Gestion de l'eau industrielle : pionnier pour de nouveaux processus, une production durable et la sécurité des sites

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L'eau est indispensable pour l'industrie de transformation : qu'il s'agisse de refroidissement ou de solvant, de réactif ou de composant de produit. La production chimique et pharmaceutique évolue constamment – hydrogène, digitalisation, boucle de recyclage, nouveaux processus de production. Qu'est-ce que cela signifie pour la gestion industrielle de l'eau ?

La neutralité carbone, la production d'hydrogène, les processus Power-to-X, l'économie circulaire et la zéro pollution figurent actuellement en tête des priorités de l'industrie de transformation. L'eau y est une ressource irremplaçable, notamment pour la production chimique et pharmaceutique. Si l'on parvient à intégrer la gestion de l'eau industrielle dans la gestion de la production et des sites, il est possible d'améliorer l'efficacité des processus, de mettre en place des solutions circulaires et d'accélérer la transition vers une industrie de transformation durable. De plus, une étroite coordination entre production et gestion industrielle de l'eau renforce la compétitivité des entreprises et des sites, réduit les risques d'arrêt de production et augmente la sécurité des investissements dans le développement de l'entreprise. La pression croissante sur l'eau dans de nombreux sites industriels de transformation conduit à ce que le succès entrepreneurial dépende de plus en plus d'une gestion efficace de l'eau industrielle.

L'eau comme clé pour la production d'hydrogène

L'utilisation des énergies renouvelables ainsi que leur stockage sous forme d'hydrogène ou de produits dérivés constitue l'une des conditions essentielles pour une industrie de transformation neutre en carbone. Un nombre croissant d'initiatives dans différents secteurs accélère le développement des capacités pour produire et utiliser de l'hydrogène : plus de 1 400 projets internationaux liés à l'hydrogène, ainsi qu'un grand nombre de projets de référence en Allemagne tels qu'Aquaventus, H2Giga, H2Mare ou Kopernikus, illustrent cette évolution. Alors que l'industrie utilise l'hydrogène comme stockage d'énergie ou pour des processus à haute température, les projets de recherche et développement se concentrent sur l'infrastructure hydrogène, la production de masse de technologies d'électrolyse ainsi que la synthèse de produits chimiques fondamentaux à partir d'hydrogène.

Les électrolyseurs commerciaux nécessitent environ 10 à 17 kilogrammes d'eau déionisée pour produire un kilogramme d'hydrogène vert. La base du hydrogène vert, c'est-à-dire l'énergie verte ou durable, peut être produite de manière particulièrement économique dans des régions ensoleillées ou venteuses. Cependant, ces régions, qui ont le plus grand potentiel pour les énergies renouvelables, sont souvent aussi celles où le stress hydrique est élevé et où le risque lié à l'eau est important. Lorsque les ressources locales sont épuisées, cela a un impact irréversible sur la région. Les ressources alternatives pour la production d'hydrogène deviennent donc de plus en plus importantes. Parmi celles-ci figurent l'eau dessalée et la réutilisation de l'eau. La multiplication des installations de dessalement d'eau de mer entraîne de nouveaux défis pour l'évacuation des eaux usées (émissions en mer) et ouvre des possibilités de valorisation, par exemple des sels et des concentrés. À l'avenir, la production d'hydrogène vert augmentera. Cela implique que l'eau doit être utilisée et réutilisée plus efficacement dans le processus de production, notamment pour l'eau de refroidissement et les eaux usées. C'est ici qu'intervient un système de gestion de l'eau intégré et optimisé.

De nouveaux projets liés à l'hydrogène visent de plus en plus la conversion directe de l'hydrogène en produits chimiques de base et en stockages d'énergie chimiques, tels que l'ammoniac, le méthane ou le kérosène électrique. L'énergie thermique libérée lors de cette étape de production peut être mise à disposition pour d'autres processus. Les technologies de dessalement thermique plus efficaces, ainsi que le traitement biologique des eaux usées, peuvent bénéficier de cette énergie thermique disponible et deviennent ainsi de plus en plus centrales. Ce développement est pertinent non seulement pour l'économie de l'hydrogène, mais aussi pour de nouvelles méthodes de séparation membranaire ou d'extension du traitement biologique de l'eau, qui peuvent également influencer positivement la gestion industrielle de l'eau en termes d'efficacité des processus et de consommation d'énergie.

