L'osmose ou comment extraire l'énergie dans l'eau salée

12/01/2015
Lydéric Bocquet
LPS, ENS Paris
Delphine Chareyron

Résumé

Cet article présente le phénomène d'osmose et ses applications pour la création d'énergie renouvelable, il est tiré de « Fluides en mouvement, du monde macroscopique au nano-monde... et vice-versa », une conférence de Lydéric Bocquet donnée le 28 octobre 2014 pour le « Congrès 2014 de l'Union des Professeurs de Physique et Chimie », organisé à Lyon.

Table des matières

1. L'osmose, qu'est-ce que c'est ?
    1.1 Définition et historique
    1.2 L'osmose sous l'angle de la physique statistique
2. Générer de l'électricité
3. Des premiers tests grandeur nature
    3.2 Les problèmes de rendement
    3.2 Les opportunités données par les nouveaux matériaux
4. Réponse osmotique avec des nanotubes bore-azote

1. L'osmose, qu'est-ce que c'est ?
   1.1 Définition et historique

En cuisine, lorsque l'on veut faire dégorger un concombre, on le saupoudre de sel. De cette façon cela crée une solution très salée à l'extérieur qui engendre un mouvement de l'eau du côté le moins salé vers le côté plus salé. Le concombre se comporte comme une membrane semi-perméable qui permet de laisser sortir l'eau sans laisser entrer le sel dans sa chair : c'est le phénomène d'osmose.

On retrouve ce phénomène d'osmose dans le vivant comme, par exemple, dans les filtres au niveau des reins (aquaporing) où chaque jour 200 L de plasma sont filtrés. Il est aussi utilisé dans beaucoup d'applications comme notamment les salaisons, où le sel vient absorber la quantité d'eau disponible pour les bactéries qui vont finir par périr.

Le point clé est que l'eau se déplace vers les zones salées. Ainsi le phénomène d'osmose réalise la conversion d'énergie chimique (car on est en présence d'un gradient de potentiel chimique) en énergie mécanique par le biais d'un écoulement de fluide qui va de la zone la moins salée vers la plus salée.
Loi de van't Hoff

Ce phénomène a été décrit pour la première fois par van't Hoff qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1901 pour ses travaux sur l'osmose. La loi qu'il a proposée n'est ni plus ni moins que la loi des gaz parfaits, c'est-à-dire qu'il décrit l'osmose simplement comme une pression. C'est une loi très simple qui s'écrit :

Δ Π = RT ΔCsel

où Π représente la pression osmotique, R la constante des gaz parfaits, T la température en K et Csel la concentration en sel.

Le phénomène d'osmose, conversion d'énergie

Source - © 2014 L. Bocquet

Figure 1. Le phénomène d'osmose, conversion d'énergie

En guise d'illustration, si on dispose de deux fluides qui présentent une différence de salinité de 1 mol.L-1, de part et d'autre d'une surface semi-perméable qui ne laisse pas passer le sel, la différence de pression obtenue sera de l'ordre de 50 bar. C'est gigantesque et équivalent à un barrage de 500 m de hauteur. En prenant maintenant l'eau d'un fleuve et l'eau de mer, la différence de salinité est de 0,6 mol.L-1, cela induit une différence de pression de 30 bar.
1.2 L'osmose sous l'angle de la physique statistique

On peut apporter un autre éclairage sur la définition de l'osmose. Usuellement on la décrit en terme d'un équilibre de potentiels chimiques entre la phase saline et la phase sans sel, en disant que la solution s'équilibre des deux côtés. Ainsi lorsque la solution n'est pas au bon potentiel chimique du côté non salé, elle va transférer de l'eau pour diluer au maximum l'eau salé.

