consommation et gestion de l`eau

Dossier technique
CONSOMMATION ET GESTION DE L’EAU
(Mise à jour août 2015)
SOMMAIRE
1 / CONSOMMATION ET GESTION DE L’EAU EN BREF
2 / UNE PROBLÉMATIQUE MAÎTRISABLE
3 / QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR
4 / LA RÉGLEMENTATION
5 / CONCLUSION
6 / RÉFÉRENCES
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1 / CONSOMMATION ET GESTION DE L’EAU EN BREF
L’exploitation des hydrocarbures non conventionnels requiert une quantité d’eau importante. L’opération de fracturation hydraulique
utilise de l'ordre de 10 000 à 20 000 m3 pour chaque puits comprenant 10 segments de fracturation, soit l’équivalent d’une dizaine
de piscines olympiques. Ainsi, pour un site d'exploitation regroupant 10 puits, la quantité d'eau nécessaire varie de 100 000 à 200
000 m3.
Cette activité pose la question de la disponibilité de la ressource en eau, avec une acuité particulière dans les zones où elle est rare,
ou quand l’exploitation rentre en concurrence avec d’autres usages, domestiques, agricoles ou industriels.
Si les quantités requises restent plus faibles que les besoins en eau d’autres secteurs ou activités, il n’en demeure pas moins qu’elles
doivent faire l’objet d’une utilisation raisonnée et compatible avec les usages locaux.
Avant de forer un puits, une évaluation des ressources en eau disponibles doit donc être effectuée sur l’ensemble de ces critères :
les volumes et la qualité de l’eau requis par les opérations, la disponibilité et la localisation des sources existantes, la proximité et les
moyens de transports envisageables, les autres usages locaux. Pour éviter d’entrer en concurrence avec d’autres utilisations
prioritaires comme la consommation humaine, animale ou l’irrigation, il est possible d’avoir recours à des eaux impropres à la
consommation telles que les eaux recyclées de précédentes fracturations, les eaux salines issues d’aquifères profonds ou des eaux
issues d'autres industries.
Comment la ressource est-elle acheminée puis stockée, quels sont les moyens d’optimiser son usage, quelles sont les comparaisons
avec d’autres usages : telles sont les principales questions examinées dans ce dossier.
2 / UNE PROBLÉMATIQUE MAÎTRISABLE
Les quantités d’eaux nécessaires à l’exploitation des hydrocarbures non conventionnels.
Les opérations de fracturation hydraulique font appel à d’importantes quantités d’eau : en moyenne, un segment de fracturation
utilise entre 1 000 et 2 000 m3 d’eau, soit en ordre de grandeur, l’équivalent du volume d’une piscine olympique.
Un puits horizontal de dix segments ou "étages" de fracturation en demande donc dix fois plus, soit 10 000 à 20 000 m3. Ceci peut
se comparer à l’équivalent d’environ une heure de consommation en eau potable de l’ensemble de la population parisienne[1]. Sur
un même site d'exploitation comprenant une dizaine de puits (regroupés en "clusters"), l’eau nécessaire à la fracturation avoisinera
100 000 à 200 000 m3, un volume qui devra être successivement acheminé vers le site, stocké, utilisé, puis évacué en partie.
Cette consommation d'eau est ponctuelle. Elle a lieu uniquement pendant les opérations de fracturation hydraulique, qui durent de
quelques jours à quelques semaines, lors de la phase de construction des installations nécessaires à la production.
Enfin, aucune opération industrielle ne peut commencer en Europe sans qu'un état des lieux préalable ("baseline study"), établi par
un bureau d'étude indépendant, n’ait permis de préciser l'état initial de l'environnement dans lequel les opérations se dérouleront :
cet état initial devra être respecté et restitué à l'identique à l'issue des opérations.
Afin d'optimiser l’usage de la ressource en eau, plusieurs solutions existent pour éviter de consommer de l'eau pure : les opérations
de fracturation s’accommodent d’une eau impropre à la consommation domestique ou à l’irrigation agricole, sous réserve de leur
compatibilité avec les produits chimiques utilisés dans les fluides de fracturation. Il est par exemple tout à fait possible de retraiter
légèrement les eaux de reflux issues du dégorgement des puits d’hydrocarbures non conventionnels lors de précédentes
fracturations et de les réutiliser pour les suivantes. A proximité des zones côtières, l’eau de mer ou encore les eaux faiblement
salines des estuaires peuvent être utilisées. On peut également avoir recours à l’eau saumâtre issue des aquifères profonds ou
encore à des eaux utilisées préalablement par certaines industries.
