L’énergie osmotique : tout savoir

Avant de comprendre ce qu’est l’énergie osmotique, il faut comprendre le phénomène chimique d’osmose. Ce phénomène se passe entre des molécules de solvant (l’eau par exemple) et les solutés (le sel par exemple). 

Lorsque l’on place deux liquides avec une concentration en soluté différente (l’eau d’un fleuve et l’eau de mer) en les séparant avec une membrane semi-perméable (elle laisse passer certaines molécules et pas d'autres, plus grosses), les molécules de solvant situées dans la partie moins salée vont “passer” dans la partie la plus salée.

Concrètement, l’eau de la partie moins salée (milieu hypotonique) va avoir tendance à “vouloir” rejoindre la partie la plus salée (milieu hypertonique) pour dissoudre le soluté et ainsi équilibrer les deux eaux (c’est ce qu’on appelle un milieu isotonique).

Il faut voir ce phénomène comme une tentative des molécules de solvant d'équilibrer la concentration en soluté dans un autre liquide en l’envahissant pour diluer le soluté. 

A l'embouchure d’un estuaire, le groupe numéro 1, composé de 4 molécules de solvant, se balade avec 1 molécule de soluté qui lui colle aux baskets (le liquide est peu salé). 

Soudain, elles croisent 6 autres molécules (le groupe numéro 2) de solvant accompagnées par 5 de soluté (le liquide est donc plus salé). 

Les deux groupes sont séparés par un grand grillage (la paroi semi-perméable) dont les trous sont assez grands pour laisser passer les molécules de solvant. Les molécules de soluté, trop massives et musculeuses (c'est une image, les molécules ne vont pas à la salle de fitness) ne peuvent, elles, pas passer. 

Les molécules de solvant (du groupe numéro 1) qui ne sont pas cernées par les solutés, comme leurs consœurs, vont alors se précipiter vers le grillage en passant sans mal pour rejoindre le groupe numéro 2 et ainsi équilibrer le nombre de molécules de soluté par rapport au nombre de molécules de solvant. 

Les solutés qui suivaient le petit groupe numéro 1 sont bloqués par la barrière et restent donc de l’autre côté.

🚨Ce phénomène s’observe uniquement avec deux solutions liquides ayant des concentrations de solutés différentes et séparées par une paroi semi-perméable.

Lorsque les molécules de solvant foncent vers le milieu hypertonique pour aider les autres molécules de solvant cernées par plus de solutés, elles créent un mouvement qui génère de l’énergie sous forme de pression. Le mouvement de l’eau fait donc augmenter la pression dans l’eau.

L’énergie osmotique est donc celle qui se dégage de la rencontre entre deux eaux ayant des concentrations en soluté différentes. Concrètement, cela se passe tous les jours et partout autour de la planète. Lorsque l’eau d’un fleuve rencontre l’eau de la mer par exemple.

Depuis 2022, l’énergie osmotique est classifiée comme énergie renouvelable par la directive de l’Union Européenne sur les énergies renouvelables.

En effet, cette énergie est présente naturellement dans la rencontre entre les eaux salées des mers et des océans et celles bien moins salées des rivières, cours d’eau, et autres estuaires. Plus encore, contrairement à l’énergie solaire ou éolienne, elle est stable et peut être produite en continu, ce qui en fait une énergie plus sûre en matière d'approvisionnement.

En théorie, l’énergie osmotique représente un apport de 17 000 TWh par an. Pour se faire une idée, le parc nucléaire mondial a généré 2 553 TWh en 2020. On parle donc d’une source d’énergie qui pourrait potentiellement devenir la première en termes de production sur la planète. Plus encore, comme nous l’avons souligné, l'énergie osmotique est continue et ne dépend pas de la météo, contrairement au solaire ou à l'éolien. Ce qui en fait une ressource plus stable.

