De l'énergie en osmose avec la nature

III) La centrale osmotique

 

C’est à Tofte, à 60 km au Sud d’Oslo, que la compagnie publique Statkraft, l’un des plus importants producteurs d’électricité et d’énergies renouvelables d’Europe, a choisi d’installer un prototype de centrale d’un nouveau genre : celle-ci utilise l’énergie osmotique pour produire du courant. Silencieuse, non polluante et renouvelable, cette technologie exploite la réaction induite par la rencontre de l’eau douce et de l’eau salée.

Le prototype, d’une puissance de 10 kilowatts, testera la technologie et aidera à développer des membranes plus performantes pour produire une énergie propre et renouvelable compétitive. Les membranes actuelles ont un rendement inférieur à 1 watt / m² mais elles seront remplacées par d’autres au rendement de 2 à 3 W. L’objectif est d’aboutir à un rendement de 5 W. En 2015, une centrale opérationnelle de 25 MW devrait être construite. Pour chaque mégawatt, elle consommera un mètre cube d’eau douce et deux mètres cubes d’eau salée par seconde.

Selon les ingénieurs de Statkraft, le potentiel de production d’électricité global serait de 1600 à 1700 térawattheure (Twh) par an, soit l’équivalent de la moitié de la production totale d’électricité en Europe aujourd’hui.

 

 

Schéma du fonctionnement d'une centrale osmotique

 

Avant de commencer retour aux origines de l'exploitation du phénomène d'osmose...

Historique :

Années 1970 : Sidney Loeb développe la technologie des membranes pour la désalination de l'eau de mer, et découvre la possibilité de produire de l'énergie osmotique.

1997 : Statkraft en partenariat avec SINTEF (La fondation pour la recherche scientifique et industrielle, la plus importante de Scandinavie) débute un projet de faisabilité sur l’énergie osmotique. Au cours des années suivant 1997, Statkraft, avec différents partenaires internationaux, fait de grandes avancées sur la membrane dédiée à l’énergie osmotique.

2003 : Statkraft obtient son premier brevet sur les membranes pour la production électrique osmotique et ouvre une installation test à Sunndalsøra (Norvège).

2009 : Le premier prototype complet au monde de centrale osmotique est construit. En novembre, il entre en fonctionnement et pour la première fois, la faisabilité du concept de production de l’électricité osmotique est démontrée.

Aujourd’hui : Statkraft mène le développement de l’énergie osmotique, mais plusieurs autres groupes travaillent pour relever des défis cruciaux.

2015 : Développement de l’énergie osmotique à un niveau commercial.

 

A) Acheminement de l'eau douce et de l'eau salée

D'où viennent et comment sont acheminées l'eau salée et l'eau douce utilisées dans le prototype de Statkraft ?

Pour fonctionner, la centrale osmotique a besoin d'une source d'eau douce et d'une source d'eau salée; c'est pourquoi elle doit être construite à l'embouchure d'un fleuve et d'une mer ou d'un océan.

Dans le cas de Statkraft, l'eau salée est captée dans le détroit de Skagerrak dans la mer du Nord. L'eau de mer est captée à une profondeur de 35 mètres afin d'avoir une pollution la plus faible possible et une salinité optimale. Elle est ensuite pompée et amenée dans un compartiment prévu à cet effet. Pour éviter le pompage, «coûteux» en énergie, l’idéal serait de construire à l’avenir ce genre de centrale sous le niveau de la mer.

L'eau douce, quant à elle, est acheminée par tuyaux de l'intérieur du pays. S'agissant ici d'une centrale pilote, l'eau douce n'est pas issue d'un fleuve se jetant par la mer mais est captée dans un petit lac voisin de la région de Hurum.

Il y a donc deux entrées d'eau sur le quai, une d'eau douce et une d'eau salée.

 

L'acheminement des eaux


B) Filtration de l'eau

 

Avant d'entrer dans le système l'eau est filtrée, afin de réduire les risques de colmatage des membranes osmotiques dût aux micro-organismes marins comme les planctons ou les *colloïdes, l'entreprise Statkraft utilise des filtres à gradient de porosité en amont dans le circuit. Différents filtres, du plus grossier au plus sélectif, sont utilisés; c'est pour cela que l'on appelle la technique «membrane à gradient de porosité*» car la porosité* des films augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche de la centrale.

La première étape, commune à l'eau de mer et à l'eau douce, consiste en la filtration des eaux par des films de 50 micromètres (micro-filtration) afin d'éliminer les algues et les nanoplanctons.

