Comprendre l’énergie osmotique

publié le 05/03/2021 | mis à jour le 17/03/2023 | par Laurie Fouché

Qu’est-ce que l’énergie osmotique ?

L’énergie osmotique est une énergie renouvelable, au même titre que l’énergie hydraulique, marémotrice, ou l’énergie houlomotrice. Celle-ci est un peu plus difficile à comprendre, car elle repose sur un phénomène peu connu : l’osmose.

Définition de l’osmose

L’osmose est un phénomène naturel souvent mal compris, et parfois confondu avec la symbiose (association intime et durable entre deux organismes d’espèces différentes) du fait de leurs sonorités proches. Pour bien comprendre ce qu’est l’osmose, il faut revenir sur quelques notions de chimie :

• une solution liquide est un mélange homogène composé de plusieurs espèces chimiques. Cela inclut un solvant présent en grande quantité et un ou plusieurs solutés en faible quantité, c’est-à-dire des ions ou molécules dissous dans le solvant ;
  • un solvant est une espèce chimique (le plus souvent un liquide) qui va accueillir une autre espèce (que l’on appelle soluté) pour former un mélange homogène. Après mélange du soluté dans le solvant, ce dernier reste majoritaire ;
  • un soluté est donc une espèce chimique qui est mélangée à une autre, qui est dissoute dans un solvant. Le soluté peut être un liquide (sirop de fraise) mais aussi un solide (sel de table) ou un gaz (eau pétillante) ;
• dans le cas d’une solution aqueuse, le solvant (espèce majoritaire) est de l’eau, c’est-à-dire des molécules H₂O ;
• en ce qui concerne l’eau de mer, le solvant est de l’eau et le soluté principal est du sel, ou chlorure de sodium noté NaCl. Une fois mélangées à l’eau, les molécules de sel deviennent des ions sodium (Na⁺) et des ions chlorure (Cl^–) ;
• la concentration d’une solution fait référence à la quantité de soluté par litre de solvant.

L’osmose est une notion née de l’étude de la biologie. En effet, les cellules constituant un être vivant (végétal ou animal) sont composées majoritairement d’eau dans laquelle sont présentes diverses molécules (protéines, acides nucléiques, etc.), selon la fonction de la cellule en question. La cellule est entourée d’une paroi appelée membrane cellulaire, celle-ci a pour rôle de séparer la cellule de son environnement extérieur. Cette membrane est dite semi-perméable, car elle laisse passer les molécules d’eau et certains ions et petites molécules. Cette perméabilité sélective est indispensable à la survie de la cellule : si sa concentration en molécules devient trop importante, elle est en manque d’eau et cela peut entraîner la mort cellulaire. Si le milieu dans lequel se trouve la cellule a une concentration moins élevée que celle-ci, les molécules d’eau vont automatiquement passer du milieu le moins concentré vers le plus concentré. C’est ce phénomène que l’on appelle osmose, et il permet à chaque cellule de maintenir son équilibre.

Autrement dit, l’osmose est le passage de molécules d’eau à travers une membrane semi-perméable, de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée. Ce mécanisme s’arrête lorsque la concentration des deux solutions est égale.

Définition de l’énergie osmotique

L’énergie osmotique est donc l’énergie créée par le mouvement induit par l’osmose. Si une solution d’eau douce et une solution d’eau salées sont séparées par une membrane semi-perméable, le phénomène d’osmose fera augmenter la quantité d’eau présente du côté de la solution salée. C’est un potentiel qui peut être utilisé pour générer de l’électricité ; il est comparable au débit d’un fleuve ou la hauteur d’une chute d’eau qui peut être converti en énergie hydraulique.

Le premier scientifique à mettre en avant le potentiel de cette énergie est le Britannique R.E. Pattle qui publie un article sur le sujet en 1954 dans la revue scientifique Nature. Il appelle cela l’énergie osmotique, ou énergie bleue et affirme que chaque estuaire a la capacité de produire de l’électricité grâce à ce phénomène.

