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Des nanotubes pour booster l’énergie osmotique ?

La différence de salinité entre l’eau douce et l’eau de mer est déjà utilisée pour produire une énergie renouvelable dans divers estuaires du globe. Les faibles rendements observés limitent cependant le développement de la filière de l’énergie osmotique. Des nanotubes pourraient bientôt débloquer la situation.

Le transport osmotique de molécules d’eau (les ensembles comprenant un atome d’oxygène en rouge et deux atomes d’hydrogène en blanc) à travers un nanotube de nitrure de bore transmembranaire (en mauve) permettrait de produire un courant électrique avec une grande efficacité. Les producteurs d'électricité exploitant l'énergie osmotique devraient apprécier cette amélioration. © Laurent Joly, Institut lumière matière Le transport osmotique de molécules d’eau (les ensembles comprenant un atome d’oxygène en rouge et deux atomes d’hydrogène en blanc) à travers un nanotube de nitrure de bore transmembranaire (en mauve) permettrait de produire un courant électrique avec une grande efficacité. Les producteurs d'électricité exploitant l'énergie osmotique devraient apprécier cette amélioration. © Laurent Joly, Institut lumière matière

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Les phénomènes osmotiques se manifestent lorsque l'on met en contact un réservoir d'eau salée avec un réservoir d'eau douce par l'intermédiaire de membranes semi-perméables adaptées. Il est alors possible de produire de l'électricité à partir des gradients salins grâce à deux méthodes. La différence de pression osmotique entre les deux réservoirs peut être utilisée pour faire tourner une turbine, ou bien un courant électrique peut directement être produit en utilisant des membranes ne laissant passer que les ions.

Concentrée au niveau des embouchures des fleuves, la capacité théorique de l'énergie osmotique au niveau mondial serait d'au moins 1 TW, soit l'équivalent de 1.000 réacteurs nucléaires. Cependant, les technologies permettant de récupérer cette énergie présentent des performances assez faibles, de l'ordre de trois watts par mètre carré de membrane. Les physiciens de l'Institut lumière matière (CNRS, université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), seraient parvenus à lever ce verrou.

Insertion étape par étape d'un nanotube de nitrure de bore dans un trou de 150 nm de diamètre percé dans une membrane imperméable. Des études doivent encore être menées pour trouver comment produire de grandes membranes de ce type exploitables dans l'industrie. © Siria et al., Nature, 2013
Insertion étape par étape d'un nanotube de nitrure de bore dans un trou de 150 nm de diamètre percé dans une membrane imperméable. Des études doivent encore être menées pour trouver comment produire de grandes membranes de ce type exploitables dans l'industrie. © Siria et al.Nature, 2013

Une production électrique multipliée par mille

Leur but premier était d'étudier la dynamique de fluides confinés dans des espaces de taille nanométrique tels que l'intérieur de nanotubes. En s'inspirant de la biologie et des recherches sur les canaux cellulaires, ils sont parvenus, pour la première fois, à mesurer l'écoulement osmotique traversant un nanotube unique. Leur dispositif expérimental était composé d'une membrane imperméable et isolante électriquement. Cette membrane était percée d'un trou unique par lequel les chercheurs ont fait passer un nanotube de nitrure de bore (de formule BN, un atome de bore et un atome d’azote) de quelques dizaines de nanomètres de diamètre extérieur à l'aide de la pointe d'un microscope à effet tunnel. Deux électrodes plongées dans le liquide de part et d'autre du nanotube leur ont permis de mesurer le courant électrique traversant la membrane.

En séparant les réservoirs d'eau salée et d'eau douce avec cette membrane, ils ont généré un important courant électrique à travers le nanotube. Celui-ci est dû à l'importante charge négative que présentent les nanotubes de nitrure de bore à leur surface, charge qui attire les cations contenus dans l'eau salée. L'intensité du courant traversant le nanotube de nitrure de bore est de l'ordre du nanoampère, soit plus de 1.000 fois celui produit par les autres méthodes cherchant à récupérer l'énergie osmotique. Cet important résultat vient d’être présenté dans la revue Nature.

Les nanotubes de nitrure de bore permettent donc de réaliser une conversion particulièrement efficace de l'énergie contenue dans les gradients salins en énergie électrique directement utilisable. En extrapolant ces résultats à une plus grande échelle, une membrane d’un mètre carré de nanotubes de nitrure de bore aurait une capacité d'environ 4 kW et serait capable de générer jusqu'à 30 MWh par an (un watt-heure correspond à l'énergie consommée ou délivrée par un système d'une puissance d’un watt pendant une heure). Ces performances sont trois ordres de grandeur au-dessus de celles des prototypes de centrales osmotiques en service aujourd'hui. Les chercheurs veulent à présent étudier la fabrication de membranes composées de nanotubes de nitrure de bore, et tester les performances de nanotubes de composition différente.


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