Par ailleurs, une partie de l'eau utilisée pour les fracturations hydrauliques est restituée lors de la mise en production et peut, après
traitement, être réutilisée pour d'autres usages. Schématiquement, environ la moitié de l’eau injectée lors de la fracturation est
refluée dès le début de l’exploitation. Le reste, généralement associé à l'eau dite "de gisement" (c’est-à-dire l'eau initialement
emprisonnée dans la roche mère, au même titre que les hydrocarbures qui y sont présents) est récupéré plus tard, tout au long de la
production et peut donc, une fois traité, être réutilisé à d'autres fins.
L’acheminement de l’eau sur le site
L’eau nécessaire à la fracturation peut provenir d’un aquifère de proximité, sous réserve qu’il soit bien alimenté et qu'il n'y ait pas
surconsommation. Dans ce cas, l'eau est achetée localement, avec pour avantage de constituer une source de revenus pour la
localité ou les distributeurs d’eau. Il est également possible d'envisager un forage d'eau qui est réalisé sur le site pour
l’approvisionnement direct de celui-ci. Dans d’autres cas, il sera nécessaire de la transporter sur de plus grandes distances, puis de
la stocker sur place.
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Deux cas de figure sont envisageables alors :
Le transport par routes
L’eau est acheminée dans des camions citernes. A titre indicatif, une cuve de camion pouvant transporter entre 15 et 35 m3,
plusieurs milliers de mouvements de poids lourds sont nécessaires pour mener à bien l’opération sur un site comprenant plusieurs
puits.
Envisageable, souvent utilisée aux Etats Unis, cette solution est dans toute la mesure du possible à éviter, car elle comporte de
nombreux inconvénients, dont l’encombrement des routes, le risque d'accidents et la détérioration des infrastructures routières,
ainsi que les pollutions liées au trafic (bruit, poussière, émission de gaz d'échappement).
Le transport par canalisation
L’autre alternative, qui doit être systématiquement envisagée, consiste à transporter l’eau par des conduites temporaires posées au
sol, éventuellement enterrées localement. Une telle solution suppose bien évidemment une distance de transport courte entre le
point de collecte et le site des opérations. Les canalisations se présentent sous différents aspects, souples ou rigides, en caoutchouc
trempé, PVC, aluminium ou acier. Elles sont alimentées soit directement depuis un distributeur d'eau, soit à partir de points de
stockage constitués dans la région (bassins de rétention des eaux de pluie ou autres), soit à partir d'un forage d'eau à proximité.
Temporaires, ces canalisations sont démontées dès que les opérations de fracturation hydraulique sont terminées, donc avant la
phase de production des hydrocarbures.
Le stockage de l’eau
Une fois transportée, l’eau est entreposée sur le site de fracturation. Pour une opération de fracturation hydraulique, de l'ordre de 2
000 m3 doivent a minima être disponibles sur place, pour assurer les besoins de la fracturation d'un segment.
Ce stockage s’effectue de deux manières :
En bassin ouvert : des étangs artificiels ou réservoirs d’eau sont aménagés sur site et laissés à l’air libre. Le fond est isolé avec une
membrane étanche (un "liner") pour éviter toute fuite ou infiltration dans le sol.
En cuves fermées : il s’agit de réservoirs souples fermés, mais plus fréquemment ce sont des citernes amenées par camions et
laissées sur place le temps des opérations. Ce moyen de stockage offre l’avantage d’éviter des travaux de terrassement, mais
présente l’inconvénient de la logistique de leur acheminement associée.
L’évacuation des eaux de reflux
Dès les premiers jours de mise en production d’un site, les eaux qui refluent vont devoir être traitées. Il s’agit de volumes importants
(environ 50 000 et 100 000 m3) chargés de sable, d’additifs, de particules en suspension ainsi que de sédiments provenant de la
formation géologique. Ces eaux de reflux peuvent également être chargées localement d'une faible quantité d'éléments radioactifs
naturels (appelés "NORM" en anglais, pour "Naturally Occuring Radioactive Materials"), libérés par la roche-mère qui les contient.
Plusieurs solutions peuvent être mises en œuvre pour traiter ou éliminer ces eaux de reflux. Elles sont déterminées à la fois par la
législation en vigueur et par des considérations économiques et sociétales :
Les effluents peuvent être traités sur place puis recyclés pour les fracturations hydrauliques suivantes : il s’agit du mode opératoire
actuellement encouragé aux Etats-Unis, de façon à minimiser la consommation d'eau ;
Sinon, ces eaux de reflux sont retraitées à l’aide de traitements poussés, puis remises en circulation dans les cours d’eaux.