Quelle fantastique nouvelle ! Qu’attendons-nous donc pour faire pousser des centrales à énergie osmotique partout ? Eh bien, les technologies ne sont pas encore tout à fait au point. Néanmoins, les chercheurs dans le domaine semblent être sur la bonne voie !

Les deux technologies les plus avancées fonctionnent avec une membrane semi-perméable et deux contenants avec une eau d’une salinité différentes (typiquement l’eau d’un fleuve et l’eau de mer).

La PRO fonctionne d’une manière mécanique. Le phénomène d’osmose qui voit l’eau moins salée envahir l’eau plus salée fait augmenter la pression dans le contenant d’eau plus salée. Cette pression actionne ensuite une turbine qui permet de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique.

Avec cette technologie, le processus est complètement différent. L’eau passe dans des membranes échangeuses d'ions qui distinguent les ions positifs présents dans le sel de ses ions négatifs. Ceux-ci sont séparés grâce à l’effet d’osmose et traversent des membranes différentes. C’est cette séparation des charges positives et négatives qui produit un courant ionique. Ce courant ionique est alors transféré en courant électrique.

Quelques expériences en réel ont déjà vu la construction de centrales à énergie osmotique, développant la technologie RED ou PRO. Toutefois, les résultats ne sont pas encore assez probants pour espérer un développement à grande échelle dans un futur proche. Les membranes sont chères à développer et il faut une surface gigantesque pour produire une quantité suffisante d'électricité pour que l'installation soit rentable. Plus encore, par son principe même, la salinité de l’eau au sein des contenants a tendance à s’équilibrer avec le temps, diminuant la productivité énergétique du phénomène.

Parce que l’humain n’abandonne pas si facilement devant la difficulté, des recherches de nouveaux matériaux pour rendre des membranes plus performantes sont en cours.

Lydéric Bocquet et son équipe de l'Ecole Normale Supérieure tentent de créer une nouvelle façon d’exploiter ce phénomène à l’échelle nanométrique. Leurs expériences montrent que le transport des ions au sein d’un nanotube en nitrure de bore (sans doute une matière légendaire que l’on peut trouver après une longue quête) placé entre deux réservoirs à la salinité différente (eau douce et eau salée) crée un important courant ionique dans le nanotube (dont la valeur dépasse tout ce qui a été mesuré jusqu’alors).

Si l’on ramène cette expérience à une échelle humaine, 1 m² de cette membrane pourrait produire 4 kW (on se calme, cette mise en échelle n’est pas réaliste selon les chercheurs eux-mêmes) !

Le chercheur Cyril Picard, lui, tente une autre approche au niveau de la membrane par l’utilisation d’une poudre nanoporeuse. 

Il est à noter que toutes ces recherches n’en sont encore qu’au stade expérimental.Toutefois elles ouvrent la voie à d’autres théories qui verront le jour dans le futur et permettront d’inventer des systèmes réalistes dans ce domaine ! Pour le moment, on n’y est pas encore.

Si l’énergie osmotique n’est pas encore à la portée de toutes et tous, ce n’est pas le cas de l’éolien ou du solaire (les garanties d'origine des énergies renouvelables permettent de confirmer que le fournisseur injecte bien de l'électricité verte dans le réseau) ! Que ce soit avec une installation solaire sur toiture ou par un panneau solaire plug and play qu’il suffit de brancher pour produire de l'électricité, le solaire est une solution fiable et rentable. Afin de participer à la transition énergétique en faisant des choix éclairés, Ekwateur offre un suivi de votre projet solaire de A à Z.

Cette collaboration s’incarne en trois grandes étapes : 

L’exploitation de l’énergie osmotique est encore au stade d'expérimentation pour le moment. Toutefois, avec la perpétuelle avancée scientifique, nul doute que des solutions de plus en plus rentables seront trouvées. Avec un potentiel formidable, une production en continu sans aléas et une présence de ce phénomène tout autour de la planète, l'énergie osmotique a un avenir radieux devant elle !