Forums des énergies : société, écologie et technologies propres

L'eau salée changée en source d'électricité par des nanotubes

Plus c'est petit, plus l'effet est géant ! Ce paradoxe vient d'être observé par une équipe de l'université de Lyon et de l'Institut Néel (CNRS) de Grenoble. Dans la revue Nature du 28 février, ces chercheurs montrent que percer un trou de quelques dizaines de nanomètres à travers une membrane imperméable peut avoir des effets inattendus et importants sur le transport d'espèces chimiques au sein de ce mini-canal.
En particulier, plonger ce dispositif dans un réservoir d'eau salée contenant du chlorure de potassium permet de séparer très efficacement les charges positives (liées au potassium) et négatives (liées au chlore) de part et d'autre de la paroi. Un courant électrique peut alors être récupéré.

"Si nous extrapolons ce résultat à une membrane percée de milliards de tels tubes par centimètre carré, nous obtenons des puissances électriques 100 à 1 000 fois plus grandes qu'avec les dispositifs actuels d'énergie osmotique", estime Lydéric Bocquet, professeur au CNRS et à l'Institut lumière matière de Lyon. De quoi récupérer de l'énergie à partir d'eau de mer ou de marais salant.

En fait, ces chercheurs ne percent pas directement leur membrane imperméable en nitrure de silicium. Ils utilisent un nanotube, qu'ils insèrent à l'intérieur d'un trou plus large avant de "colmater" le vide par un scellement de carbone.

"C'est très difficile à faire ! Et le résultat est très beau", estime Loïc Auvray, directeur du laboratoire Matière et systèmes complexes à l'université Paris-VII. Cette technique délicate visait, à l'origine, à construire un dispositif permettant d'étudier les phénomènes en jeu dans un seul petit canal.

DÉPÔT DE BREVET

"Des expériences antérieures avaient montré des effets surprenants avec plusieurs nanotubes de carbone, comme un transport rapide de gaz. Mais, pour bien comprendre ce qui se passe, il nous fallait travailler sur un seul tube, raconte Lydéric Bocquet. Un de nos espoirs est que les équations de la mécanique des fluides que nous connaissons soient différentes de ces échelles nanométriques."

Les premiers essais avec des tubes en carbone échouent. Les chercheurs utilisent alors le nitrure de bore, pour lequel le procédé fonctionne. Et c'est la surprise. "Nous étions perplexes et cela a pris du temps de vérifier nos mesures", se souvient Lydéric Bocquet qui pense avoir maintenant compris pourquoi les charges électriques circulent aussi bien.

En présence d'eau, les parois de nitrure de bore se couvrent de charges électriques négatives, favorisant le drainage par l'eau des potassiums chargés positivement. La faible épaisseur de l'ensemble, un micromètre, fait que le gradient de concentration entre les deux réservoirs est plus important, donc l'effet plus spectaculaire.

L'équipe, qui a déposé un brevet, envisage maintenant de fabriquer une paroi traversée de plusieurs canaux nanométriques ; ce qui demande un nouveau procédé. Peut-être parviendra-t-elle alors à allumer une ampoule seulement à partir d'un bain d'eau salée. Pour Lydéric Bocquet, "il faut trouver des pistes alternatives en matière d'énergie. Et c'est d'autant plus stimulant de travailler sur des voies inexplorées".

David Larousserie

nous obtenons des puissances électriques 100 à 1 000 fois plus grandes qu'avec les dispositifs actuels d'énergie osmotique

Si nous extrapolons ce résultat à une membrane percée de milliards de tels tubes par centimètre carré,

chatelot16 a écrit :les systeme a osmose ne sont pas parfait , il serait possible de faire un peut mieux ... mais 100 ou 1000 fois plus on depasse le maximum theorique et on peut faire un mouvement perpetuel

avec 1000 fois plus que l'osmose on alimente largement une usine de desalinisation et on recommence !