Une récupération par d’autres industries commence à voir le jour : ainsi par exemple, en octobre 2014, le Ministre de
l'environnement de la province de Nouvelle Ecosse ("Nova Scotia") au Canada a autorisé la réutilisation d'eaux de reflux de
fracturations hydrauliques comme réfrigérant dans une cimenterie2, les eaux étant ainsi évaporées à 700°C.
Dans les endroits où cette pratique est autorisée, ils peuvent être évacués vers des sites de réinjection en aquifères profonds,
éventuellement après un traitement préliminaire (pour en savoir plus, voir le dossier technique " Sismicité").
Enfin, dans les pays où les conditions climatiques le permettent, les eaux de reflux peuventêtre entreposées dans des bassins
ouverts, étanches et sécurisés afin de permettre leur évaporation et de réduire ainsi le traitement aux seuls déchets solides restants.
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Les technologies de traitement de l’eau, utilisées de façon classique par l’industrie, sont mises en œuvre par ordre de complexité
croissante selon trois grandes catégories :
une clarification : la grande majorité des particules, colloïdes et autres matières en suspension (dont les hydrocarbures) sont retirés
par des procédés physico-chimiques, de façon à réduire la "charge" de l’effluent et laisser dans l'eau essentiellement les éléments
dissouts (métaux et sels) ;
un traitement physico-chimique spécifique : cette opération va retirer du fluide certains éléments dissouts indésirables pour des
étapes ultérieures de traitement ou pour le respect des normes de rejets (notamment calcium et magnésium lors d'une opération
dite d'adoucissement, mais également carbonates, sulfate, baryum et silice) ;
une désalinisation : les divers composés dissouts restants sont séparés par une ultime opération supplémentaire, mécanique ou
thermique permettant d’obtenir un effluent traité de très haute qualité ;
des traitements biologiques visant à réduire les matières biodégradables peuvent également être effectués.
Le traitement de l'eau sera effectué en fonction de la règlementation et des besoins locaux en eau. Son coût est proportionnel au
degré du traitement recherché. Ainsi, au Texas, la majeure partie de l'eau récupérée lors de la mise en production est réinjectée
dans des aquifères salins profonds. Par contre, en Pennsylvanie, dans l'est des Etats Unis, l'éloignement des sites de réinjection
profonde fait que la majeure partie des eaux de reflux est traitée. En Europe, la réinjection en milieu profond étant très réglementée,
les eaux de reflux issues de la fracturation hydraulique, tout comme l'eau de gisement produite au fil de l'exploitation, seront
traitées pour permettre une réutilisation industrielle ou un retour dans les cours d'eau. Dans les zones où l'eau est plus rare, le
traitement devra permettre une réutilisation industrielle et en particulier le recyclage vers les opérations de fracking suivantes.
Un usage d’eau important : quelques comparaisons
L’exploitation des hydrocarbures non conventionnels utilise de grandes quantités d’eau. Toutefois, ce constat doit être mesuré à
l’aune d’autres types de consommations.
Globalement, les besoins en eau dite bleue[3] d’une région ou d’un pays se répartissent de la manière suivante : 70% pour
l’agriculture, 20% pour l’industrie et 10% pour les usages domestiques. Comparées à ces usages, les quantités d’eau utilisées par
les hydrocarbures non conventionnels restent relativement marginales.
Usage de l’eau en agriculture
L’agriculture est aujourd’hui le secteur d’activité qui consomme le plus d’eau au niveau mondial. Les trois quarts de tout le volume
d’eau bleue consommé dans le monde sont utilisés à des fins d’irrigation[4].
Les 20 000 m3 d’eau utilisés pour la fracturation d’un puits de pétrole de schiste ou de gaz de schiste équivalent à l'irrigation
nécessaire à la production de seulement 4 tonnes de coton ou de riz, 22 tonnes de soja ou 33 tonnes de blé[5].
