Pouvoir osmotique

Une étude de 2012 sur l'efficacité de l'Université de Yale a conclu que le travail extractible le plus élevé dans un PRO à pression constante avec une solution de soutirage d'eau de mer et une solution d'alimentation d'eau de rivière est de

L'une des méthodes d'exploitation de l'énergie du gradient de salinité est l'osmose à pression retardée . Ce procédé consiste à pomper de l'eau de mer dans une chambre de pression à une pression inférieure à la différence de pression entre l'eau salée et l'eau douce. De l'eau douce est également pompée dans cette chambre à travers une membrane, ce qui augmente à la fois le volume et la pression. La compensation des différences de pression entraîne la rotation d'une turbine, fournissant ainsi de l'énergie cinétique. Cette méthode est étudiée plus particulièrement par la compagnie d'électricité norvégienne Statkraft , qui a calculé qu'elle pourrait produire jusqu'à 2,85 GW en Norvège . Statkraft a construit le premier prototype mondial de centrale PRO ( osmose à pression retardée) sur le fjord d'Oslo, inauguré le 24 novembre 2009. Son objectif était de produire, en cinq ans, suffisamment d'électricité par osmose pour éclairer et chauffer une petite ville. Au départ, le système produisait une puissance infime de 4 kilowatts, suffisante pour chauffer une grande bouilloire électrique. Mais en 2015, l'objectif était d'atteindre 25 mégawatts, soit l'équivalent d'un petit parc éolien. Cependant, en janvier 2014, Statkraft a annoncé l'arrêt de ce projet pilote. Statkraft a constaté qu'avec la technologie existante, le gradient de salinité était insuffisant pour être rentable, ce que d'autres études ont confirmé. Des gradients de salinité plus élevés existent dans les saumures géothermiques et les saumures des usines de dessalement, et SaltPower, une entreprise danoise, construit actuellement sa première usine commerciale utilisant une saumure à forte salinité. L'intégration de l'osmose à pression retardée comme mode de fonctionnement de l'osmose inverse, plutôt que son utilisation comme technologie autonome, présente peut-être un potentiel plus important.

Une troisième méthode, la méthode capacitive de des électrodes en contact avec de l'eau salée, puis en les déchargeant dans de l'eau douce. L'énergie électrique nécessaire lors de la charge étant inférieure à celle libérée lors de la décharge, chaque cycle complet produit effectivement de l'énergie. Ce phénomène s'explique intuitivement par le fait que le grand nombre d' ions présents dans l'eau salée neutralisent efficacement la charge de chaque électrode en formant une fine couche de charge opposée très proche de sa surface, appelée double couche électrique . Par conséquent, la tension aux bornes des électrodes reste faible pendant la charge, qui est donc relativement facile. Entre la charge et la décharge, les électrodes sont mises en contact avec de l'eau douce. Après ce contact, le nombre d'ions disponibles pour neutraliser la charge de chaque électrode diminue, ce qui entraîne une augmentation de la tension aux bornes des électrodes. La décharge qui suit permet ainsi de libérer une quantité d'énergie relativement importante. Une explication physique est la suivante : dans un condensateur électriquement chargé, une force d'attraction électrique s'exerce entre la charge électrique de l'électrode et la charge ionique du liquide. Pour éloigner les ions de l'électrode chargée, la pression osmotique doit effectuer un travail . Ce travail augmente l' énergie potentielle électrique du condensateur. Une explication électronique est la suivante : la capacité est fonction de la densité ionique. En introduisant un gradient de salinité et en permettant à certains ions de diffuser hors du condensateur, on réduit la capacité, et donc la tension augmente, puisque la tension est égale au rapport de la charge à la capacité.

Ces deux méthodes ne nécessitent pas de membranes, les exigences en matière de filtration sont donc moins importantes que dans les systèmes PRO et RED.

À la mine de potasse d'Eddy, au Nouveau-Mexique, une technologie appelée « bassin solaire à gradient de salinité » (SGSP) est utilisée pour fournir l'énergie nécessaire à la mine. Cette méthode exploite l'énergie solaire, et non l'énergie osmotique (voir : bassin solaire ). La lumière du soleil atteignant le fond du bassin d'eau salée est absorbée sous forme de chaleur. L'effet de la convection naturelle , selon lequel la chaleur « monte », est bloqué par les différences de densité entre les trois couches qui composent le bassin, afin de piéger la chaleur. La zone de convection supérieure est la plus haute, suivie de la zone à gradient stable, puis de la zone thermique inférieure. La zone à gradient stable est la plus importante. L'eau salée de cette couche ne peut pas monter vers la zone supérieure car l'eau salée au-dessus a une salinité plus faible et est donc moins dense et plus légère ; et elle ne peut pas descendre vers le niveau inférieur car cette eau salée est plus dense. Cette zone intermédiaire, la zone à gradient stable, agit comme un isolant pour la couche inférieure (bien que son but principal soit de bloquer la convection naturelle, car l'eau est un mauvais isolant). Cette eau de la couche inférieure, la zone de stockage, est pompée et la chaleur est utilisée pour produire de l'énergie, généralement par une turbine dans un cycle organique de Rankine .

