Les Energies osmotiques
Principe de l’osmose
Une usine osmotique permet d'exploiter les différences de salinité entre deux sources d'eau différente.
Les sels dissouts dans l’eau de mer sont majoritairement du sodium et du chlorure que l’on retrouve dans l’eau sous forme ionique Na+ et Cl-. Prenons deux réservoirs remplis pour l’un d’eau douce et pour l’autre d’une solution d’eau salée de même volume séparés par une membrane semi-perméable (également dite « sélective ») qui bloque les ions de grosse taille Na+ et Cl- et laisse passer les molécules d’eau plus petites H2O (on notera que l’eau douce contient également des sels mais en moindre quantité).
Les deux réservoirs étant de concentration saline différente, le niveau égal de chaque réservoir n’est pas une position d’équilibre. Il se produit donc une migration des molécules d’eau de la solution d’eau douce vers la solution saline au travers de la membrane semi-perméable. L’effet produit engendre une augmentation du niveau du réservoir d’eau saline et en même temps diminue la concentration saline de cette solution (alors que la concentration saline de la solution d’eau douce augmente parallèlement). L’effet s’arrête lorsque l’équilibre osmotique est atteint, c'est-à-dire l’équilibre entre les couples « pression » (hauteur d’eau) et « concentration » (en sels) de l’une et l’autre des solutions.
L’osmose inverse quant à elle consiste à appliquer une pression sur le réservoir d’eau saline afin d’inverser le sens de migration des molécules d’eau. Lorsque les réservoirs d’eau ne sont pas ouverts mais fermés, ce sont les pressions qui montent et non pas les niveaux d’eau.
Autrement dit, la pression osmotique correspond à la pression nécessaire pour arrêter le passage d’un solvant (eau dans notre cas) d’une solution moins concentrée (ici en sel) à une solution plus concentrée à travers une membrane semi-perméable.
Jusqu’à présent, l’application principale de ce principe était le dessalement de l’eau de mer ou la purification de l’eau par osmose inverse.
Application à la production d’électricité
(photo de la seule usine osmotique du monde située en norvège)
Il est également possible d’utiliser le principe d’osmose pour produire de l’électricité en actionnant une turbine grâce à la pression osmotique. Une pression de 12 bars dans le réservoir d’eau salée confère à l’eau acheminée vers la turbine la même énergie qu’un volume d’eau chutant de 120 m dans un barrage hydroélectrique.
Concrètement, une centrale osmotique a pour objectif d’exploiter la différence de salinité là où l’eau salée et l’eau douce se rencontrent naturellement, c'est-à-dire aux embouchures des fleuves.
Les différents éléments composant ce type de centrale sont :
- la membrane semi-perméable séparant les réservoirs d’eau salée et d’eau douce. Celle utilisée par le prototype norvégien est fabriquée en acétate de cellulose ;
- les pompes et les conduites acheminant l’eau dans les réservoirs ;
- un échangeur de pression pressurisant l’eau salée en amont ;
- une station d’épuration et des équipements de lavage des membranes permettant d’éviter leur encrassement ;
- la turbine productrice d’électricité.
Deux volumes d’eau arrivent dans la centrale : de l’eau douce pompée dans le fleuve et de l’eau salée prélevée dans la mer et filtrée, puis pressurisée dans un échangeur de pression. Dans la centrale, près de 80% à 90% de l’eau douce puisée traverse la membrane de la centrale osmotique, ce débit provoquant une surpression dans le réservoir d’eau salée et y augmentant le débit d’eau. Près d’un tiers de cette eau est acheminée vers la turbine pour produire de l’électricité tandis que les deux tiers restants sont réacheminées vers l’échangeur de pression pour pressuriser l’eau de mer entrante.