« L'eau est la clé pour la réalisation d'installations de grande envergure pour la production d'hydrogène vert et de ses produits dérivés tels que le méthanol ou l'ammoniac. C'est pourquoi nous devons penser dès le départ une gestion intégrée de l'eau, associée à des stratégies pour les énergies renouvelables et la production d'hydrogène. Cela constitue la base d'une économie de l'hydrogène vert réussie. La construction d'installations et la technique des procédés telles que nous les verrons à l'ACHEMA 2024 apportent une contribution décisive », déclare le Dr Thomas Track, responsable du département gestion de l'eau chez DECHEMA e.V.

Outre les énergies renouvelables, il est donc nécessaire de disposer de solutions efficaces et robustes liées à l'eau :

– La connaissance spécialisée et la planification pour la production d'hydrogène et de Power-to-X, ainsi que la gestion de l'eau, doivent aller de pair.
– Les technologies de traitement (des eaux usées) et les concepts de gestion doivent être adaptés aux scénarios de production en intérieur, en bord de mer et en mer.
– La boucle de recyclage de l'eau et des flux de substances doit être optimisée.

L'eau pour l'économie circulaire dans l'industrie de transformation

Les innovations axées sur la circularité transforment l'industrie dans le monde entier et figurent actuellement en tête de l'agenda de l'industrie de transformation. La transition vers une économie circulaire, centrée sur l'ensemble du cycle de vie du produit, de l'approvisionnement en matières premières à la réutilisation, nécessite une transformation globale des processus et des structures industrielles vers la neutralité climatique et la compétitivité à long terme. Les défis qui en découlent pour l'industrie ont également un impact sur la gestion de l'eau industrielle.

« La chaîne de valeur de la production circulaire future comportera une part importante de processus dans la phase aqueuse », explique le Dr Christoph Blöcher, responsable des processus d'infrastructure, matériaux et corrosion chez Covestro Deutschland AG. « Par conséquent, la gestion de l'eau doit être intégrée dès le début dans le développement des processus. Pour les restes aqueux, de nouvelles approches sont nécessaires pour récupérer l'énergie chimique et les matières premières, comme les nutriments. »

Outre leur rôle traditionnel dans la production industrielle et le refroidissement, la ressource eau devient de plus en plus centrale dans de nouveaux domaines d'application industrielle. Les procédés de traitement de l'eau (et des eaux usées) évolueront globalement, passant d'une simple purification à l'utilisation des composants, de l'eau et de la chaleur qu'elle contient, par récupération.
Les procédés de recyclage chimique ainsi que ceux basés sur des matières premières renouvelables et les procédés biotechnologiques génèrent des restes aqueux caractérisés par un volume élevé et une forte charge organique et saline. La composition des eaux de processus lors du recyclage pose donc de nouveaux défis. Parmi les exemples figurent le recyclage chimique des plastiques, des composites (par exemple, matériaux légers haute performance ou composites pour la mobilité électrique) ou des composites métalliques dans les composants électroniques, les cellules de batteries ou les alliages légers. Outre les procédés chimiques, diverses approches biotechnologiques sont poursuivies pour recycler les plastiques, y compris l'utilisation de procédés enzymatiques. Ceux-ci sont souvent associés à une augmentation de la consommation d'eau. Pour répondre à ces exigences, il faut développer, tester et mettre en œuvre des approches technologiques globales pour le traitement des eaux usées.

Pharmacie et production d'hydrogène : eau pour injections et eau ultrapure

Ce n'est pas un hasard si, notamment suite à la pandémie de Covid-19, la production pharmaceutique a gagné en importance et a lancé des innovations. Pour l'industrie pharmaceutique, certaines biotechnologies industrielles et le secteur des laboratoires, la gestion de l'eau industrielle se concentre sur l'eau pour injections (Water for Injection, WFI) et l'eau ultrapure (Ultra Pure Water).
Les coûts croissants d'investissement et d'entretien, les prix élevés de l'énergie ainsi que la préoccupation croissante des consommateurs concernant l'impact environnemental des résidus de production et d'emballage conduisent de nombreuses entreprises pharmaceutiques à repenser leurs méthodes de production pour plus de durabilité. Depuis 2017, il est également autorisé en Europe de produire l'eau pour injections non plus uniquement par distillation, mais aussi par exemple par des procédés membranaires. Aux États-Unis et dans d'autres régions du monde, cette méthode est standard depuis de nombreuses années. Elle est non seulement plus flexible et économe en énergie, mais offre aussi des avantages pour les opérateurs de systèmes WFI en termes de coûts d'investissement et de production, d'espace, de service et de maintenance, ainsi que pour l'extension de la capacité de production et diverses options procédurales.