Ensuite, un second filtre de l'ordre de 2 à 100 nanomètres (ultra-filtration) est utilisé pour éliminer les éventuels colloïdes ou macromolécules organiques.

Enfin, le filtrat passe à nouveau à travers un film de 1 à 2 nanomètres (nanofiltration) de diamètre, ceci afin d'éliminer les *ions multivalents ainsi que les composés organiques.

 

 


Après ces différentes filtrations, l'eau est enfin prête à intégrer les modules et à provoquer le phénomène d'osmose.

 

C) L'échangeur de pression

La pression est maintenue constante dans le circuit d’eau salée. Mais comme il y a désormais beaucoup plus d’eau dans ce même circuit, une partie est expulsée à travers la turbine, qui produit de l’électricité, en effet, c'est la surpression qui permet d'actionner la turbine. L’autre partie est relancée dans le circuit par un échangeur de pression.

Comment fonctionne et à quoi sert l'échangeur de pression ?

L'échangeur de pression sert à redistribuer les pressions des conduites excédentaires vers les conduites déficitaires, ce qui permet d'économiser de l'énergie. La pression excédentaire de l'eau saumâtre à la sortie des modules est donc utilisée pour pressuriser à 13 bars l'eau de mer entrant dans le système.

 

Les 2 échangeurs de pression situés sur le circuit d’eau salée de l'usine


 

 

 

Fonctionnement des échangeurs de pression

 

1. L'eau de mer basse pression est injectée dans le *rotor et pousse la *saumure au rejet. Le système tournant à la vitesse de 1200 tours par minute, le mélange entre l'eau saumâtre et l'eau salée est minimal.

2. La chambre du rotor est pleine d'eau de mer à basse pression

3. La fraction d'eau saumâtre à haute pression, obtenue par la membrane ne se dirigeant pas vers la turbine, pousse l'eau de mer vers la sortie haute pression.

4. La chambre est dès lors pleine d'eau saumâtre pression, cette eau étant de nouveau poussée au rejet par l'eau salée arrivant.

Ce cycle se reproduit indéfiniment et l'échangeur de pression permet ainsi de gérer la pression de l'eau alimentant la turbine produisant l'électricité.

 

D) Le rôle de la membrane dans le phénomène d'osmose

Après avoir été filtrées, les eaux sont dirigées vers des modules membranaires, où se produit le phénomène d'osmose.

Quel est le rôle de la membrane dans le phénomène d'osmose ?

Les membranes organiques sont connues depuis fort longtemps. On doit la première description d’un phénomène membranaire à l'abbé Nollet, qui a observé *l'endosmose avec un morceau de vessie de porc en 1748. Mais un des premiers scientifiques à avoir compris que le fonctionnement des cellules dépendait, en partie, des propriétés de sa membrane cytoplasmique, frontière entre la cellule et son milieu, fut René Dutrochet (1776-1847).

Dutrochet montra qu'une membrane biologique placée entre deux solutions différentes est capable d'en séparer les substances dissoutes en fonction de la dimension de leurs molécules et des différences de concentration de part et d'autre de la membrane. Thomas Graham, physico-chimiste écossais (1805-1869), mettra en application ce principe sur lequel repose *l'hémodialyse.

Les premières membranes organiques industrielles ne sont apparues que dans les années 60. Aujourd'hui, les ingénieurs ont recourt aux meilleures membranes disponibles sur le marché, elles sont en acétate de cellulose (matière plastique) ou en *polymère de synthèse. Les membranes à osmose sont caractéristiques et très spécifiques du phénomène, elles sont semi-perméables ou autrement dit « semi-sélectives ». Tout comme les membranes utilisées pour l’osmose inverse, vu précédemment, elles permettent uniquement le transfert de certaines matières entre les deux milieux qu’elle sépare, et l’interdisent à d’autres. C'est pourquoi celles ci sont constituées d'un *polysulfone dit " hydrophile ".

La mise en œuvre industrielle des membranes est réalisée au moyen de modules dans lesquels les membranes sous forme de feuille, de tube ou de fibres creuses sont agencées de telle manière que son utilisation apporte une efficacité maximale pour un coût minimal. Coupées en morceaux de 30 m2, elles sont enroulées, puis lovées dans des bonbonnes, qui permettent l’écoulement, entre chaque feuille, de l’eau douce et de l’eau salée. Le principe d’osmose fonctionne donc de la même manière, mais les récipients ne sont plus des réservoirs.

Chaque module est composé de 30 feuilles de membranes de 1m² disposées en forme d'étoile autour du tube et enroulées autour de celui-ci.

