BIENVENUEBIENVENUE- Présentation du cours- Présentation du … · 2018. 10. 2. · Economie...
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ÉC OLE POLY TEC H NIQU EFÉDÉRALE D E LAUSAN NE
Economie Hydraulique
1 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
BIENVENUE - Présentation du coursBIENVENUE - Présentation du cours
• Intervenants : Eric DAVALLE, Dr Ingénieur civil EPFLDirection du Service de l’électricité de Lausanne
Patrice DROZ, Dr Ingénieur civil EPFL
Direction de STUCKY SA
• Quand : chaque jeudi du semestre d’été (GCA330)
• Durée : de 16h15 à 18h00
• Examen : écrit
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Economie Hydraulique
2 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Présentation du cours – Partie I (Eric Davalle)Présentation du cours – Partie I (Eric Davalle)
" Économie hydraulique "
Économie Hydraulique - Eau
1. Économie : historique et crises
2. Les moteurs de l’économie en 2011
3. Économie et court terme
4. Économie et long terme
5. Développement durable et l’eau
6. Économie et eau, quelles difficultés ?
7. Eau et origine
8. Eau et ressources
9. Eau et enjeux mondiaux (2)
10. Eau et son vrai prix
11. Eau et optimisation d’ouvrages
12. Eau et financements desaménagements
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
L’EAU : Difficultés techniques rencontrées
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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Rupture du barrage de Zayzoun (Syrie)
Difficultés techniques rencontrées
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Les sommes financières engagées sont énormes (le coût d’un aménagement hydroélectrique peut parfois dépasser le milliard de US$ !)
Les responsabilités (financières et techniques) sont très importantes
Les ouvrages sont complexes car leurs formes sont variées et soumis à un environnement très hétérogène
Souvent, les problèmes rencontrés sont à l’échelle des ouvrages à réaliser (sous-pressions, tassements, …)
L’économie ou la technique ne sont pas toujours les seuls critères (écologie et impacts sociaux et environnementaux)
Difficultés techniques rencontrées
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a) Difficultés relatives aux matériaux et conditions locales
L’acier
Le béton
Les enrochements ou autres
La topographie et les conditions hydrauliques locales
Les conditions géologiques et hydrogéologiques
Difficultés techniques rencontrées
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b) Difficultés relatives au site
Barrage de Nourek (Tadjikistan)
1
Vallée auxpentes instables
2
Barrage ”digue”contrôles à long
terme ?
3Sécurité des
populations etdes activités
industrielles ?
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b) Difficultés relatives au site
L’ingénieur restera toujoursconfronté au défi d’uneréalisation sur mesure
Evacuateur de crue (interaction béton-rocher)
Tranchée couverte du TSOL et desdifficultés de réalisation dues au sous-sol
très hétérogène localementCaverne d’une centrale souterraine
Grandes dimensions
Herse contre le transport de corps étrangers
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c) Difficultés relatives au choix des dimensions de l’ouvrage
Souvent l’expérience remplace avantageusement une analyse technico-économique impossible à établir sérieusement
Trop d’hypothèses ou variables contradictoires:
Ex1 : optimiser entre l’efficacité et le coût d’un ouvrage comme un dessableur, alors qu’ils évoluent en sens inverse !
Attention au coût d’études par rapport au coût des ouvrages ( < à 15% )
Intérêt économique pas significatif
Ex2 : optimiser la hauteur optimale d’une chambre d’équilibre (contre les surpressions de type coups de bélier), alors que son coût est de l’ordre de 5% de celui de la galerie qu’elle protège. En pareil cas, les règles de l’art techniques s’imposent
Difficultés techniques rencontrées
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c) Difficultés relatives au choix des dimensions de l’ouvrage
Les questions d’accès, de facilité d’exploitation et de manutention priment
Ex3 : démontage d’un groupe générateur pour sa réparation ou son remplacement dans une caverne souterraine pose le problème contradictoire d’une place nécessaire pour les opérations et de dimensions des ouvrages souterrains à réduire au maximum pour minimiser les coûts
La prise en compte de variables liés à la sécurité
Ex5 : dispositif d’aération d’écoulement d’une conduite à isoler de tout autre dispositif de manœuvre manuel pour éviter des accidents (ouvrier aspiré !)