En théorie, un bassin solaire pourrait être utilisé pour générer de l'énergie osmotique si l'évaporation due à la chaleur solaire est utilisée pour créer un gradient de salinité, et si l'énergie potentielle de ce gradient de salinité est exploitée directement à l'aide de l'une des trois premières méthodes ci-dessus, comme la méthode capacitive.

Une équipe de recherche a mis au point un système expérimental à base de nitrure de bore, produisant une puissance bien supérieure à celle du prototype Statkraft. Ce système utilise une membrane imperméable et électriquement isolante, traversée par un nanotube de nitrure de bore d'un diamètre extérieur de quelques dizaines de nanomètres. Cette membrane séparant un réservoir d'eau salée d'un réservoir d'eau douce, l'équipe a mesuré le courant électrique la traversant grâce à deux électrodes immergées dans le fluide de part et d'autre du nanotube.

Les résultats ont montré que le dispositif était capable de générer un courant électrique de l'ordre du nanoampère. Les chercheurs affirment que ce rendement est 1 000 fois supérieur à celui des autres techniques connues de récupération d'énergie osmotique, ce qui fait des nanotubes de nitrure de bore une solution extrêmement efficace pour exploiter l'énergie des gradients de salinité et produire de l'électricité.

L'équipe a affirmé qu'une membrane de l'Université Rutgers a rapporté avoir créé une membrane contenant environ 10 millions de BNNT par centimètre cube.

À l'Université d'État de Pennsylvanie, le Dr Logan tente d'utiliser la chaleur résiduelle à faible pouvoir calorifique en exploitant le fait que le bicarbonate d'ammonium se décompose en NH₃ _et CO₂ _dans l'eau chaude pour se reformer en bicarbonate d'ammonium dans l'eau froide. Ainsi, dans un système fermé de production d'énergie RED, les deux gradients de salinité différents sont maintenus.

Les milieux marins et fluviaux présentent des différences notables de qualité de l'eau, notamment en termes de salinité. Chaque espèce de plante et d'animal aquatique est adaptée à la survie en milieu marin, saumâtre ou d'eau douce. Certaines espèces tolèrent les deux, mais elles se développent généralement mieux dans un milieu aquatique spécifique. Le principal déchet issu de la technologie des gradients de salinité est l'eau saumâtre. Le rejet d'eau saumâtre dans les eaux environnantes, s'il est effectué en grande quantité et de manière régulière, provoque des fluctuations de salinité. Bien qu'une certaine variation de salinité soit normale, en particulier lorsque l'eau douce (rivières) se jette dans un océan ou une mer, ces variations deviennent moins importantes pour les deux types de masses d'eau avec l'ajout d'eaux usées saumâtres. Des changements extrêmes de salinité dans un milieu aquatique peuvent entraîner une diminution de la densité des espèces animales et végétales, en raison de leur intolérance aux chutes ou aux pics de salinité soudains et importants. Selon l'opinion générale des environnementalistes, les exploitants des futures grandes installations d'énergies marines devraient prendre en compte la possibilité de ces effets négatifs.

L’impact des eaux saumâtres sur les écosystèmes peut être minimisé en les pompant vers la mer et en les rejetant dans la couche intermédiaire, loin des écosystèmes de surface et de fond.

L'impaction et l'entraînement d'eau au niveau des prises d'eau constituent un problème majeur en raison des importants volumes d'eau fluviale et marine utilisés dans les systèmes PRO et RED. Les permis de construction des prises d'eau doivent respecter une réglementation environnementale stricte, et les usines de dessalement ainsi que les centrales électriques utilisant des eaux de surface doivent parfois collaborer avec diverses agences locales, étatiques et fédérales pour obtenir les autorisations nécessaires, une procédure qui peut prendre jusqu'à 18 mois.

La base de données Tethys donne accès à la littérature scientifique et aux informations générales sur les effets environnementaux potentiels de la puissance du gradient de salinité.