Technoeconomic Framework for Evaluating Desalination and Brine Management Pathways across the United States

L'eau est la ressource la plus essentielle à la vie humaine, pourtant la manière dont nous y accédons est en train de changer. Pendant des siècles, les sociétés se sont appuyées sur les rivières, les lacs et les aquifères souterrains pour combler leurs besoins. Mais à mesure que les populations croissent et que les climats se modifient, ces sources traditionnelles deviennent sous tension ou s'épuisent. En réponse, les ingénieurs se sont tournés vers les océans et les couches plus profondes et plus salées de la terre pour trouver de l'eau douce. Le processus de retrait du sel de l'eau, connu sous le nom de dessalement, est un outil puissant, mais il crée un sous-produit : un liquide épais et salé appelé saumure. La gestion de ce déchet est tout aussi critique que la production de l'eau douce elle-même. Si elle n'est pas traitée, la saumure peut nuire à l'environnement, mais s'en débarrasser coûte de l'argent et de l'énergie. La question centrale à laquelle les planificateurs de l'eau sont confrontés aujourd'hui n'est pas seulement de savoir comment produire de l'eau douce, mais comment le faire de manière abordable et sûre, selon l'endroit où se trouve une communauté et le type d'eau salée dont elle dispose au départ.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Géorgie a développé une nouvelle façon de répondre à cette question pour l'ensemble des États-Unis. Ils ont créé une carte détaillée qui calcule le coût réel de la transformation de différents types d'eau salée en eau douce, tout en tenant compte du coût du traitement du résidu de saumure. Leur travail examine trois sources principales d'eau salée : l'eau de mer provenant des côtes, les eaux souterraines saumâtres trouvées à l'intérieur des terres, et les eaux de production, qui sont un liquide salé remonté à la surface lors du forage pétrolier et gazier. Pour chaque source, ils ont testé trois méthodes différentes pour gérer les déchets : les rejeter dans l'océan, les injecter profondément dans le sol, ou utiliser un système complexe pour évaporer toute l'eau et récupérer le sel solide. En effectuant des milliers de calculs à travers le pays, ils ont découvert que la meilleure solution dépend entièrement de deux facteurs : la salinité de l'eau et la distance du site par rapport à l'océan.

Les chercheurs ont découvert que pour les villes côtières, l'approche la plus simple est souvent la meilleure. Si une usine est proche de la mer, elle peut pomper l'eau de mer à travers un filtre pour produire de l'eau douce, puis renvoyer la saumure salée dans l'océan. Cette méthode est peu coûteuse, coûtant entre un et un dollar et demi pour chaque mètre cube d'eau produite. Cependant, cette option devient impraticable à mesure que l'on s'éloigne des côtes vers l'intérieur des terres. Transporter de l'eau douce depuis la côte vers un endroit comme Denver, par exemple, ajoute un tel coût que le prix total grimpe à environ trois dollars et demi par mètre cube. L'étude montre que pour les zones intérieures, il est plus judicieux de traiter l'eau salée locale plutôt que de transporter de l'eau depuis la côte.

En examinant les sources de l'intérieur des terres, le type d'eau importe énormément. Pour les zones possédant des eaux souterraines légèrement salées, la méthode la plus économique pour gérer les déchets consiste à les pomper profondément dans le sol dans des formations géologiques, une méthode appelée injection en puits profond. Cela évite le coût élevé du transport de ce liquide lourd et salé vers l'océan. Les chercheurs ont constaté que pour les eaux à faible teneur en sel situées loin des côtes, tenter de récupérer le sel est généralement une opération financière perdante. L'équipement nécessaire pour faire bouillir l'eau et collecter le sel est coûteux à construire et à exploiter, et la petite quantité de sel récupérée ne peut pas compenser le coût du processus. Dans ces cas, le coût de production de l'eau reste compris entre un et trois dollars par mètre cube, mais le système de récupération du sel ajoute trop de dépenses supplémentaires pour en valoir la peine.

La situation change lorsque l'eau est très salée, comme c'est le cas pour les eaux de production issues des opérations pétrolières et gazières. Dans ces cas de haute salinité, l'économie s'inverse. Parce qu'il y a tellement de sel dans l'eau, un système qui récupère le sel peut en fait générer des revenus en vendant celui-ci. Ces revenus permettent de compenser le coût élevé de l'équipement nécessaire pour concentrer et cristalliser la saumure. L'étude suggère que pour ces sources spécifiques et très salées de l'intérieur des terres, un système de rejet liquide nul — où aucune eau ne quitte l'usine sous forme de déchet — est une option viable et parfois préférée. Les chercheurs ont noté que pour ces alimentations à haute teneur en sel, la récupération du sel peut transformer un problème de déchet coûteux en une source de revenus, rendant l'ensemble du processus plus abordable.

Pour visualiser ces résultats, l'équipe a créé un guide qui sert d'outil de décision pour les planificateurs de l'eau. Il montre que si une communauté se trouve à environ 500 à 700 kilomètres de la côte, pomper l'eau de mer et rejeter la saumure dans l'océan est la voie la moins chère. Si la communauté est plus loin à l'intérieur des terres mais possède une eau à faible teneur en sel, l'injection des déchets dans le sol est le meilleur choix. Si l'eau de l'intérieur des terres est très salée, alors la récupération du sel devient la stratégie économique la plus sensée. Ce cadre permet de dépasser l'approche uniformisée, en reconnaissant qu'une solution qui fonctionne pour une ville côtière en Californie ne fonctionnera pas pour une ville située au milieu du pays.

L'étude a également comparé ces méthodes de dessalement à une autre technologie émergente : l'extraction de l'eau directement de l'air. Bien que la capture de l'humidité de l'atmosphère puisse sembler être une solution parfaite pour les endroits arides, les chercheurs ont constaté qu'elle est nettement plus coûteuse que le dessalement, coûtant environ onze à treize dollars par mètre cube. Ce prix élevé signifie que l'extraction de l'eau de l'air n'est une option réaliste que pour de très petites communautés isolées où aucune eau salée n'est disponible et où le transport de l'eau depuis n'importe quel autre endroit est impossible. Pour la grande majorité de la population, la voie à suivre réside dans la gestion des sources d'eau plus salées déjà présentes dans le sol et la mer.

En fin de compte, cette recherche fournit une feuille de route claire et basée sur les données pour l'avenir de l'eau aux États-Unis. Elle confirme que si le dessalement est un outil nécessaire pour lutter contre la pénurie d'eau, son succès dépend de l'adéquation de la bonne technologie au bon emplacement. En comprenant les coûts spécifiques de transport, la salinité de l'eau locale et la valeur des produits de déchets, les communautés peuvent choisir une voie qui est non seulement techniquement possible, mais aussi économiquement durable. Les travaux suggèrent qu'avec une planification minutieuse, les États-Unis peuvent étendre leur approvisionnement en eau douce pour répondre aux besoins de leur population croissante sans se ruiner ni nuire à l'environnement.