On peut voir cela peut-être plus simplement à l'aide de la physique statistique en montrant que toute la difficulté dans ce système et qui disparaît dans le résultat final, c'est le rôle de la membrane semi-perméable qui ne laisse passer que l'eau et pas le sel. Il suffit de voir cette membrane comme une barrière d'énergie pour le sel mais pas pour l'eau. Il est possible de décrire la distribution des particules de sel du soluté par une loi de Boltzmann. En présence d'une différence de profil de densité de salinité, on peut calculer la force exercée par la membrane sur le fluide. Cette force (en orange sur le schéma de la figure 2) s'exprime simplement comme le nombre de molécules de sel fois la force élémentaire par molécule. Quand on intègre cela de chaque côté de la membrane, on obtient effectivement une différence de pression.
Le phénomène d'osmose, conversion d'énergie

Source - © 2014 L. Bocquet

Figure 2. Le phénomène d'osmose, conversion d'énergie

C'est une description plus moléculaire mais qui permet d'aller plus loin. On peut, par exemple, réfléchir à des systèmes disymétriques ou des systèmes qui laissent peu passer le sel.

À partir de ce principe relativement élémentaire, on peut imaginer créer des diodes osmotiques, c'est-à-dire des diodes pour lesquelles l'eau passe dans le sens du gradient de salinité mais pas dans l'autre sens.

2. Générer de l'électricité

Maintenant comment allons-nous générer de l'électricité ?

L'idée la plus simple et qui a été démontrée à une échelle pré-industrielle par une entreprise norvégienne, est d'utiliser de l'eau de mer d'un côté, de l'eau de rivière de l'autre côté, et de disposer une membrane semi-perméable entre les deux. Pour trouver l'équilibre l'eau de la rivière traverse la membrane vers le côté plus salé. Ainsi la colonne d'eau salée (en bleu sur la figure 3) monte et s'il y a un débordement, l'eau coule et fait tourner une turbine, générerant de l'électricité de cette façon.
Première utilisation pré-industrielle à grande échelle du phénomène d'osmose pour la création d'électricité

Source - © 2014 L. Bocquet

Figure 3. Première utilisation pré-industrielle à grande échelle du phénomène d'osmose pour la création d'électricité

Nouvelles pistes pour l'énergie renouvelable

Si on fait une estimation, au niveau mondial, de la quantité d'énergie contenue dans ces gradients de salinité, on est de l'ordre du Térawatt !

On donne pour comparaison que 1 Térawatt équivaut à l'énergie fournie par 1 000 réacteurs nucléaires ! C'est donc une piste à explorer.

Source : Nature, numéro 488 du 16 août 2012 « Membrane-based processes for sustainable power generation using water », Bruce E. Logan et Menachem Elimelec.

A consulter sur le thème des sources d'énergie :

Mémento sur l'énergie 1, un mémento sur l'énergie pour faire le point sur les définitions et unités associées à l'énergie, dans le domaine de la physique, de la technologie, ainsi qu'en économie, compte tenu du débat actuel sur notre avenir énergétique.
Mémento sur l'énergie 2, un article qui fournit des données quantitatives sur l'énergie solaire : son origine due à la fusion nucléaire de l'hydrogène, la quantité d'énergie produite, le spectre du rayonnement émis et la puissance reçue à la surface de la terre. 

Deux grosses difficultés se présentent à l'heure actuelle pour le développement industriel de tels convertisseurs d'énergie renouvelable :

la première consiste à trouver comment récupérer cette énergie de façon efficace, la géographie de la planète imposant souvent le ré-aménagement du territoire,
l'autre grande difficulté réside dans la réalisation des membranes semi-perméables.

3. Des premiers tests grandeur nature
   3.2 Les problèmes de rendement

Les premiers tests grandeurs nature ne donnent pas encore satisfaction. La grosse difficulté est posée par les membranes. La puissance est le flux d'eau fois la différence de pression, or ici la différence de pression est gigantesque mais pour que le sel ne traverse pas mais que l'eau traverse, il faut avoir une membrane qui a des pores nanométriques jusqu'à sub-nanométriques.

Avec des pores si petits, la perméabilité de la membrane est extrêmement faible ainsi le flux de l'eau traversant la membrane est très faible et la puissance que l'on peut récupérer de ce système se mesure en quelques W/m2 de membrane, ce qui n'est pas suffisant pour rendre le processus commercialement rentable (de l'ordre de 5 W/m2). Ce rendement a pu être atteind en utilisant des saumures issues de puits très profonds où la salinité de l'eau dépasse largement 1 à 2 mol.L-1. Par contre l'eau de mer qui est à 0,6 mol.L-1, n'est pas suffisante pour créer assez d'énergie avec ces membranes.