Ex4 : mise en place du blindage (viroles métalliques) d’une conduite forcée fortement inclinée. Décision de réduire le poids pour la mise en place par l’utilisation un acier à haute résistance (réduction de l’épaisseur des tôles)
Difficultés techniques rencontrées
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L’EAU : Étapes relatives aux études
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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Cycle de vie d’un ouvrage
Étapes relatives aux études
Identification,études préliminaires,coût estimatif,
recherche de financementsDÉCISION DE POURSUIVRE
LES ÉTUDES
Études de détail,suivi des délais et
contrôle des coûts deconstruction jugée conforme
OUVRAGE RÉALISÉ
Exploitation et maintenancede l’ouvrage, programmedu suivi des opérations,
programme d’investissementsDÉCISION DE RÉHABILITER ou D’ÉTENDRE
Études conceptuelles,établissement des conditions
de réalisation et calcul du coûtDÉCISION DE CONSTRUIRE
Études complémentaires,ouvrage rénové ou étendu
POURSUITE D’EXPLOITATION
1
2
4
5
3
Identification,études préliminaires,coût estimatif,
recherche de financementsDÉCISION DE POURSUIVRE
LES ÉTUDES
Études de détail,suivi des délais et
contrôle des coûts deconstruction jugée conforme
OUVRAGE RÉALISÉ
Exploitation et maintenancede l’ouvrage, programmedu suivi des opérations,
programme d’investissementsDÉCISION DE RÉHABILITER ou D’ÉTENDRE
Études conceptuelles,établissement des conditions
de réalisation et calcul du coûtDÉCISION DE CONSTRUIRE
Études complémentaires,ouvrage rénové ou étendu
POURSUITE D’EXPLOITATION
Identification,études préliminaires,coût estimatif,
recherche de financementsDÉCISION DE POURSUIVRE
LES ÉTUDES
Études de détail,suivi des délais et
contrôle des coûts deconstruction jugée conforme
OUVRAGE RÉALISÉ
Exploitation et maintenancede l’ouvrage, programmedu suivi des opérations,
programme d’investissementsDÉCISION DE RÉHABILITER ou D’ÉTENDRE
Études conceptuelles,établissement des conditions
de réalisation et calcul du coûtDÉCISION DE CONSTRUIRE
Études complémentaires,ouvrage rénové ou étendu
POURSUITE D’EXPLOITATION
1
2
4
5
3
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ÉTUDES DEFAISABILITÉ
ÉTUDES DEFAISABILITÉ
ECONOMIQUESOCIALE et
ENVIRONNEMENTALE
ECONOMIQUESOCIALE et
ENVIRONNEMENTALE
TECHNIQUESTECHNIQUES
ÉTUDES DEVARIANTES
ÉTUDES DEVARIANTES
OPTIMISATIONTECHNIQUE
OPTIMISATIONTECHNIQUE
RECHERCHED’ÉCONOMIES
RECHERCHED’ÉCONOMIES
Avant-projetsommaire (APS)
Avant-projetsommaire (APS)
Avant-projetdétaillé (APD)Avant-projet
détaillé (APD)
Études pluridisciplinaires et optimisation
PROJETDÉFINITIF
PROJETDÉFINITIF
SOUMISSIONSOPTIMISATION
DESQUANTITÉS
SOUMISSIONSOPTIMISATION
DESQUANTITÉS
PROJETD’ÉXÉCUTION
PROJETD’ÉXÉCUTION
SUPPORT A LA RECHERCHEDE FINANCEMENT ET
OPTIMISATION FINANCIÈRE
SUPPORT A LA RECHERCHEDE FINANCEMENT ET
