Par exemple, the water that comes up during oil and gas extraction can be five to seven times saltier than regular seawater. The textile industry also produces very salty water because of the solutions it uses to dye cloth. According to Yip, TSSE is not the best way to obtain drinking water, but it could help replenish our water resources for other needs.

Brine

Brine impacts can be lessened by how much brine is discharged and how the desal process is carried out.

Stanford University researchers have developed a device that can turn brine into useful chemicals.Through an electrochemical process, it splits the brine into positively charged sodium and negatively charged chlorine ions. These can then be combined with other elements to form sodium hydroxide, hydrogène, and hydrochloric acid. Sodium hydroxide can be used to pretreat seawater going into the desal plant to minimize fouling of the membranes. It is also involved in the manufacture of soap, papier, détergents, explosives and aluminum. Hydrochloric acid is useful for cleaning desal plants, producing batteries, and processing leather; it is also used as a food additive and is a source of hydrogen. Turning brine components into chemicals that have other purposes would decrease brine waste and its environmental damage, as well as improve the economic viability of desalination.

Diluting brine can also lessen its impacts. "You take more seawater, and you premix it [with the brine] in an engineered reactor, " said Yip. "Now the salinity of that mix is not two times saltier than seawater. It's still saltier than seawater, but it's lower. And instead of discharging it at one point, you discharge it at several points with diffusers. These are engineering approaches to try to minimize the impacts of brine, " il expliqua.

Other solutions for the drought

Despite improvements in desal's environmental and economic profile, cependant, it is still an expensive solution to water scarcity. This is especially so given that most water in the U.S. is used for agriculture, prendre des douches, and flushing toilets. Newsha Ajami, the director of urban water policy at Stanford, said "I disagree with using tons of resources to clean the water up just to flush it down the toilet."

Recyclage de l'eau

Paulina Concha Laurrari, a senior staff associate at the Columbia Water Center, said "Water reuse definitely has to be an important part of the solution. Our wastewater can get treated, either to potable standards, like it's been done in other parts of the world and even in California, or to a different standard that can be used for agriculture or other things."

Recycling the approximately 50 million tons of municipal wastewater that is discharged daily around the U.S. into the ocean or an estuary could supply 6 percent of the nation's total water use. Recycled water can be used for irrigation, watering lawns, parks and golf courses, for industrial use and for replenishing aquifers. The House of Representatives is considering a bill that would direct the Secretary of the Interior to establish a program to fund water recycling projects and build water recycling facilities in 17 western states through 2027.

The technology to recycle water has been around for 50 years. Wastewater treatment facilities add microbes to wastewater to consume the organic matter. Membranes then are used to filter out bacteria and viruses, and the filtered water is treated with ultraviolet light to kill any remaining microbes. The water can be used for agriculture or industry, or it can be pumped into an aquifer for storage. When it is needed for drinking water, it can be pumped out and repurified. If the water is for human consumption, some minerals are added back in to make it more drinkable.

Waste not

Every year in the U.S., approximately 9 billion tons of drinking water are lost due to leaking faucets, pipes and water mains, and defective meters. President Biden's $1.2 billion infrastructure plan includes substantial sums for upgrading clean drinking water and wastewater infrastructure.

Aux Etats-Unis., 42 billion tons of untreated stormwater enter the sewage system and waterways and ultimately the ocean each year. This means that the rainwater that could soak into the ground to replenish groundwater supplies is lost. Green infrastructure, comme les toits verts, rain gardens, des arbres, and rain barrels, would reduce some of this water waste.

Sensible water use

It's also important to figure out how to put the water that's available to the best use in a particular area. "Par exemple, having a better planning strategy of what is the best use for water, like what to plant where, " said Laurrari. "Instead of using it, dire, for alfalfa, how do we use it for higher value crops? Or even tell farmers, "I will pay you not to use this water' and the state can have it to replenish our aquifers or to source cities or something else."

Determining the most reasonable and economical uses for water would help everyone understand and appreciate its true value. "In some of these places where they're having droughts, there are still people who are watering their lawns, and happily paying the fine, " said Yip. "So really, there's a mismatch between what is happening and what the reality is. We need to adjust our activities such that we are not putting that kind of a human-imposed strain on the water supply. We need to be thinking about how we make drastic wholesale changes to the way we organize our activities that actually make sense."

Israel's example

Israel is located in one of the driest regions of the world and has few natural water resources, cependant, it is considered "the best in the world in water efficiency" according to Global Water Intelligence, an international water industry publisher.

Israeli children are taught about water conservation beginning in preschool, and adults are reminded not to waste water in television ads. Low-flow showerheads and faucets are mandatory, and Israeli toilets usually have two different flushing options for urine and bowel movements. The country adopted drip irrigation, which uses half the water than does traditional irrigation while producing more yield. Israel also resolutely attends to small leaks in pipes before they become large. En outre, 75 percent of its wastewater is recycled, more than that of any other country. And because Israelis pay for their water themselves, they are careful about how much they use and readily adopt water-saving technology. Par conséquent, it's estimated that the average Israeli consumes half as much water each day as the average American.

Israel began desalination in the 1960s. Today it has five desal plants with two more on the way and will soon get 90 percent of its water from desal.

While Israel has invested a lot of money in desal, it has also made huge investments in water awareness and water efficiency. These other measures enabled the country to delay building desal plants and build them more economically and smaller than they would otherwise have needed to be because the citizens were already conserving water.

101 things you can do

Here are 100 ways to conserve water.

And one more. "Become more actively involved with the decisions that government makes in terms of investments of infrastructure, " said Laurrari, "Because yes, you can conserve water at home, but what is really going to matter is what's done at the larger scale by politicians. So having a more active role, knowing where your water comes from, and what your local issues are is important."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.