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L'énergie osmotique, principalement utilisée au niveau des estuairesestuaires, résulte de la différence de salinité entre l'eau de mer et l'eau douceeau douce. Elle n'est pas la plus connue des énergies renouvelables. Pourtant, des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, en Suisse) se sont récemment intéressés à la question. Ils ont mis au point un dispositif capable de produire de l'électricité osmotique avec un rendement record. Leur innovation repose sur une membrane épaisse de seulement trois atomes. Selon eux, une telle membrane d'un mètre carré pourrait alimenter plusieurs dizaines de milliers d'ampoules basse consommation.
Quel est le principe de l'énergie osmotiqueénergie osmotique ? Lorsque l'eau de mer et l'eau douce sont séparées par une membrane semi-perméable, un effet de pression hydrostatique - les deux types d'eau présentant une concentration saline différente - pousse l'eau douce à traverser ladite membrane. La hauteur d'eau douce diminue, un niveau égal ne figurant, dans ce cas, pas dans la position d'équilibre du système. L'équilibre osmotique n'est en effet atteint que lorsque l'équilibre entre les couples « pression » et « concentration en sels » des deux types d'eau l'est également. Le flux généré peut être exploité pour produire de l’électricité.
Le phénomène d'osmose est aujourd'hui à la base de plusieurs projets pilotes de centrales osmotiques un peu partout dans le monde, de la Norvège au Japon en passant par les États-Unis. L'idée est notamment de récupérer de l'énergie - quelque 1.700 TWh annuels disponibles dans le monde (soit un dixième des besoins mondiaux) - aux embouchures de fleuves. Malheureusement, les membranes organiques utilisées à ce jour semblent trop fragiles et leurs rendements trop faibles. Si des progrès étaient réalisés en la matièrematière, l'énergie osmotique pourrait devenir très intéressante, notamment parce que, contrairement aux énergies solaires et éolienneséoliennes, elle n'est pas intermittente.
Les chercheurs de l’EPFL ont développé une membrane sélective en disulfure de molybdène de seulement trois atomes d’épaisseur qui permet de tirer un maximum de profit de l’énergie osmotique. © Steven Duensing, National Center for Supercomputing Applications, University of Illinois, Urbana-Champaign
Une membrane épaisse de seulement trois atomes et nanopercée
On comprend facilement que la membrane joue ici un rôle capital. Les chercheurs de l'EPFL se sont précisément intéressés à elle. Leur dispositif comporte deux compartiments - remplis chacun d'un liquideliquide - et une fine membrane de disulfure de molybdènemolybdène, un matériaumatériau largement disponible et facile à mettre en œuvre. La membrane est percée de nanopores. De quoi permettre aux ionsions de la solution la plus concentrée de migrer vers la solution la moins concentrée. Dans le même temps, des électronsélectrons sont transférés vers une électrodeélectrode pour produire un courant électrique.
Pour obtenir le meilleur résultat, les chercheurs suisses ont optimisé la taille des nanopores. Trop grands, ceux-ci ont tendance à laisser passer trop de charges négatives. Trop petits, le débitdébit des ions devient insuffisant à créer un courant satisfaisant. Le choix d'un matériau 2D n'est pas non plus anodin car plus la membrane est fine, plus le courant électriquecourant électrique est important.
Pour l'heure, les chercheurs de l'EPFL n'ont travaillé que sur une membrane à un seul nanopore. Objectif : améliorer la compréhension fondamentale du phénomène. Ils sont parvenus à faire fonctionner un transistor basse consommation. Ils estiment d'ores et déjà qu'une membrane d'un mètre carré seulement, dont la surface serait couverte à 30 % de nanopores, pourrait produire 1 MW, sachant que les records actuels plafonnent à quelque 5 W/m2 ! Cela serait suffisant pour alimenter 50.000 ampoules économiques standard. Reste encore à trouve le moyen de fabriquer des nanopores uniformes...