OPTIMISATION FINANCIÈRE
MONTAGE D’UNPARTENARIATTECHNIQUE
MONTAGE D’UNPARTENARIATTECHNIQUE MANAGEMENT
DE PROJETOPTIMISATION
DU TEMPS
MANAGEMENTDE PROJET
OPTIMISATIONDU TEMPS
CONSEILS ÀL’ENTREPRISE
CONSEILS ÀL’ENTREPRISE
RÉALISATION
Étapes relatives aux études
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Exemple de calculs d’optimisation, contrôle et vérification
Iran, 1997
Suisse, 1997
Suisse, 1998
Suisse, 1998
Turquie, 1999
Suisse, 1999Suisse, 1999
Suisse, 1999
Iran, 1997
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Étapes des études en Suisse
ANALYSE DUPROBLÈME,
DÉFINITION DE LA MISSION ET RECHERCHE
DES DONNÉES
ANALYSE DUPROBLÈME,
DÉFINITION DE LA MISSION ET RECHERCHE
DES DONNÉES
PRÉPARATION D’UN ÉVENTAIL DE SOLUTIONS
ET CHOIX
PRÉPARATION D’UN ÉVENTAIL DE SOLUTIONS
ET CHOIX
ETUDES DE OU DES
SOLUTIONS RETENUES ET
PRÉDIMEN-SIONNENENTS
ETUDES DE OU DES
SOLUTIONS RETENUES ET
PRÉDIMEN-SIONNENENTS
DIMENSION-NEMENT ET
PRÉPARATION DES
DOCUMENTS POUR LA
DEMANDE D’AUTORISA-
TION DE CONSTRUIRE
DIMENSION-NEMENT ET
PRÉPARATION DES
DOCUMENTS POUR LA
DEMANDE D’AUTORISA-
TION DE CONSTRUIRE
PRÉPARATION DES
DOCUMENTS DE
SOUMISSIONS ET
PROCÉDURE
PRÉPARATION DES
DOCUMENTS DE
SOUMISSIONS ET
PROCÉDURE
ETU
DE
SR
ÉA
LIS
ATI
ON
ÉTUDESPRÉLIMINAIRE
ÉTUDESPRÉLIMINAIRE
AVANT-PROJET
AVANT-PROJET
PROJETDÉFINITIF
PROJETDÉFINITIF
TRAVAILPRÉPARATOIRE
TRAVAILPRÉPARATOIRE
APPELSD’OFFRES
APPELSD’OFFRES
PROJETD’ÉXÉCUTION
PROJETD’ÉXÉCUTION
DIRECTIONGÉNÉRALE
DIRECTIONGÉNÉRALE
DIRECTION LOCALEDES TRAVAUX
DIRECTION LOCALEDES TRAVAUX
DOSSIER DEL’OUVRAGE EXÉCUTÉ
DOSSIER DEL’OUVRAGE EXÉCUTÉ
GARANTIE ETVÉRIFICATION
FINALE
GARANTIE ETVÉRIFICATION
FINALE
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L’EAU : Estimation du coût des ouvrages
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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Evaluation préliminaire des coûts d’ouvrages hydrauliques
Barrage mobile C1 = 4’000 x QP [CHF]
Prise d’eauet dessableur C2 = 35’000 x QP [CHF]
Avec, en première approximation:
QP (par km2 de bassin versant) = 1 m3/sI = 2 mm/m (économique) de pente de
galerie souterraine (2 ‰)
Galerie souterraine C3 = ( 220 QP0,4 I-0,2 – 200 ) x L [CHF]
C3 = ( 760 QP0,4 – 200 ) x L [CHF]
Estimation du coût des ouvrages
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Conduite béton C4 = ( 0.18 QP0,82 I-0,41 + 320 ) x L [CHF]
Conduite acier C5 = ( 280 QP0,42 I-0,21 - 240) x L [CHF]
(Toutes ces formules sont basées sur la connaissance d’un patrimoine construit par la Société du Canal de Provence (SCP), valeurs 1985)
Centrale GC : C7-1 = (1.50 + 0.10 Q0,5) x 106 [CHF] EM : C7-2 = ( 40 : 2750) x 8 Q H (m) [CHF]
Hautechute
Bassechute
Puissacegarantie
η X 9,81
Canal en terre ouvertà écoulement libre C6 = ( 80 QP
0,39 I-0,19 ) x L [CHF]
QP ou 2QP 20,39 = 1,31 de différence !