De l’électricité en osmose avec la nature

Aujourd’hui est inaugurée à Tofte, en Norvège, la première centrale au monde qui produira du courant électrique en tirant profit du mariage entre l’eau salée et l’eau douce, selon le principe de l’osmose. Reportage sur les rives de l’Oslofjord, et détails sur cette nouvelle source d’énergie renouvelable et 100% propre pour l’environnement

.......Aujourd’hui à Tofte, hameau de l’Oslofjord situé à 58 km de la capitale norvégienne, la princesse Mette-Marti inaugure la première centrale électrique au monde tirant profit de ce phénomène ubiquitaire sur la Terre, dans les plantes comme dans nos corps.
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Vu les avancées technologiques dans les années 1990, réexaminer la question valait la peine», confie Stein Erik Skilhagen. Avec les matériaux actuels (acétate de cellulose, polymères de synthèse), le chef de la section Osmosis Power chez Stat­kraft et ses collègues ont fabriqué des membranes performante de 2 ou 3 W/m2. C’est bien mieux. Mais pas encore satisfaisant. «La barre des 6 W/m2 est charnière, analyse Gérald Pourcelly, directeur de l’Institut européen des membranes, dans la revue Science & Vie. On passerait d’une expérience de laboratoire à une technologie qui a des chances d’être compétitive.» Qu’importe, les ingénieurs norvégiens ont décidé de construire une station de démonstration.

A Tofte, l’ensemble tient dans le volume d’un gros appartement, bien humide. Au premier étage, les deux accès d’eau, salée et douce, en provenance celle-là d’un lac voisin. Les membranes, minces comme du papier, sont enroulées par découpes de 30 m2 dans ce qui ressemble à des bonbonnes de gaz, une soixantaine, appelées modules. «Au total, nous avons 2000 m2 de membrane», dit Stein Erik Skilhagen. Les deux types d’eau entrent dans les modules distinctement, subissent le processus osmotique, et font augmenter le volume à la sortie d’eau salée. Le surplus de liquide ainsi «transvasé» est alors expulsé dans une petite turbine tournant derrière une vitre. «Avec elle, nous produirons 2 à 3 kWh d’électricité. De quoi faire fonctionner… une machine à café.» Mais l’important est moins dans la quantité que dans la faisabilité.

«Personne, à ce jour, n’a réussi à générer de l’électricité en conditions réelles avec cette méthode. Aujourd’hui, la pression est grande», confie Stein Erik Skilhagen sans jeu de mot. «Il y a dix ans, Stat­kraft a pris des risques avec ce projet devisé à 20-25 millions d’euros». D’autant plus que «Tofte est l’un des pires endroits de la Norvège; ici, l’eau douce contient d’infimes particules organiques provenant de l’agriculture. Mais si l’idée fonctionne ici, elle sera applicable partout». Ces particules ont une taille de l’ordre du micron. Les techniciens ont donc dû installer un système de filtres primaires, afin d’éviter qu’elles n’obstruent les pores des membranes. «Nous devons tout de même purger celles-ci une fois par jour, avec du chlore parfois, mais sans dommage pour la nature.»

Les ingénieurs de Statkraft voient déjà plus loin. D’ici à 2015, ils envisagent de mettre au point une «station pilote» de 25 mégawatts (MW) cette fois, soit 1000 fois plus qu’à Tofte, ce qui reste peu en comparaison avec une centrale à charbon (1000 MW). Pour ce faire, l’utilisation de 5 millions de m2 de membrane serait nécessaire. Des membranes que Stein Erik Skilhagen travaille à optimiser: «Nous sentons que nous avons tous les éléments en main. Mais, comme un puzzle, il faut trouver la bonne combinaison de paramètres de fabrication. Surtout concernant les flux de diffusion».