Donc comme la membrane est le point clé et qu'elle n'a, pour l'instant, pas été optimisée, on peut se demander si la connaissance du transport de fluide aux nanoéchelles ne peut pas proposer des solutions nouvelles.
3.2 Les opportunités données par les nouveaux matériaux

La bonne nouvelle est que de nouveaux matériaux font parler d'eux dans la littérature et semblent permettre de révolutionner ce domaine.

Dans un article paru dans la revue Science en 2006, les auteurs [Holt et al, 2006] ont fabriqué des membranes à base de nanotubes de carbone de 1 à 2 nanomètres de rayon. Ils ont mesuré la perméabilité de ces membranes, c'est-à-dire le flux pour une différence de pression donnée et ont trouvé qu'elle est jusqu'à 4 ordres de grandeur plus grande que ce que l'on attend par l'équation de Navier-Stokes.

On a pu montrer récemment que le nanotube de carbone est très particulier. Il possède une surface qui a une interaction assez neutre avec l'eau, mais les frottements entre les molécules d'eau et la matrice de carbone sont anormalement faibles. Cela vient du fait que la structure de l'eau est incommensurable par rapport à la structure du carbone. C'est comme si les deux structures ne s'appareillaient pas, ce qui réduit le frottement, exactement comme dans le cas d'un frottement solide-solide mais vu ici entre un fluide et un solide.

4. Réponse osmotique avec des nanotubes bore-azote

Nous avons effectué des recherches [Siria et al, 2013]à partir d'un seul nanotube, afin de bien comprendre les problématiques en jeu, pour ensuite développer des membranes de grandes tailles. Le nanotube est composé d'atomes de bore et d'azote, à la place de carbone pour des raisons techniques. Il mesure environ dix nanomètres de diamètre. Nous avons appliqué une différence de salinité de chaque côté du nanotube et nous avons mesuré le courant électrique généré. En analogie avec le potentiel chimique, le courant induit est proportionnel au gradient du logarithme de la concentration en sel. Il atteint ici une intensité de l'ordre du nanoampère.
Résultats obtenus avec un nanotube de bore-azote

Source - © 2014 L. Bocquet

Figure 4. Résultats obtenus avec un nanotube de bore-azote

Le graphe présente la puissance osmotique créée en fonction de du taux de concentration en sel. Les courbes rouge, jaune et violette sont otenues pour différentes valeurs de pH.

On s'intéresse maintenant à la puissance produite avec cette technologie pour la comparer avec d'autres types de membranes. Le calcul de la puissance est obtenu en intégrant l'énergie sur toute la surface du nanotube. On trouve que l'on peut ici produire jusqu'à 4 kW/m2. Le chiffre qu'il faut retenir c'est que l'on atteint le kiloWatt contre quelques Watt, dans le cas des membranes de technologies différentes.

Ces très bons résultats sont aussi dûs à la spécificité très forte des matériaux bore et azote. De la même façon que les nanotubes de carbone montraient un caractère très particulier au niveau de la perméabilité, les nanotubes de bore-azote sont extrêmement singuliers du point de vue de leur interaction avec l'eau. Ces nanotubes présentent une charge de surface très grande, ce qui permet de convertir de façon très efficace la différence de salinité en courant électrique. Et cela ouvre énormément de perspectives pour le futur.

Il est intéressant de revenir à la question initiale, c'est-à-dire comment rendre efficace les processus osmotiques. Avec ce genre de membrane, on sait que l'on est capable d'y arriver. Les puissances obtenues ici sont complètement au-delà des puissances actuelles. Ces résultats ont été obtenus avec un seul nanotube, il reste à faire toute la démarche pour développer des membranes de nanotubes à grande échelle. Il faut maintenant intéresser des industriels.

Voir la conférence « Fluides en mouvement, du monde macroscopique au nano-monde... et vice-versa », par Lydéric Bocquet (2014), dont est tiré cet article.

Bibliographie

[Holt et al, 2006] « Fast mass transport through sub-2-nanometer carbon nanotubes », Holt et al, Science, numéro 312 du 19 mai 2006.