Evaluation préliminaire des coûts d’ouvrages hydrauliques
Estimation du coût des ouvrages
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Evaluation préliminaire des coûts d’ouvrages hydrauliques
Galerie souterraine
Conduite acier! !!C3 = ( 220 QP
0,4 I-0,2 – 200 ) x L [CHF]
C5 = ( 280 QP0,42 I-0,21 - 240) x L [CHF]
Projet n° 1 Projet n° 2 Projet n° 3Dérivation Évacuateur Galerie
Longueur (m) 934 800 2260Débit dérivé (m3/s) 1800 2300 65Pente 0.009 0.12 0.0012Coût (MCHF) 36 40 27
C3 (MCHF) 10.40 5.80 9.70C5 (MCHF) 16.20 8.85 14.45
Caractéristiques
x 1,5
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
L’EAU : Protéger et gérer
Les périmètres de protection
Contre les pollutions accidentelles
Économiser l’eau et gérer la demande
Recharger les nappes souterraines
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
3 types de périmètres pour préserverLa qualité de l’eau brute
Aucune introductionde substances polluantes
Activités, installationsdépôts réglementés, pour
éviter une pollution rendantl’eau impropre à la consommation
Proximité d’activitésà risques Étude du sous-sol (hydrogéologie et géologie)
Études des activités ou constructions prévuesAnalyse des risques de pollutionAnalyse des risques de prélèvement sur le milieuÉtablissement de cartes de dangers ou d’impactsÉtablissement des dossiers réglementaires
Directive cadre 2000/60/CE, du 20 octobre 2000
Éviter toute situation susceptible de conduire vers des dégradations de l’eau
Les périmètres de protection
Cou
rtesy
, Veo
lia E
nviro
nnem
ent
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Contre les pollutions accidentelles
Conséquences graves pour les écosystèmes etla production d’eau potable
Identifier les sources de pollution en amontPrendre des mesures préventives (bassins derétention, bacs de déshuileurs, …)Modéliser les transferts possibles de pollutions(modèles numériques ou physiques à la rhodamine)
Prévoir des stations d’alerte (analyses automatiques)Prévoir des dispositifs d’approvisionnement alternatifsPrévoir un dispositif de sécurité avec du personnelformé et équipé en cas de crise
Exemple de protection de champ captantpar une barrière hydraulique(cas du Grand-Lyon, France)
1
2
3
4
Bassin d’infiltration créant une barrière hydraulique
Champ captant
Ligne d’infiltration des eaux du bassin
Ligne d’infiltration sans bassin
Cou
rtesy
, Veo
lia E
nviro
nnem
ent
Anticiper pour prévenir et éviter des dégâts coûteux et irréversibles
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Économiser l’eau et gérer la demande
Sensibiliser les consommateurs aux économies d’eau(réduire le gaspillage donc les factures d’eau, …)
Généraliser les compteurs individuels (des cas sanscompteur ou sous compteurs collectifs)
Généraliser le radio relevé des compteurs pour unsuivi des consommations
Introduire des procédures en cas d’alerte de fuites
Réduire les pertes en réseau
Réduire la proportiond’eau non comptabilisée
Consommation mesurée et payée
Consommation non mesurée et payéeConsommation mesurée et non payéeConsommation non mesurée et non payéeConsommation non autoriséeCompteurs imprécisPertes d'eau du réseau de distributionPerte d'eau au stockage
Fuites des propres installations des services de l'eauSi
tuat
ion
de l'
eau
cons
omm
ée e
t per
due
Eau payée
Eau non payée
Consommation autorisée et
payée
Consommation autorisée et non payée
Consommation normale
Pertes d'eau
Pertes réelles
Pertes apparentes
Réduire les pertes techniques et non techniques et recouvrir les coûts de la demande
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Recharger les nappes souterraines
Cou
rtesy
, Veo
lia E
nviro
nnem
ent
Réinjection
Pompageextraction
Exemple de gestion des eauxde la ville de Berlin :
recharge à 30% par précipitationsrecharge à 60% cours d’eaurecharge à 10% par réinjections
C’est 209 millions de m3 d’eau/anpour 3,5 millions d’habitants
Économiser l’eau en complétant la recharge naturelle
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Exemple de recharge pour éviterles intrusions d’eau de mer dans les nappes
La recharge des nappes profondes pour faire barrière aux eaux saumâtres
Au Bangladesh, l’élévation du niveau de l’eau de merrend l’eau des nappes phréatiques inutilisable
Recharger les nappes souterraines
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Les transferts de l’"or bleu"
Coût du m3 d’eautransféré par bateau
US $ 4 à 8,5
Coût du m3 d’eaupar dessalement
US $ 1 à 2,5
Coût du m3 d’eautransféré par canaux
US $ 1 à 5
"Hydro dinosaures"
Canal SheikhZayed (Egypte)
La R
eche
rche
, jui
llet-a
oût 2
008
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28 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
L’EAU : Dessalement de l’eau de mer
Usine de Carboneras(Andalousie, Espagne)
120’000 m3/jour
11. Eau et optimisation d’ouvrages11. Eau et optimisation d’ouvrages
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29 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Dessalement de l’eau de mer
Usine de dessalement par distillation de DJEDDAH (mer rouge)
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Economie Hydraulique
30 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Techniques de dessalement
L’eau de mer est une source inépuisable, mais contient 100 fois plus de sel (35 g/l) que la limite fixée par l’OMS pour pouvoir la consommer !
