mardi 18 octobre 2016

L'énergie bleue: comment les courants créés par le mélange des eaux peuvent générer de l'électricité

C'est peut-être l'une des sources d'énergie verte la moins exploitée: lorsque l'eau salée et l'eau douce se mélange dans les estuaires, un processus chimique se produit, et il pourrait être exploité pour la production d'électricité.



Selon une estimation, cette "énergie bleue" est si abondante qu'elle pourrait répondre à tous nos besoins, si nous trouvons un moyen efficace de l'exploiter bien sûr.

Là où les rivières rencontrent la mer, il y a de l'énergie à exploiter. (Credit: SPL)

 

L'énergie bleue bientôt la nouvelle énergie verte ?


L'énergie bleue fut proposée pour la première fois en 1954 par l'ingénieur anglais R E Pattle. On l'appelle parfois "énergie osmotique", car elle utilise le phénomène d'osmose.

Pour comprendre comment cela fonctionne, imaginez-vous deux solutions d'eau avec différentes concentrations d'une substance dissoute telle que le sel. Si ces deux solutions sont séparées par une mince membrane semi-perméable, cela laisse passer l'eau à travers mais pas les ions de sel, aussi l'eau ira naturellement du côté le moins salé vers le plus salé.

L'écoulement de l'eau à travers la membrane accumule de la pression sur un coté, pression qui peut être utilisée pour actionner des turbines et générer de l'électricité.

Il n'était pas possible d'exploiter l'idée de Pattle pour la production d'énergie jusque dans les années 70. C'est alors que des matériaux artificiels pour la création de membranes semi-perméables ont commencé à être commercialisés.

Un scientifique israélien, Sidney Loeb, a suggéré qu'elles pouvaient être utilisées dans ce qu'il appelait des "centrales osmotiques"; Loeb espérait qu'elles puissent exploiter l'énergie libérée par la rivière Jourdain lorsqu'elle se mélange avec la Mer Morte très salée.

De telles centrales fonctionnent en réalité non pas quand le courant traversant la membrane est le plus fort possible, mais lorsqu'il est un peu ralenti. Cela peut être réalisé en comprimant l'eau salée afin que la pression empêche l'afflux d'eau douce de l'autre coté de la membrane. En conséquence, cette technologie est appelée "osmose à pression retardée".


De la technique de l'osmose à pression retardée à l'électrolyse inverse


La première centrale à énergie bleue utilisant l'osmose à pression retardée a été ouverte à Tofte, en Norvège, en 2009 par la société Starkraft, et a généré une capacité de 4kw (ce qui est bien petit comparé aux 5000kw d'une petite centrale nucléaire).
Cependant, bien que le procédé fonctionne, la société s'est rendue compte que cela n'était pas rentable. les dispositifs ne produisaient pas assez de puissance pour compenser les coûts de construction, d'exploitation et de maintenance. Starkraft ferma l'usine en 2013.

Malgré tout, les développeurs commerciaux ne se sont pas découragés. A l'institut de l'eau Wetsus de Leeuwarden en Hollande, une entreprise spin-off appelée REDstack a commencé l'exploitation d'une nouvelle méthode de puissance osmotique. Il s'agit de l'électrodialyse inverse (RED) utilisée dans une centrale prototype. Cette technique est légèrement différente de l'osmose à pression retardée.
Elle implique des membranes qui permettent aux ions de sel (plutôt que des molécules d'eau) de passer à travers.

L'intérieur d'une centrale osmotique, aujourd'hui arrêtée, en Norvège(Credit: Getty Images)

Il y a deux types de membranes: l'une qui permet aux ions de sodium chargés positivement de passer à travers, et l'autre qui laisse passer les ions de chlorures chargés négativement.
Ces membranes sont utilisées pour faire une sorte de multi-plateforme d'eaux prises en sandwich dans lesquelles les couches d'eau salée alternent avec les couches d'eau douce, avec les deux types de membranes transportant les ions en alternance avec chaque couche.

Ce dispositif produit une tension électrique, qui peut alors être exploitée pour produire directement un courant électrique, sans avoir besoin de passer par des turbines à pression.

Donc, en théorie, cette méthode peut être particulièrement efficace pour capter l'énergie de ce processus de mélange.


La méthode Capmix


Les scientifiques de Wetsus étudient aussi une troisième méthode appelée capmix (mélange capacitif). Ici, l'eau de mer et l'eau douce sont amenées alternativement dans une chambre contenant deux électrodes qui servent de dispositif de stockage de charge (ou condensateurs). Ce procédé génère aussi de la tension.

Un consortium européen incluant des instituts de Hollande, d'Italie, de Pologne et d'Espagne explore la technologie capmix depuis 2010.  Il reste encore des choses à trouver. Par exemple, une équipe de l'Université d'Utrecht menée par le physicien Rene van Roij a montré récemment qu'en principe, l'énergie produite par les dispositifs capmix pourrait être doublée si l'eau douce qui est mélangée à l'eau de mer est réchauffée, jusqu'à 50°C ou plus. Il n'y a pas besoin de brûler des combustibles fossiles pour faire ce réchauffement: il suffit simplement d'utiliser les eaux usées chauffées dans la transformation industrielle (celle qui refroidit l'eau des centrales ou des data centers par exemple).

Par une heureuse coïncidence, une équipe indépendant de l'Université de Grenade en Espagne a démontré que cela fonctionne dans la pratique en même temps que le groupe hollandais travaillait sur la théorie.

L'osmose fonctionne avec n'importe qu'elle différence de concentration de substances dissoutes (comme disons le sucre).

Ainsi "l'énergie bleue" n'est pas limitée au mélange des eaux douces et eaux de mer. En 2013, une équipe de Wetsus a suggéré qu'il pourrait être possible de générer de l'électricité à partir de gaz de dioxyde de carbone dissous, qui pourrait être capturé à partir des centrales électriques à combustibles fossiles. Le dioxyde de carbone se dissout facilement dans l'eau et produit de l'acide carbonique,
qui se transforme alors en ions de bicarbonate et d'hydrogène.Ceux-ci peuvent être rassemblés autour d'électrodes dans un procédé capmix de la même manière que le font les ions de sel.

Tout comme la méthode capmix, cela consiste à rincer alternativement le système avec de l'eau salée et de l'eau douce, si ce n'est que cette nouvelle méthode entraînerait d'abord le rinçage de l'eau avec du dioxyde de carbone (pour créer l'équivalent de l'eau salée), puis ensuite avec de l'air pur (l'équivalent de l'eau douce).

Les chercheurs estiment que dans le monde entier, les gaz de combustion des centrales à combustibles fossiles contiennent suffisamment de dioxyde de carbone pour engendrer environ 850 térawatt-heures d'électricité par an: soit presque 100 fois la consommation annuelle de la Grande-Bretagne.

Voila donc une idée merveilleuse et subversive à la fois: le dioxyde de carbone, qui est généralement une partie du problème, devient ici une partie de la solution...


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