Des analyses de marché, comme celle de Transparency Market Research, estiment le marché mondial actuel de l'eau pour injections à plus de 20 milliards de dollars américains (2021), avec une perspective de croissance à plus de 50 milliards de dollars dans la prochaine décennie.
La tendance mondiale vers une économie de l'hydrogène vert entraîne une augmentation de la demande en eau pour faire fonctionner les électrolyseurs. L'accent est mis sur les systèmes de traitement de l'eau et les installations de recyclage pour l'eau ultrapure. Cette tendance laisse prévoir également une évolution positive du marché des systèmes d'eau ultrapure pour l'électrolyse.

« La demande actuelle pour les systèmes d'eau ultrapure est encore influencée par le boom de l'industrie pharmaceutique des dernières années et connaît un nouvel essor avec la forte expansion de la production d'hydrogène vert », indique le Dr Eva Bitter, directrice générale d'EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH.

Optimiser la gestion de l'eau : digitalisation, intelligence industrielle et contrôle de processus par capteurs

Les technologies numériques sont utilisées pour augmenter l'efficacité, réduire la consommation de ressources et fermer les cycles de matière. Dans l'industrie de transformation, cela concerne également l'intersection entre gestion de l'eau et production industrielle. Que ce soit pour établir des approches de production modulaires, dynamiques et flexibles ou pour assurer la sécurité d'approvisionnement via une gestion intégrée des ressources en eau : la collecte des informations nécessaires et le traitement des flux de données générés ne sont possibles qu'à l'aide d'outils numériques.

Particulièrement à l'intersection entre production industrielle et gestion de l'eau, il est possible de relier des installations complexes à des dispositifs et capteurs IoT/IIoT pour la surveillance et la commande. Le traitement (par exemple avec l'intelligence artificielle) de grands volumes de données (Big Data) peut être délocalisé de manière flexible (edge vs cloud). Ces technologies sont indispensables pour le traitement et l'utilisation efficace des ressources. Les informations recueillies peuvent être sécurisées dans un registre distribué (DLT) et servir de base à des contrats automatisés et transparents (smart contracts). Toutes ces technologies rapprochent fournisseurs, fabricants et clients, et permettent une vue d'ensemble de la chaîne d'approvisionnement. L'ACHEMA 2024 illustrera ces connexions dans l'exposition avec son Digital Hub ainsi que la technique de contrôle, de régulation et de gestion de processus.

« La digitalisation de la gestion de l'eau (»Water 4.0«) est devenue un mot-clé et entraînera des changements profonds tant dans le secteur public que privé. Les entreprises doivent depuis un certain temps s'adapter stratégiquement à ce nouveau monde numérique en repensant leur stratégie, leurs modèles commerciaux et leur culture. Si une organisation omet cette étape cruciale, elle perdra sa capacité à assurer son avenir et sa compétitivité », explique Christian Gutknecht, responsable du secteur eau chez Endress+Hauser Group.

L'eau est une ressource déterminante pour l'industrie de transformation et la production d'énergie, mais aussi l'une des ressources les plus menacées. En particulier dans le contexte de la transition énergétique et de l'utilisation des énergies renouvelables, l'interaction entre les processus individuels est essentielle. Ici, les jumeaux numériques peuvent jouer un rôle déterminant. Ils peuvent simuler en temps réel les exigences accrues en dynamique des installations, ajuster la production et ainsi garantir un avantage concurrentiel crucial. Les exigences croissantes en matière de sécurité d'approvisionnement, de qualité des produits et d'efficacité des installations ne peuvent être satisfaites que par la transformation numérique de la production traditionnelle. Cette tendance est menée par de nombreux consortiums. Ceux-ci élaborent des normes mondiales pour la communication et la sécurité des installations, accélérant ainsi la transformation numérique.

Conclusion

La grande diversité des processus et des technologies – production d'hydrogène, économie circulaire, production pharmaceutique et intégration numérique – montre clairement : une gestion efficace de l'eau est un élément central de l'industrie de transformation. Cela vaut à toutes les échelles, de l'installation à l'exploitation, en passant par le site et l'ensemble de l'entreprise. Contrairement à la base énergétique et minière de l'industrie de transformation, la substitution de l'eau dans l'usage industriel présente des limites strictes. Ce n'est qu'en leur interaction étroite que la production industrielle et la gestion de l'eau peuvent exploiter leur plein potentiel pour une économie verte, circulaire et zéro émission de carbone.