Etat des lieux actuel sur l'aspect énergétique d'une usine de dessalement

Etat des lieux actuel sur l'aspect énergétique d'une usine de dessalement

Cette première section permet de justifier l'implantation d'énergies renouvelables en parallèlle du projet Vendéen en  présentant d'une part le contexte énergétique en France et l'importance de la mise en place d'énergies renouvelables et d'autre part en calculant la consommation énergétique de l'usine de dessalement dimensionnée au préalable (Dimensionnement de l'usine). Ces informations sont disponibles sur les pages suivantes.

La consommation énergétique annuelle moyenne de l'usine vendéenne sera utilisée par la suite dans le dimensionnement des installations d'énergies renouvelables. Mais avant cela, il est nécessaire d'évaluer le potentiel des différentes ressources renouvelables présentes en Vendée (Evaluation des ressources renouvelables disponibles).

Revue des énergies actuellement utilisées en France

Revue des énergies actuellement utilisées en France

La production optimale de 40 000 m3 d’eau potable par jour nécessite une consommation énergétique d’environ 200 000 kWh par jour. Différentes sources d’énergies primaires sont actuellement disponibles en France mais engendrent pour la plupart des impacts environnementaux importants.

L’énergie primaire est définie par l’INSEE comme étant «l'ensemble des produits énergétiques non transformés, exploités directement ou importés. Ce sont principalement le pétrole brut, les schistes bitumineux, le gaz naturel, les combustibles minéraux solides, la biomasse, le rayonnement solaire, l'énergie hydraulique, l'énergie du vent, la géothermie et l'énergie tirée de la fission de l'uranium.». La répartition de la production de ces énergies en France en 2011 est représentée ci-dessous (Figure 1).

Figure 1 : Répartition de la production d'énergie primaire en France en 2011
(Insee, 2012)

Le constat est sans équivoque : la principale source de production d’énergie primaire en France est le nucléaire à environ 83 % alors que les énergies renouvelables ne représentent que 15% de la production énergétique.

Pourtant l’énergie nucléaire suscite de nos jours de nombreuses polémiques, d’une part  à cause du spectre des catastrophes de Tchernobyl en 1986 et de Fukushima en 2011 et d’autre part à cause de la gestion et de la dangerosité des déchets radioactifs. Malgré l’indépendance de la France en matière d’énergie grâce à son exploitation, les politiques actuelles visent à réduire la part du nucléaire dans la production énergétique primaire.

Ainsi, la tendance à l’heure actuelle est à l’augmentation de la part des énergies renouvelables dans la production d’énergie en France et en Europe. En effet, l’Union Européenne a fixé dans le Paquet Energie-Climat en 2008 un objectif de « 20% de la consommation d’énergie produite à partir d’énergies renouvelables en 2020 » tandis que la France espère atteindre 23%. (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, 2010).  

Cet objectif ne semble pas irréalisable au vu de l’essor de nouvelles technologies et de l’évolution de la production d’énergies renouvelables au cours de ces dernières années (Figure 2).

Figure 2 : Graphe de l'évolution de la production de l'ensemble des énergies renouvelables en Francesur 4 ans
(Insee, 2012)

Sur l’ensemble des énergies renouvelables on note une baisse de la production entre 2010 et 2011 à cause d’une utilisation moindre de filières plus ou moins controversées comme la filière « Bois-énergie » (capacité des forêts cultivées à fournir les besoins écologiques des forêts primaires), « Biocarburant » (diminution des surfaces disponibles pour la production de produits alimentaires) ou « Hydraulique » (impacts écologique sur la faune piscicole) (Figure 3). Cependant, comme le montre la Figure 4, la production d’autres énergies renouvelables est en constante augmentation.

Figure 3 : Graphe de l'évolution de la production d'énergies renouvelables en France sur 4 ans
(Insee, 2012)

Figure 4 : Graphe de l'évolution de la production d'énergies renouvelables en France sur 4 ans
(Insee, 2012)

 

Ainsi  dans le but d’une réduction des impacts environnementaux de l'usine de dessalement, l’utilisation d’énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien pour alimenter celle de Vendée semble opportune.

Consommation énergétique

Consommation énergétique d'une usine de dessalement

1. Moyennes de consommation énergétique de procédés de traitement de l'eau

Installer des centrales à énergie renouvelable nécessite en premier lieu d'estimer la consommation énergétique de l'usine de dessalement précédemment dimensionnée. Il existe des valeurs moyennes calculées par Veolia Environnement et présentées dans le Tableau 1. Ces valeurs servent de point de départ et apporteront un ordre de grandeur pour les futurs calculs.