Les chercheurs testent aussi de nouveaux matériaux, comme des couches de nanotubes de carbone imprégnées dans un polymère. D’après Stein Erik Skilhagen, la communauté scientifique est de plus en plus active dans ce domaine, notamment aux Etats-Unis, où la société Oasys progresse vite. «Nous serons très observés aujourd’hui. Notre démonstration risque d’être un événement déclencheur dans le monde entier, jusqu’au Japon, où la technologie est aussi éprouvée.»
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Les nanotubes de Bore-Azote permettent donc de réaliser une conversion extrêmement efficace de l'énergie contenue dans les gradients salins en énergie électrique directement utilisable. En extrapolant ces résultats à une plus grande échelle, une membrane de 1 mètre carré de nanotubes de Bore-Azote aurait une capacité d'environ 4 kW et serait capable de générer jusqu'à 30 MegaWatts.heure par an. Ces performances sont trois ordres de grandeur au-dessus de celles des prototypes de centrales osmotiques en service aujourd'hui. Les chercheurs veulent à présent étudier la fabrication de membranes composées de nanotubes de Bore-Azote, et tester les performances de nanotubes de composition différente.

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Des nanotubes pour exploiter au mieux l'énergie osmotique des estuaires

L'énergie osmotique, vous connaissez ? Elle désigne l'énergie exploitable à partir de la différence de salinité entre l'eau de mer et l'eau douce, ces deux eaux étant séparées par une membrane semi-perméable. Faites l'expérience. Mettez en contact un réservoir d'eau salée et un réservoir d'eau douce par l'intermédiaire de membranes semi-perméables adaptées. Il est alors possible de produire de l'électricité, de deux façons différentes, à partir des gradients salins. La première exploite la différence de pression osmotique entre les deux réservoirs, différence qui va permettre de faire tourner une turbine. La seconde consiste à n'utiliser que des membranes laissant passer uniquement les ions. On comprend aussitôt que la capacité théorique de cette énergie osmotique concentrée au niveau des embouchures des fleuves est évidemment gigantesque. On parle d'au moins 1 Térawat qui serait ainsi disponible, soit l'équivalent de 1.000 réacteurs nucléaires. Oui mais voilà, les performances obtenues par les technologies actuelles permettant de récupérer cette énergie osmotique sont encore très faibles, de l'ordre de 3 Watts par mètre carré de membrane.



Schéma de principe de l'expérience : le transport osmotique de l'eau à travers un nanotube de Bore-Azote transmembranaire est étudié. Crédits : Laurent Joly (ILM)

D'où l'intérêt des travaux menés par les physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS) et dont les résultats sont publiés dans le numéro de Nature daté du 28 février. S'inspirant de la biologie et des recherches sur les canaux cellulaires, ils ont réussi une première : mesurer l'écoulement osmotique traversant un nanotube unique Pour ce faire, ils ont utilisé un dispositif expérimental composé d'une membrane imperméable et isolante électriquement, cette membrane étant percée d'un trou unique par lequel les chercheurs ont fait passer un nanotube de Bore-Azote d'un diamètre extérieur quelques dizaines de nanomètres. Aussi ont-ils utilisé la pointe d'un microscope à effet tunnel pour réussir ce tour de force. Restait ensuite à plonger deux électrodes dans le liquide de part et d'autre du nanotube afin de mesurer le courant électrique traversant la membrane. Celui-ci est de l'ordre du nano-ampère, soit plus de mille fois celui produit par les autres méthodes actuelles utilisées pour tenter de récupérer cette énergie osmotique.

Si l'on extrapole les résultats obtenus par ces chercheurs à une plus grande échelle, une membrane de 1 m2 de nanotubes de Bore-Azote aurait une capacité d'environ 4 KW et serait capable de générer jusqu'à 30 MW heure par an. Des performances supérieures de trois ordres de grandeur à celles obtenues par les prototypes de centrales osmotiques actuellement en service. A présent, les chercheurs vont réfléchir à la fabrication de membranes constituées de ces nanotubes de Bore-Azote et tester, en parallèle, les performances de nanotubes de composition différente.