Au IVème siècle avant J. C. , les marins grecs dessalaient déjà l’eau de mer
Il y a plusieurs méthodes utilisées depuis les années 1960-1970 :
la séparation thermique (Multi-Stage Flash distillation (MSF) de 1960, Multi Effect Distillation (MED) ou Mechanical Vapor Compression (MVC)) : l’eau salée est chauffée, par pression se vaporise brutalement avant que la vapeur soitcondensée et l’eau douce récupérée (évaporation et condensation)
la réfrigération : par séparation des cristaux de glace et d’eau pure
la séparation membranaire• l’osmose inverse (Reverse Osmosis (RO)) : l’eau salée passe à travers une membrane sous forte pression (50 à 60 bars)• l’électrodialyse (Electro Dialysis (ED)) : plus pour les eaux saumâtres (brackish water), où le sel est dissout sous l’effet d’un courant électrique
Dessalement de l’eau de mer
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Techniques de dessalement
Données : Process Energy Group, California Energy Commisson, 2002
Procédés Membranaires
86%
14%
R O E D
Procédés Thermiques
43%
24%
33%
M S F M E D V C
Répartition des procédés basée sur13 600 unités de production
78,5%
21,5%
Membranaires Thermiques
Dessalement de l’eau de mer
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32 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Répartition géographique et d’utilisateursdes procédés de dessalement
53,40%
17,00%
10,60%
10,10%
8,90%
Moyen Orient Amérique du nordAsie EuropeAutres pays
60,2%
28,3%
6,0%2,2%3,3%
Marché municipal Marché industrielCentrales électriques Usages militairesDivers
Production mondiale d’eau dessalée : 44 millions de m3 / jour, soit 16 km3/anqui représente 0,45% de la consommation d’eau douce journalière sur terre
à comparer avec environ 3’500 km3/an au niveau mondial
Dessalement de l’eau de mer
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33 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Dessalement sur le pourtour de la Méditerranée
76 % de la productiond’eau douce assuréepar des installations
d’osmose inverse
La R
eche
rche
, jui
llet-a
oût 2
008
Salinité de 40 g/litre
Salinité de 36 à 39 g/litre
Dessalement de l’eau de mer
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Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Dessalement sur le pourtour de la Méditerranée
76 % de la productiond’eau douce assuréepar des installations
d’osmose inverse
Salinité de 36 à 39 g/litre
Salinité de 40 g/litre
Les
doss
iers
de
la re
cher
che,
n°
36, a
oût 2
009
! Concentré osmotique est de 70 g/l !
Dessalement de l’eau de mer
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35 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Principe naturel faisant passer l’eau de la solution la moins vers la plus
concentrée
Principe de l’osmose inverse(utilisant 2 fois moins d’énergie que la distillation)
Dessalement de l’eau de mer
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Economie Hydraulique
36 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Principes de fonctionnement du dessalement par osmose inverse
Alimentation
Ions
Concentrat
Perméat
Alimentation
Ions
Concentrat
Perméat
Dessalement de l’eau de mer
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37 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Conséquences relatives au dessalement par osmose inverse
Usine de productiond’eau douce de
25’000 m3 / jour
48’000 foyersde 4 personnes
(130 l / pers. / j)
Eau
8’100 foyersde 4 personnes
(3 kWh / pers. / j)
Électricité
CompensationCO2 ?
Environnement
100’000kWh / jour
1 m3
d’eau douce
1 à 9 m3
de saumure+
des résiduschimiques (chlore,
cuivre de corrosion,, …)17 t de
CO2 / jour
680 g de CO2 /m3 d’eau dessalée
24 t de chlore / jour
0,3 t de cuivre / jour
Dessalement de l’eau de mer
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Economie Hydraulique
38 Cours en option du MasterE. Davalle et P. Droz
Laboratoire des systèmes énergétiquesLaboratoire de constructions hydrauliques
Prévisions
Dessalement de l'eau de merParts de marché à horizon 2010
70%
20%
10%
Osmose inverse Thermiques Autres membranaires
Dessalement de l’eau de mer