Toutefois, les premiers travaux de création d’une membrane semi-perméable cherchent principalement à pouvoir dessaler de grandes quantités d’eau de mer par osmose inversée. Le but de ce processus est de « fabriquer » de l’eau douce sur des territoires qui dépendaient jusque-là des importations. Ce sont les chimistes américains Sidney Loeb et Srinivasa Sourirajan qui créent la première membrane semi-perméable en 1958 à l’université de Californie. Elle est faite en acétate de cellulose et déminéralise efficacement l’eau de mer. En 1975, Sidney Loeb copublie un article intitulé « Centrale électrique osmotique » qui détaille l’utilisation de sa propre membrane pour produire de l’électricité. Il souligne toutefois que les coûts théoriques seraient beaucoup trop élevés pour que l’idée soit mise en place immédiatement.

Il aura finalement fallu attendre 2009 pour que le premier prototype de générateur d’électricité par osmose soit installé à Tofte, en Norvège.

Principe de l’osmose inversée

Ce processus consiste à mettre de part et d’autre d’une membrane semi-perméable de l’eau douce et de l’eau salée. À la différence de l’osmose classique, la partie contenant l’eau salée est mise sous pression mécaniquement. Lorsque la pression est suffisamment forte, les molécules d’eau sont forcées de migrer hors de l’eau salée, en laissant derrière elles les minéraux qui ne peuvent pas traverser la membrane. C’est ainsi que l’eau salée est transformée en eau douce.

Fonctionnement de la production d’électricité osmotique

Il existe plusieurs méthodes pour produire de l’électricité grâce au principe de l’osmose, dont plusieurs sont actuellement testées dans le monde, en laboratoire et en conditions réelles.

L’osmose à pression retardée

Le premier prototype de centrale osmotique au monde a été construit par l’entreprise norvégienne Statkraft et installé en 2009 à Tofte (Norvège). La puissance de cette installation était relativement faible (2 à 4 kW), car elle avait pour but de servir de test avant la construction d’une centrale osmotique de grande envergure.

Le fonctionnement de ce prototype est à la fois simple et ingénieux : deux cuves hermétiques sont séparées par une membrane semi-perméable, l’une est remplie d’eau douce, l’autre d’eau salée. Des molécules d’eau passent alors naturellement de la cuve d’eau douce vers celle d’eau salée, ce qui fait augmenter la pression dans la cuve d’eau salée. Cette eau sous pression est alors envoyée dans une turbine qui génère de l’électricité.

Cette mini-centrale a fonctionné correctement jusqu’en 2013, et a prouvé que l’énergie osmotique peut être utilisée pour la production d’électricité. Toutefois, devant le manque d’engouement et d’avancées technologiques au niveau mondial, Statkraft a annoncé en 2013 ne pas souhaiter poursuivre l’aventure dans cette branche des énergies renouvelables. L’entreprise se concentre aujourd’hui sur des énergies vertes plus classiques, comme le solaire et l’éolien.

L’électrodialyse inversée

Le principe de l’électrodialyse inversée est entièrement différent : la membrane ionique sélective qui est utilisée laisse passer uniquement certains ions présents dans la solution. Comme nous l’avons vu plus haut, l’eau salée contient de nombreux ions sodium Na⁺ qui ont une charge positive et une grande quantité d’ions chlorure Cl^– dont la charge est négative. Les prototypes d’électrodialyse inversée contiennent également deux cuves séparées par une membrane qui permet à ces ions de migrer. Les deux solutions peuvent donc se « charger », l’une positivement et l’autre négativement, et c’est au passage de ces ions qu’un courant électrique est généré.

Cette solution a été testée dès 2006 aux Pays Bas à Harlingen avec un prototype d’une puissance de 50 kW installé par la société REDstack. En 2014, c’est sur la digue d’Afsluitdijk, toujours aux Pays Bas, qu’un prototype de même puissance est inauguré par REDstack. Pour le moment, il ne semble pas y avoir de projet de centrale osmotique à grande échelle dans ce pays, mais la technologie fait lentement ses preuves.

