Une nouvelle possibilité de production d'énergie : la pression osmotique.

                    J'ai lu, dans la revue "Pour la Science", un article intéressant sur la production éventuelle d'énergie à partir de la pression osmotique. Je ne connaissais jusqu'à présent que les applications de dessalement de l'eau de mer. Je vais donc vous en dire quelques mots, car c'est peut être une technique d'avenir.

 Qu'est ce que l'osmose.?

         Ce mot vient du grec osmos qui veut dire "poussée". Son sens général  est une influence réciproque,  l'influence d'un phénomène matériel ou moral sur une personne, sur un milieu qui s'en trouve pénétré, imprégné, voire le mélange intime, la fusion de deux éléments; l'interpénétration de deux phénomènes.
          Appliqué à la physique ce mot a un sens particulier : lorsque deux liquides ont dissous un soluté à des concentrations différentes et qu'ils sont séparés par une membrane perméable à un solvant et imperméable au soluté, le solvant passe de la solution la moins concentrée vers la plus concentrée.
         Si par exemple nous avion une solution d'eau très pauvre en sel, et de l''eau riche en sel, l'eau passera à travers la membrane vers la solution riche en sel, dont la concentration sera peu à peu abaissée, tandis de celle de la solution à concentration basse va augmenter. Jusqu'à ce qu'il y ait équilibre de concentration entre les deux solutions.
        Il y a donc une pression qui oblige ainsi le liquidateur à traverser la membrane : on l'appelle la "pression osmotique" Si l'on exerce une pression sur le liquide (du coté de la concentration la plus élevée), égale à cette pression osmotique, on bloque alors le passage du solvant. (c'est ainsi que l'on mesure la pression osmotique).
         Cette pression est considérable : 30 atmosphères entre de l'eau douce et de l'eau de mer salée. Si l'on compare aux barrages hydroélectriques, c'est l'équivalent d'un barrage de 300 mètres de haut ! mais le problème est de pouvoir l'exploiter car évidemment la membrane ne peut avoir la surface d'un barrage.
          En 1975 un chercheur israélien avait réalisé un prototype dont le principes représenté ci-contre. Une circulation d'eau douce issue d'une rivière et d'eau de mer, maintient les concentrations dans les deux compartiments d'une cuve, séparés par une membrane perméable à l'eau. Il en résulte une pression osmotique du coté de l'eau salée. Cette pression est utilisée pour faire tourner une turbine génératrice d'électricité.
         Une autre technique utilisait des membranes sélectives aux ions et on produit alors directement un courant ionique, qu'on convertit ensuite en courant électrique.
         Mais ces procédés ont un rendement faible et donc peu industrialisables.

 La circulation des fluides dans des nano-canaux.

         Ces problèmes ont beaucoup évolués grâce aux nano-technologies. Le développement des nano-matériaux a permis des expériences nouvelles depuis 15 ans.
         On sait maintenant réaliser un nano-pore unique (un trou percé grâce à de faisceaux d'électrons) dans une membrane ou un nano-tube de quelques nanomètres de diamètre, qui est ensuite implanté dans le trou sous microscope électronique. On peut ainsi créer des membranes ayant une multitude de tubes-trous et étudier la circulation des fluides à travers.
        En 2016 on a réussi à créer ainsi dans du graphène (des nano-tubes de carbone), des
canaux de l'ordre de l'angström (10^-10 m).
La longueur du cal , fonction du nombre de couches de graphène, est de l'ordre de 3,5 A°, la taille d'une molécule d'eau.
        On constate des écoulement de fluides très supérieurs à ceux prévus, les frottements, à cette échelle, étant très fortement diminués. Plus le tube est petit, moins il frotte ! Sur le plan théorique, à ces échelles sub-nanométriques, la mécanique classique ne s'applique plus et il faut faire intervenir la mécanique quantique. (voir courbe ci-contre).
       Les rendements d'efficacité des membranes pourraient alors être beaucoup plus grands, ce qui pourrait rendre opérationnels des dispositifs d'épuration des eaux, de dessalement des eaux de mer et le production d'énergie par voie osmotique.
      On sait en particulier faire des membranes réalisées en millefeuilles de flocons de graphène, qui forment un labyrinthe dans lequel l'eau circule avec un très faible frottement. (voir figure ci-contre).
      Ces études sont encore au stade recherche et développement, pour trouver les matériaux et les méthodes de réalisation les mieux adaptés, aux meilleurs rendements et aux moindres coûts.
      Une usine osmotique de quelques centaines de mètres carrés au sol, pourrait produire une énergie propre, renouvelable et non intermittente comme l'éolien ou le photoélectrique, d'une dizaine de MW (environ une quinzaine = une centrale nucléaire moderne).
     Une installation pilote va être installée en 2023 dans le delta du Rhône par la société rennaise Sweetch Energy . C'est un petit bâtiment dans lequel on a des armoires dans lesquelles on empile des membranes. L'eau en provenance du Rhône et de l'eau de mer ont traverser ces armoires de façon tangentielle le long des membranes et dans la membrane va s'opérer un transfert d'ions. Ce courant ionique est capté et transformé en électricité grâce à des électrodes.
(voir l'article sur https://www.francebleu.fr/infos/economie-social/la-start-rennaise-sweetch-energy-mise-sur-l-energie-osmotique-pour-revolutionner-la-transition-1646141497 )