Usage de l’eau et production d’énergie
Parmi les ressources énergétiques, le gaz, qu'il soit issu des hydrocarbures conventionnels ou non conventionnels, apparait comme
le moins consommateur en eau comme le montre le tableau suivant[6], si l'on fait les comparaisons en prenant comme référence la
même quantité d'énergie produite (1 Mbtu ou million de "British Thermal Unit", qui est l'unité la plus communément utilisée se
référant au pouvoir calorifique de la ressource considérée) :
Consommation d'eau des différentes sources d'énergie
Sources d'énergie
litre / MBtu
Gaz conventionnel
~0
Gaz de schiste
2à7
Charbon (sans suspension dans l'eau)
8 à 30
Nucléaire (depuis l'uranium jusqu'à la centrale) 30 à 53
Pétrole conventionnel
5 à 235
Pétrole de roche mère (exploitation thermique minière ou
"retorting")
27 à 144
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Sources d'énergie
litre / MBtu
Pétrole de sable bitumineux (in situ)
36 à 61
Synfuel (gazéification du charbon)
42 à 98
Charbon (en suspensions dans l'eau)
49 à 121
Sables bitumineux ("oil sands", exploitation
minière)
Synfuel (charbon Fischer-Tropsch)
53 à 125
155 à 227
Récupération assistée du pétrole
79 à 9 463
Ethanol carburant (mïs irrigué)
9 463 à 109 765
Biodiésel (soja irrigué)
52 233 à 227 100
Source : Mielke, Erik, Diaz Anadon, Laura, et Narayanamurti, Venkatesth - “Water Consumption of Energy Resource Extraction,
Processing, and Conversion" - A review of the literature for estimates of water intensity of energy-resource extraction, processing to
fuels, and conversion to electricity - Energy Technology Innovation Policy Discussion Paper - No. 2010- 15, Belfer Center for Science
et International Affairs, Harvard Kennedy School, Harvard University - Octobre 2010. Usage de l’eau et besoins industriels
L’industrie utilise de grosses quantités d’eau, même si elle est majoritairement réutilisée. Les plus gourmandes en eau sont les
industries de transformation, la chimie, la métallurgie, l'industrie papetière… Si leur consommation est extrêmement variable d’un
pays à l’autre, leurs besoins en eau ne font que croître.
Les 20 000 m3 d’eau nécessaires à la fracturation d’un puits permettraient de produire 250 tonnes d’acier ou 17 tonnes
d’aluminium. Toujours selon ces mêmes ordres de grandeur, les 80 millions de tonnes d’acier produites annuellement aux USA
permettraient théoriquement de forer et de fracturer l’équivalent de 320 000 puits.[7]
L’eau est-elle la seule solution pour fracturer ?
Dans des régions à stress hydrique important, comme les zones désertiques, la péninsule arabique, des alternatives doivent être
envisagées dès lors que l’approvisionnement en eau ne suffit plus à la consommation humaine. Si l’on a déjà évoqué précédemment
la possibilité d’utiliser l’eau des aquifères profonds (généralement salins), l'eau de mer, de l'eau usée industrielle, ou réutiliser des
eaux de reflux des précédentes fracturations, des possibilités de fracturer autrement sont à l’étude, voire déjà mise en œuvre dans
certains cas. Il s’agit des fracturations avec des fluides alternatifs : méthane, propane, heptafluoropropane, ou les mousses à
base de CO2 ou de N2. Ces procédés permettent d’éviter l’utilisation d’importantes quantités d’eaux et d'optimiser pour certains les
opérations de fracturation, mais présentent aussi d'autres inconvénients (cf Dossier Technique sur la Fracturation Hydraulique).
[1] La consommation en eau potable des 3 millions de parisiens est de 200 millions de m3 par an soit l’équivalent d’une piscine olympique toutes
les 5 minutes.
[2] Cecilia Jamasmie - "Nova Scotia to use fracking waste at cement plant" - Site Internet : Mining.com - 29 Octobre 2014.
[3] On distingue maintenant l’eau bleue et l’eau verte. L’eau bleue est celle qui peut être prélevée par pompage dans une rivière ou un aquifère, tandis que
l’eau verte est celle qui arrive sur le sol par la pluie, se stocke dans le premier mètre supérieur et est reprise par l’évaporation et surtout par la végétation
pour sa transpiration. En France, on consomme pour notre production environ 75% d’eau verte (par l’agriculture pluviale) et 25% d’eau bleue.
[4] "Découvrir l’eau : usages" - Centre Nationale de la Recherche Scientifique (CNRS).
[5] Philippe Charlez, Pascal Baylocq et Bernard Tardieu (préfacier) - "Gaz et pétrole de schiste en questions" - Editions Technip, Paris, 2014 - 225 p - ISBN : 978-2-7108-1148-0. [6] Anthony Zammerilli, Robert C. Murray, Thomas Davis et James Littlefield - "Environmental Impacts of Unconventional Natural Gas
Development and Production" - Energy Sector Planning and Analysis (ESPA), United States Department of Energy (DOE), National Energy Technology
Laboratory (NETL) - Mai 2014 - 128 p.