[Siria et al, 2013] « Giant osmotic energy conversion measured in a single transmembrane boron nitride nanotube », Siria et al, Science, numéro 494 du 28 février 2013.

Et si les égouts produisaient de l’électricité ?

Des chercheurs américains (université de Stanford, Californie) ont mis au point une pile microbienne qui produit de l’électricité grâce aux eaux usées.
Pile à combustible microbienne

La pile à combustible mise au point par des scientifiques de Stanford permet de produire de l’électricité à partir des eaux usées.
Comment fonctionne la pile microbienne ?

Les eaux usées contiennent des micro-organismes qui se développent dans des milieux dépourvus d’oxygène, et qui produisent un courant électrique en « digérant » les déchets organiques contenus dans les eaux usées. Le test a été effectué dans un tube à essai rempli de déchets organiques et muni de deux électrodes : dans ce milieu, les micro-organismes en question s’assemblent tous autour de l’électrode négative et libèrent des électrons, qui sont alors captés par l’électrode positive. Ce processus crée un courant électrique et permet donc de produire de l’énergie et de dépolluer l’eau.
Pour quel rendement ?

Le rendement de ce processus s’élève à 30 %. Selon les chercheurs à l’origine de cette découverte, les opérations de dépollution des eaux (la plupart du temps, de l’oxygène est injecté dans l’eau pour permettre aux bactéries conventionnelles de dégrader la matière organique) régulièrement menées dans certains pays représenteraient 3 % de leur consommation énergétique globale. Cette découverte pourrait donc faciliter ces opérations et permettre de faire des économies d’énergie.

Un générateur qui exploite l’électricité statique

Aujourd’hui, il est nécessaire de trouver de nouveaux moyens pour produire de l’électricité sans polluer tout en réduisant les coûts de production. Des ingénieurs chinois ont mis au point un générateur électrique nouvelle génération. C’est en observant des phénomènes naturels qu’ils ont eu l’idée d’exploiter l’électricité statique.

Production d'élecricité

L’appareil qu’ils ont conçu permet donc de créer et d’exploiter des charges électrostatiques. Il s’agit d’un assemblage de plusieurs disques : l’un d’entre eux tourne, comme une roue de vélo, et cette rotation crée un courant électrique recueilli par le dispositif. Ce générateur permettrait ainsi de produire de l’électricité à partir de gestes du quotidien : eau qui coule du robinet, vent généré par un ventilateur… L’électricité pourrait servir à recharger un téléphone portable par exemple ou à alimenter des ampoules. Autre avantage : le prix de revient d’un générateur de ce type serait bien inférieur à celui d’un générateur classique. En outre, son rendement pourrait atteindre celui des alternateurs utilisés dans les centrales électriques.

Si le prototype imaginé par ces ingénieurs chinois ne permet, pour l’instant, que de produire une petite quantité d’électricité, il pourrait être perfectionné. Les scientifiques travaillent d’ores et déjà sur ses dimensions pour lui permettre de produire de l’électricité à grande échelle en générant de l’électricité à partir du mouvement des vagues.

Et si vos toilettes produisaient de l’électricité
C’est ce qu’ont imaginé des chercheurs…

Des scientifiques de Nanyang Technological Univesity (NTU) à Singapour ont inventé un système de toilettes capables de produire de l’électricité et de réduire le volume d’eau utilisé. Leur système s’appuie sur la technologie de l’aspiration sous-vide que l’on trouve déjà dans les toilettes des avions. Ainsi le rinçage consommerait de 0,2 à 1 litre d’eau (contre 4 à 6 litres pour des toilettes classiques). Par conséquent, cette innovation permettrait de faire d’importantes économies d’eau. « L’objectif ultime de cette découverte est non seulement d’économiser l’eau, mais surtout d’optimiser la valorisation des ressources », a déclaré le Professeur Wang Jing-Yuan.
toilettes

Des toilettes qui produisent de l’électricité.
Comment fonctionnent-ils ?