La recherche sur les membranes

La recherche scientifique sur les membranes permettant de générer de l’électricité grâce à l’osmose continue et apporte de nouvelles possibilités pour le futur. Par exemple, en 2016, des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont développé une fine membrane composée de disulfure de molybdène épaisse de 3 atomes seulement ! Celle-ci dispose d’un minuscule trou (ou nanopore) qui permet aux ions de passer d’une solution à une autre. Cette membrane pourrait théoriquement être utilisée pour une centrale utilisant l’électrodialyse inversée, et il serait possible de produire 1 MW d’électricité avec 1 m² de cette membrane.

En 2019, le même laboratoire de l’EPFL (Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique) améliore encore l’utilisation de cette membrane en utilisant de la lumière naturelle pour augmenter ses performances. Le chemin est encore long avant qu’une application réelle utilisant cette membrane soit possible, mais ces avancées technologiques sont indispensables pour faire de l’énergie osmotique une option viable dans le futur.

La recherche sur les condensateurs

Nous avons vu que l’énergie osmotique touche à la chimie et à la biologie, mais elle est également étudiée en physique ! En effet, une équipe du CNRS, de la Sorbonne et de l’Université Toulouse III Paul Sabatier dirigée par le physico-chimiste Benjamin Rotenberg explore la possibilité d’utiliser des condensateurs à la place de membranes semi-perméables. Un condensateur est composé de deux électrodes et pourrait être utilisé pour produire et stocker de l’électricité à partir de solutions de salinités différentes, mais aussi pour dessaler de l’eau de mer en utilisant de l’électricité.

Ce procédé a été démontré en 2018, mais il n’existe pour le moment aucun prototype utilisant cette méthode en conditions réelles.

Le potentiel de l’énergie osmotique

La production d’électricité osmotique en est encore à ses balbutiements. Il est donc difficile d’estimer la place que pourrait prendre cette source d’énergie dans le futur. Il est clair que cela dépendra grandement des avancées technologiques encore à venir : si celles-ci permettent d’exploiter l’énergie bleue à moindres coûts, il est probable que de nombreuses centrales électriques osmotiques verront le jour.

Le chercheur français Benjamin Rotenberg, interrogé sur France Inter en 2018 concernant ses travaux sur l’utilisation des condensateurs dans la production d’électricité osmotique estime que l’« on pourrait produire avec tous les estuaires du monde environ 2 térawatts, soit deux tiers de la production électrique mondiale ». De quoi encourager tous les scientifiques et industriels qui travaillent sur le sujet.

Avantages et inconvénients de l’énergie osmotique

L’énergie osmotique étant entièrement renouvelable, elle présente de nombreux avantages :

• les matières premières nécessaires pour produire de l’électricité de cette manière sont très simples à obtenir : l’eau douce et l’eau salée sont présentes en grande quantité dans chaque estuaire ;
• la production d’électricité osmotique ne rejette pas de CO₂, ni aucun autre gaz polluant ou matière radioactive. Le seul déchet produit lors de cette opération est de l’eau saumâtre ;
• grâce à l’osmose, il est possible de produire de l’électricité en continu, indépendamment des conditions météorologiques ;
• les usines osmotiques demandent peu d’aménagements des estuaires (contrairement à un barrage) et sont très silencieuses.

Toutefois, il existe des freins importants au développement immédiat de ce procédé. Les principaux inconvénients de l’énergie osmotique sont :

• la production de membranes suffisamment grandes, poreuses et robustes pour produire de l’électricité à grande échelle n’est pas encore possible ;
• les zones propices à l’implantation d’une centrale sont déjà très urbanisées et/ou industrialisées ;
• à l’heure actuelle, le rendement de l’énergie osmotique est très bas et n’attire pas les investisseurs ;
• le rejet d’eau saumâtre près des côtes peut déstabiliser les écosystèmes en place.

Si de grandes usines de production d’électricité osmotiques ne doivent pas voir le jour avant de nombreuses années, ce secteur des énergies renouvelables reste tout de même stratégique. Le potentiel mondial de cette énergie en fait un sujet de recherche très pertinent, particulièrement pour les pays dont le front de mer est important.