 

 

A la centrale de Tofte, 66 de ces modules sont installés. Ils contiennent au total 2000 m2 de membranes. Les modules de membranes sont spiralées, alors que leur diamètre n'est que de 40 cm et leur longueur de 1m, chacun contient 30 m² de membranes.

 

Comment ça marche ?

Ces membranes sont formées d’innombrables micro pores (de l’ordre du dixième de nanomètre), qui lors de l’apport de solution ne permettent le passage qu’aux molécules d’eau. Les molécules de chlorure de sodium, trop volumineuses face à ces pores infiniment petits, ne peuvent pas passer. Cette membrane n'est donc perméable qu'aux molécules les plus petites H2O. La complexité réside donc dans le choix des membranes, qui ne doivent ni être trop serrées pour permettre un flux suffisant ni être trop lâches pour éviter le passage des ions chlorure et sodium.

Le succès des procédés à membranes dépend en grande partie des performances et de la durée de vie des membranes. En effet, sans les membranes, aucune exploitation de l’osmose ne serait possible. Leur fonctionnement optimal est donc indispensable si l’on souhaite exploiter les ressources énergétiques de ce phénomène naturel.

La technologie de mise en œuvre des membranes est maintenant bien maîtrisée. Néanmoins, des progrès sont encore possible dans l'optimisation des conditions dans lesquelles les procédés à membranes sont opérés. Aujourd'hui, les membranes installées à Hurum sont capables de produire 3W/m², ce qui reste très peu. Pour augmenter la production d'électricité, la seule solution autre qu'augmenter l'efficacité des membranes serait d'en augmenter la surface.

 

E) La turbine Pelton

Une fois ressortie de l'un des 66 modules, l'eau saumâtre sous haute pression est est acheminée via une conduite forcée vers une turbine de type Pelton. Néanmoins, seulement un tiers de l'eau se trouvant dans la conduite d'eau salée alimente la turbine. En effet, deux tiers sont réinjectés dans le circuit via l'échangeur de pression et servent à pressuriser l'eau salée entrante (voir chapitre sur l'échangeur de pression). Le tiers restant est expulsé à travers une turbine de type Pelton.

Comment fonctionne-t-elle ?

La turbine Pelton est une turbine hydraulique utilisée dans les centrales hydroélectriques. Elle a été découverte en 1879 par Lester Allan Pelton et brevetée en 1880. Une turbine Pelton comporte une roue mobile, pourvue d'aubes nommées «*augets» sur sa périphérie, et un ou plusieurs injecteurs fixes qui envoient, à grande vitesse, l'eau sur les augets.

Augets

L’eau est donc acheminée vers la turbine par une conduite forcée. Aux abords de la turbine, la conduite se sépare en deux ou trois canalisations de diamètre inférieur qui vont alimenter les injecteurs. Les injecteurs ont pour rôle d’accélérer l’eau par le biais d’un convergent, qui permet de transformer l’énergie potentielle de l’eau en énergie cinétique, converti en électricité par l'intermédiaire d'un alternateur.

 

Injecteur

L’eau vient ensuite frapper les augets de façon tangentielle, afin de leur transmettre une énergie maximum. La forme de ces augets est particulièrement évoluée et permet au jet d'eau qui les frappe de se séparer en 2 jets déviés sur les côtés de la roue. Le nombre d'augets fluctue de 15 à 25 en pratique. Plus la vitesse en sortie d’injecteur est importante, plus l’énergie de l’impact sur les aubes est élevée et donc plus la turbine tourne vite. En pratique, la vitesse des augets correspond à 47% de la vitesse de l’eau en sortie d’injecteur, bien qu’en théorie celle-ci devrait être égale.

 

 

 

F) L'avenir de l'énergie osmotique

Quels sont les perspective de développement de ce type de centrale ?

Pour le moment, on est à l’état de prototype, mais il y a quand même des obstacles technologiques. Cela nécessite de grandes surfaces de membranes. Les calculs montrent, que si on prend le projet norvégien, on peut récupérer de l’ordre de 3 watts par m2. Si on prend un appartement qui consomme 10 kilowatts, et si on imagine une récupération jusqu'à 4 watts par m2, il faudra 2.500 m2 de membranes, soit le tiers d’un terrain de football. Mais les membranes seront spiralées et prendront moins de place. Une centrale de la taille d’un stade de football pourrait donc fournir de l’électricité à environ 30 000 ménages européens.