Une partie des déchets, dont on extrait le phosphore, le potassium et l’azote notamment, est transformée en engrais et peut servir de fertilisant. L’autre partie est renvoyée vers un bioréacteur. Les déchets génèrent ainsi du biogaz. Il s’agit d’un gaz essentiellement composé de méthane. A quoi sert-il ? Il peut parfaitement remplacer le gaz naturel, dans les appareils de cuisson, comme combustible pour les moteurs à gaz, et enfin, pour produire de l’électricité. Le biogaz est brûlé et génère de la vapeur. A son tour, la vapeur alimente une turbine qui entraîne un alternateur qui produit de l’électricité.
Récupération des déchets de la maison

De plus, les chercheurs ont imaginé coupler ces toilettes écologiques avec un système de récupération des autres ressources de la maison. Ainsi, les déchets alimentaires pourraient être, eux aussi, envoyés vers le bioréacteur, tandis que les eaux usées issues des douches, bains et autres vaisselles bénéficieraient d’un système d’assainissement les dispensant de suivre le circuit classique, complexe et fort gourmand en énergie, de traitement des eaux usées.

Les scientifiques qui ont mis au point ces toilettes nouvelle génération espèrent pouvoir les commercialiser dans les trois années à venir.

Produire de l’électricité avec du plastique et des courants d’air

Produire de l’électricité à partir des courants d’air, telle est l’idée de Charlotte Slingsby, une étudiante du Royal College of Art de Londres. Elle a imaginé un matériau facile et économique à produire, composé de plastique, et qui permet de générer de l’électricité à partir des courants d’air.

Plastique et production d'électricité.
Comment produire de l’électricité à partir du plastique ?

Le matériau imaginé par Charlotte Slingsby ressemble à une feuille de plastique composée de filaments et dans lesquels sont insérés des films électriques. Ces derniers produisent de l’électricité à partir des courants d’air grâce à la piézoélectricité : la pression exercée sur le matériau par les courants d’air est transformée en signal électrique. L’électricité produite est stockée dans une batterie.
Quelles sont les applications possibles ?

L’avantage majeur de ce matériau est qu’il permet de produire de l’électricité quelles que soient les conditions. Si le rendement de Moya (nom donné à ce matériau) n’atteint pas celui des panneaux solaires, il permet d’avoir accès à l’électricité partout.

De plus, Moya est translucide et flexible, ce qui pourrait permettre de nombreuses applications. Pour l’instant, il ne s’agit que d’un projet, mais si l’on en croit Charlotte Slingsby, il pourrait faire l’objet de recherches pour améliorer son rendement et être commercialisé d’ici cinq ans.

Biométhanisation : quand les fruits et légumes produisent de l’énergie

Et si la lampe de votre bureau éclairait grâce à des pommes ? Pour valoriser leurs productions invendues, certains agriculteurs ont en effet recours à la biométhanisation, un procédé qui permet de transformer la matière organique en électricité, chaleur et carburant. Présentation d’une solution en développement, particulièrement intéressante sur le plan environnemental.

À la fin d’une récolte, il arrive que certains fruits et légumes ne puissent être vendus. Parce qu’ils ne répondent pas aux exigences des cahiers des charges, ils deviennent alors ce qu’on appelle des « écarts de tri », c’est-à-dire des déchets. Or ceux-ci pèsent sur les exploitations agricoles qui doivent prendre en charge leur stockage et leur traitement. Ils ont également un coût environnemental puisqu’ils représentent de l’énergie, des engrais, de l’eau mis à contribution pour rien. Alors, pour valoriser leurs déchets fermentescibles, les agriculteurs se tournent de plus en plus vers la biométhanisation.
Un procédé naturel reproduit au niveau industriel

La méthanisation est une opération naturelle de dégradation de la matière organique qui se produit dans un milieu anaérobie, c’est-à-dire en l’absence d’oxygène. La méthanisation s’observe par exemple dans les marais, les sols ou les intestins des animaux et des hommes. La biométhanisation, elle, est donc la reconstitution, dans un cadre industriel, des conditions de cette méthanisation.
« Son objectif : valoriser les déchets agricoles et produire à la fois un compost appelé digestat, mais aussi du biogaz ».