Tableau 1 : Consommation éléctrique de filières de production d'eau potable
(F. Vince, S. Debatz, 2007)

Filière de production d’eau potable

Consommation Electrique (Wh/m3 d’eau potable)

Traitement conventionnel

50 – 150

Traitement membranaire (UF ou MF)

100 – 200

Traitement membranaire avancé d’eau de surface ou de nappe

250 – 700

Dessalement d’eau saumatre (NF ou OI)

600 – 1500

Dessalement d’eau de mer avec système de récupération d’énergie (OI)

3000 – 5000

Dessalement d’eau de mer sans système de récupération d’énergie (OI)

5500 – 8000

Dessalement thermique (distillation)

> 6000

Réutilisation d’eau usée (reuse)

250 – 1500

Traitement des boues

5 – 15

Nous avons décidé d'utiliser un procédé de dessalement d'eau de mer avec système de récupération d'énergie consommant en moyenne 3 à 5 kWh/m3 d'eau produite. Cependant, il nous paraît intéressant d'estimer la consommation réelle pour l'usine en Vendée telle que nous l'avons dimensionnée.

2. Calcul de la consommation énergétique de l'usine en Vendée

Pour le calcul de la consommation énergétique de l'usine, nous prendrons en compte les éléments suivants :
- Pompes de captage
- Pompes Hautes Pression (HP)
- Autres sources (éclairage, ventilation, ...)
- Récupérateurs d'énergies (échangeurs de pression, turbines, ...)

Le dimensionnement de l'usine de dessalement sur lequel nous nous basons pour réaliser le calcul de la consommation énergétique a été établi dans le cadre de l'étude (Calcul de la puissance des pompes)

  • Pompe de captage

Afin de déterminer la consommation énergétique de la pompe de captage d'un rendement de 80 % nous avons tout d'abord calculé la puissance théorique minimale pour fournir l'usine en eau avec un débit de 81 000 m3/j pour une hauteur de colonne d'eau de 15 m, avec la formule suivante :

$P_ {1}=\frac{\rho.g.Q.H}{\eta}$ avec $\rho$ =1035,9kg.m3, g=9,81m.s-2 et $\eta$ =0,80

A.N. : $P_ {1}=178~kW$

En multipliant par le nombre d'heures dans une année (8760 en posant l'hypothèse que la pompe fonctionne sans interruptions) on obtient la consommation énergétique en kWh/an, soit C1 = 1,559280 GWh/an.

  • Pompes HP

Les pompes haute pression sont les plus grandes consommatrices d'énergie pour le procédé. Dans le dimensionnement, deux ont été choisies d'une puissance nominale respective de P2 = 7,03 MW et P3 = 2,10 MW. De la même manière que précédemment, en multipliant par le nombre d'heures de fonctionnement, on obtient une consommation énergétique C2 = 61,582 GWh et C3 = 18,396 GWh/an

  • Autres sources

Les autres sources prises en compte sont :

- l'éclairage estimé à P4 = 100 kW soit une consommation de C4 = 0,000876 GWh/an

- la ventilation estimé à P5 = 100 kW soit une consommation de C4 = 0,000876 GWh/an

- le système informatique estimé à P6 = 50 kW soit une consommation de C4 = 0,000438876 GWh/an

- le prétraitement n'a pu être estimé faute de données

  • Consommation totale

La consommation totale de l'usine de dessalement est donc estimé à Ctot = 81,54 GWh. Pour ramener cette donnée en kWh/m3, il suffit de diviser par le nombre de jours dans une année puis par le débit de sortie de l'eau de 40 000 m3. On trouve une consommation de 5,58 kWh/m3 correspondant à la tranche proposée par Veolia dans le Tableau 1 pour une usine de dessalement sans systèmes de récupération d'énergie. 

  • Systèmes de récupération et économie d'énergie

Plusieurs systèmes de récupération d'énergie sont utilisables dans ce procédé. Les effluents étant sous pression, leur passage au travers de turbines couplées à des générateurs constitue une première solution de récupération d'énergie.

La seconde solution consiste à utiliser des échangeurs de pression. Leur rendement supérieur à 90% font de ces systèmes la solution de plus en plus utilisée pour récupérer une part d'énergie.

Cependant nous ne disposons pas de données suffisantes pour estimer l'économie d'énergie faite.

Une autre manière d'économiser de l'énergie est de coupler le procédé d'osmose inverse à la distillation membranaire sous vide (DMV). Ce procédé permet de diminuer les débits et donc de réduire la consommation énergétique des différentes pompes. Les différents calculs ont été réalisés dans la partie du devenir des rejets. (Dimensionnement DMV). On obtient ainsi une consommation énergétique de 4 GWh/an.

3. Consommation énergétique sur l'année

Au cours de ce projet, nous retiendrons la donnée globale fournie par Veolia de 5 kWh/m3 correspondant à une usine de dessalement avec récupérateur d'énergie. Nous avons choisi de réaliser tous nos calculs en prenant compte de la valeur maximum fournie. Nous sommes ainsi certains de produire l'énergie nécessaire afin de subvenir à tous les besoins de l'usine.

Sachant que l'usine de dessalement produira 40 000 m3/j, on obtient une consommation électrique journalière de 200 000 kWh/j. Sur une année, on obtient une consommation énergétique de 73 000 000 kWh/an soit 73 GWh/an.

Cependant, le le RTE (Réseau de Transport d'Electricité, 2013) estime une perte annuelle moyenne de 2,5% de la consommation énergétique. Ainsi, on obtient une consommation réelle de 74,872 GWh/an. Cette dernière donnée sera celle utilisée au cours des différents dimensionnements d'énergies renouvelables.