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[7] Philippe Charlez, Pascal Baylocq et Bernard Tardieu (préfacier) - "Gaz et pétrole de schiste en questions" - Editions Technip, Paris, 2014 - 225 p - ISBN : 978-2-7108-1148-0. 3 / QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR
Une Fracturation Hydraulique utilise 1 000 à 2 000 m3 pour un segment de fracturation.
Pour un "cluster" de 10 puits, l'eau nécessaire à la fracturation avoisine les 100 000 à 200 000 m3.
Le volume d'eau utilisé pour l'irrigation des golfs varie entre 300 et 300 000 m3/ha, la moyenne est de 13 000 m3/ha. Un golf
haut de gamme de 18 trous a une consommation moyenne de 5 000 m3/jour.[8]
Au cours d’une année, environ 50 millions de m3 d’eau sont prélevés pour alimenter un circuit de refroidissement fermé d’une
centrale nucléaire et 1 milliard de m3 sont prélevés pour alimenter un circuit de refroidissement ouvert.[9]
Une piscine olympique contient 2 500 à 3 750 m3 selon sa profondeur.
La consommation en eau potable des 3 millions de parisiens est de 200 millions de m3 par an soit l’équivalent d’une piscine
olympique toutes les 5 minutes.[10]
[8] Rapport de l'OPECST n° 2152 (2002-2003) "La qualité de l'eau et assainissement en France" de Monsieur le Sénateur Gérard Miquel, fait au nom de
l'Office Parlementaire d'Evaluation des Choix Scientifiques et Technologiques, déposé le 18 mars 2003 - Annexe n°29 : "Les golfs et l'eau".
[9] Arthur Leroy - "Prélèvements, refroidissement : la gestion de l’eau et le nucléaire" - L'énerGeek - 8 août 2012.
[10] Planetoscope - "Consommation d'eau par la ville de Paris" - 2011.
4 / LA RÉGLEMENTATION
La Directive Européenne Cadre sur l'Eau
Une directive européenne du Parlement Européen et du Conseil datée d'octobre 2000 - Directive Cadre sur l'Eau ("DCE", réf.
2000/60/CE) - fixe le cadre général d'une politique communautaire dans le domaine des eaux à la fois superficielles et souterraines.
Cette Directive est déclinée au niveau des Etats membres ; elle a été transposée en France par la loi n° 2004-338 du 21 avril 2004,
qui établit un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l’eau et a défini 13 "districts hydrographiques" ; en
France, les acteurs sont : l’Etat et les services décentralisés (DDT et DREAL), les comités de bassin, les agences de l’eau, l’Onema
(Office National de l’Eau et des Milieux Aquatiques), les collectivités locales, les associations pour l’environnement, les usagers, les
entreprises privées, etc. Des plans de gestion destinés à restaurer et protéger les nappes souterraines sont ainsi mis en place.
5 / CONCLUSION
La gestion de l'eau nécessaire à l'exploitation des Hydrocarbures Non Conventionnels est une des questions majeures des industries
qui y participent. Les technologies existent afin de maîtriser les différents enjeux liés à l'eau, dont aucun élément n'est
exclusivement réservé à la fracturation hydraulique : d'autres industries connaissent et traitent des contraintes similaires. Des
solutions existent et sont mises en œuvre pour adapter les exploitations d’hydrocarbures non conventionnels au respect de
l'environnement et des riverains.
La problématique de la fracturation hydraulique distingue bien la ressource en eau sous ses deux aspects, l'utilisation faite par
l’exploitation industrielle d’une part, les rejets d’eau polluée qu’induit la production d’autre part.
Enfin, des études comparatives montrent que les quantités d'eau nécessaires à l'exploitation des hydrocarbures non conventionnels
restent dans des ordres de grandeur comparables aux autres sources d'énergie.
6 / RÉFÉRENCES
Au-delà des références déjà citées tout au long du document, le lecteur pourra utilement se reporter aux ouvrages
suivants :
• "Water Management in Shale Gas Plays". Étude IHS
Date : Août 2012
http://connect.ihs.com/StaticDocuments/LandingPage/WaterManagement.pdf
"Fracking UK shale: water" – UK Department of Energy and Climate Change
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Date : Février 2014
https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/277211/Water.pdf
• "Water Consumption of Energy Resource Extraction, Processing, and Conversion"
Date : Octobre 2010
Auteurs : Erik Mielke, Laura Diaz Anadon, Venkatesh Narayanamurti – Harvard Kennedy School
http://belfercenter.ksg.harvard.edu/files/ETIP-DP-2010-15-final-4.pdf
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