Si certaines exploitations possèdent leur propre unité de méthanisation, la plupart restent collectives compte tenu des investissements importants exigés. Les agriculteurs vont y apporter leurs fruits et légumes non consommables, mais aussi les effluents d’élevage, les déjections animales, les résidus de récolte, les déchets de silos et de céréales, etc. Toutes ces matières sont ensuite stockées dans une cuve hermétique appelée digesteur ou méthaniseur. Le choix des matières réunies est crucial car il va déterminer le niveau de production de biogaz et la qualité du digestat. À ce titre, les fruits et légumes sont particulièrement appréciés en ce qu’ils présentent de hauts potentiels méthanogènes.

Dans le digesteur, à l’abri de la lumière et sans oxygène, les fruits et légumes vont être brassés et chauffés pour accélérer leur fermentation sous l’action des bactéries. On parle de digestion anaérobie.
« La méthanisation sera complète au bout d’une période de 40 à 60 jours »

et permettra d’obtenir un digestat, soit un compost désodorisé et hygiénisé qui servira à l’épandage des cultures, augmentant l’autonomie des agriculteurs en azote et donc limitant le recours aux engrais et fertilisants de synthèse. La biométhanisation produira également du biogaz.
Le biogaz, énergie renouvelable d’avenir

Composé à 55% de méthane, 40% de dioxyde de carbone, mais aussi de sulfure d’hydrogène, d’eau et d’impuretés diverses, le biogaz a deux destins possibles. Il peut par exemple servir de combustible pour produire de l’électricité et de la chaleur. Le procédé s’appelle la cogénération. La combustion du biogaz dans un moteur entraîne un alternateur qui produit du courant utilisé sur place ou bien vendu pour être injecté dans le réseau de distribution national. Et comme rien ne se perd, la chaleur dégagée par le moteur est elle aussi récupérée pour servir aux serres agricoles ou être transformée en eau chaude qui sera distribuée localement.

Mais le biogaz peut également être traité pour devenir du biométhane. En lui retirant le dioxyde de carbone, l’hydrogène sulfuré et l’eau, sa qualité de gaz devient équivalente à celle du gaz naturel. Il est alors une énergie renouvelable non fossile qui peut être utilisée comme carburant ou injectée dans le réseau de gaz pour le chauffage et la cuisson. De plus en plus de fournisseurs proposent d’ailleurs à leurs clients du « gaz vert » issu d’un procédé de méthanisation.
« En dehors de la valorisation des déchets agricoles qui contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, la biométhanisation permet donc de réduire le recours aux intrants et se révèle source d’une énergie exploitable sous différentes formes ».

Dans un monde qui exige des agriculteurs qu’ils produisent davantage pour répondre à la demande alimentaire tout en respectant l’environnement, elle se présente comme un outil-clé de la transition énergétique.

Sources

https://www.energystream-wavestone.com/2012/11/des-fruits-producteurs-de-biogaz/
https://www.semencemag.fr/methanisation-biogaz-matieres-vegetales.html
https://www.actu-environnement.com/ae/dictionnaire_environnement/definition/biomethanisation.php4
https://www.futura-sciences.com/planete/questions-reponses/energie-renouvelable-methanisation-agricole-ca-marche-4136/
https://chambres-agriculture.fr/exploitation-agricole/developper-des-projets/economie-et-production-denergies/la-methanisation-agricole/
https://agriculture.gouv.fr/infographie-la-methanisation-agricole
https://www.planete-energies.com/fr/medias/points-de-vue/la-methanisation-en-europe
http://www.biogas-renewable-energy.info/
https://www.biogaz-europe.com/en/visitors/biogas-in-france/

module de chat

Ğeconomicus est un jeu de simulation économique permettant de découvrir l’influence de la création monétaire sur les échanges. Les joueurs y achètent et vendent des valeurs économiques dans le but d’en créer de nouvelles. Le temps est un facteur important du jeu, à plusieurs niveaux, notamment par le cycle de vie des humains et des valeurs.

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Le jeu se présente comme un site web libre (à télécharger et installer sur son propre site) comprenant les règles, des modèles de cartes et de billets spécifiques à imprimer, des fichers tableurs permettant la réalisation de comptes rendus finaux ainsi que des liens vers des exemples de réalisations complètes (vidéos, sites internet...).