Il y a peu d’énergie récupérée par mètre carré mais la source d’approvisionnement est pratiquement gratuite. C’est pour cela que c’est relativement révolutionnaire. De plus, contrairement au solaire et à l’éolien, la production est constante et ne dépend pas des conditions météorologiques. Restons donc optimiste, comme Bård Mikkelsen, le président et directeur général de Statkraft qui déclara : "Cette nouvelle technologie permet de générer de l'électricité simplement en mélangeant de l'eau. Les nouveaux moyens de relever les défis liés au changement climatique sont sans doute plus évidents que nous ne le pensons, ce qui me laisse plutôt optimiste quant à l'avenir".

 

Quelles sont les zones géographiques adaptées ?

Les centrales osmotiques peuvent êtres construites n'importe où, dès lors que de l'eau douce peut rencontrer de l'eau de mer. Tous les secteurs du monde qui ont un accès suffisant à d'eau douce et à l'eau salée sont concernés. Dans l'hémisphère nord, c'est particulièrement intéressant pour la Scandinavie, la Russie et le Canada grâce à leurs ressources en eau. Des ressources comparables existent aussi en Amérique du Sud et l'Afrique. Mais aussi en France métropolitaine, où quelques 113 fleuves se jettent dans la mer.

Si se trouver dans des endroits où de l'eau douce s'écoule dans la mer semble limiter leur extension géographique, rappelons que de nombreuses mégalopoles mondiales sont situées à l'embouchure des grands fleuves. De plus, les villes et aires urbaines consomment 75 % de l'énergie produite. La centrale osmotique, qui n'émet aucun polluant ni aucun bruit pourrait donc trouver sa place dans ces villes côtières, par exemple dans des zones industrielles existantes, comme dans les sous-sols de bâtiments industriels, pour minimiser leur impact visuel. On peut imaginer une centrale implantée au sous-sol d'un centre commercial, à la place d'un niveau de parking.

Toutefois, leur implantation devra s'accompagner d'une prise en compte de l'augmentation prévue du niveau des océans dû au réchauffement climatique, en effet cette source d’énergie est sensible au phénomène de montée des eaux. Il faut aussi considérer d'autres facteurs lors de l'évaluation du potentiel local ou régional de l'emplacement des centrales électriques osmotiques :

•Le niveau d'eau de la rivière doit être suffisant, particulièrement pendant des périodes de flux bas.

•L'eau ne doit pas être chargée en limons et autres particules pouvant colmater les micro-pores des membranes.

•La qualité de l'eau douce et de l'eau de mer doit être optimale, afin d'éviter l'encrassement des membranes.

•La possibilité de disposer d’eau douce la moins salée possible et d’eau de mer la plus salée possible pour produire un maximum d'électricité.

 

Quel est le coût d'une telle centrale ? Quels sont les freins à sa rentabilité ?

Au total, Statkraft ainsi que divers organismes norvégiens et européens ont investi 150 millions de couronnes dans la recherche sur l'énergie osmotique, ce qui équivaut à un prix d'ensemble du projet s'élevant de 20 à 25 millions d'euros. L'entreprise ne mentionne pas de prix pour la future centrale type, premier exemplaire commercial de 25 MW qui pourrait alimenter jusqu'à 10.000 ménages et dont la construction est prévue en 2015.

Pour le moment, la production étant très faible, la centrale ne possède un rendement pratique que de 25%. En effet, il faut soustraire à la production effective la consommation en électricité de la station de pompage.

Le prototype Statkraft possède une faible productivité et produit 3 kWh, ce qui correspond seulement à la consommation d'un engin électroménager. Le prototype offre donc une capacité de production très limitée mais son but principal est de servir de base de tests et de développement.

L'entreprise de Statkraft a prévu d'améliorer ce processus en vue de la construction d'une centrale pilote en 2015. Les recherches se concentreront essentiellement sur les membranes qui ne produisent pour l'instant que 4 watts par m². Les chercheurs du laboratoire de Statkraft ont donc du travail pour atteindre l'objectif de rendement qui est de 6W/m² de membrane d'ici 2015. « On passerait d'une expérience de laboratoire à une technologie qui a des chances d'être compétitive, analyse Gérald Pourcelly, scientifique au CNRS et directeur de l’Institut européen des membranes. Mais pour l'instant, c'est trop cher !».

Le coût de production prévu (50 à 100 € le MW/h pour la centrale pilote) ferait alors de l'osmose une technologie compétitive, si l'on compare ces chiffres avec le prix moyen d'un mégawatt heure qui est de 160 euros dans l'Union Européenne, ce prix comprenant en plus les frais de production. Un des points importants à améliorer est donc l'efficacité de la membrane, qui permettrait de rendre rentable la production d'électricité par osmose.

 

 

 


Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site

×