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Cette nouvelle technologie génère de l'électricité lorsque l'eau douce rencontre l'eau salée


Les chercheurs de Penn State ont récemment annoncé un nouveau système d'énergie renouvelable hybride qui génère une quantité d'électricité sans précédent à partir de la différence entre l'eau douce et l'eau salée.

Région où l'eau douce et l'eau salée se rencontrent dans le détroit de Géorgie.[Source de l'image:Stephengg via Flickr]

Le nouveau système donne naissance à un système réalisable qui exploite l'énergie à partir de la rencontre de l'eau douce et de l'eau salée dans les régions côtières.

Production d'électricité à partir des différences de salinité

Les scientifiques développent constamment des technologies renouvelables qui continuent d'alimenter l'avenir. Bien que les types les plus courants de production d'énergie renouvelable soient généralement reconnus comme étant l'énergie solaire, éolienne, hydraulique ou marémotrice, il existe également une autre méthode légèrement moins connue. Dans les plans d'eau avec différentes concentrations de sel, il existe une source d'énergie pratiquement inexploitée.

Lorsque deux plans d'eau rencontrent deux niveaux de salinité différents (c'est-à-dire l'eau salée et l'eau douce), les forces de la nature tentent d'égaliser la concentration en sel. Les ions de sel s'écouleront de la zone de concentration élevée vers les zones de concentration plus faible à mesure que l'eau se mélange continuellement. Finalement, le gradient s'égale et la concentration reste identique.

Cependant, les effets sont plutôt banals lorsque deux plans d'eau peuvent librement échanger des ions sel.

Cependant, l'introduction d'une membrane semi-perméable qui agit comme une barrière entre les deux plans d'eau peut augmenter l'effet. Permettre le passage de l'écoulement de l'eau tout en empêchant les ions de sel plus gros de passer à travers entraîne l'accumulation d'un type unique de pression - officiellement connu souspression osmotique.

Une fois la barrière en place, l'eau du côté eau douce tente d'égaliser les concentrations de sel dans l'autre portion. Cependant, comme le sel ne peut pas traverser la barrière, il reste dans le même corps.

Même si le sel reste en place, l'eau douce continuera à s'écouler dans le plan d'eau salée, ce qui fera monter la partie d'eau salée.

Exemple d'osmose entre deux plans d'eau avec des concentrations variables de sucre. Les niveaux de liquide augmentent d'un côté avec l'ajout de sucre lorsque l'eau douce tente de s'égaliser (semblable au sel). [Source de l'image: Wikimedia Commons]

Puissance osmotique: une source d'énergie renouvelable inexploitée

Partout dans le monde, il existe de nombreuses régions côtières où l'eau douce se jette dans la mer. Selon Penn State University,

"Cette différence de concentration en sel a le potentiel de générer suffisamment d'énergie pour 40 pour cent de la demande mondiale d'électricité. "

Puissance osmotique est l'énergie disponible entre deux plans d'eau avec des concentrations de sel variables. Il se trouve également que c'est l'une des sources d'énergie inexploitées les plus importantes au monde. Partout où l'eau douce rencontre l'eau salée, il est possible de générer près de la moitié de la demande mondiale d'électricité.

Cependant, les chercheurs sont confrontés au défi de trouver un moyen efficace de récolter sa puissance.

Actuellement, il existe deux méthodes importantes pour exploiter l'énergie de l'eau salée, y compris l'inverseélectrodialyse (ROUGE) etosmose retardée de pression (PRO).

Les systèmes PRO reposent spécifiquement sur le flux d'eau douce vers l'eau salée à travers une membrane. La méthode consiste à pomper de l'eau douce et de l'eau salée vers une grande membrane semi-perméable. lesystème de membrane à osmose directe permet seulement l'échange de l'eau du côté frais vers l'écoulement de l'eau salée. En conséquence, la pression de l'eau salée augmente. Un générateur à turbine peut exploiter l'énergie de l'eau sous pression et la convertir en électricité.

Production d'énergie par osmose retardée (PRO).[Source de l'image: Wikipédia]

Électrodialyse inverse

La deuxième méthode courante d'extraction d'énergie à partir de gradients de sel est connue sous le nom d'électrodialyse inverse (RED). En substance, RED fonctionne comme une batterie au sel.

En règle générale, les systèmes RED fonctionnent en pompant de l'eau salée dans un système qui a deux échangeurs d'ions séparés. L'un permet au sodium positif de s'écouler et l'autre ne permet que le passage du chlore chargé négativement. Le sel étant composé de chlore et de sodium, il est abondant dans les océans.

Diagramme d'électrodialyse inverse.[Source de l'image: Endy Nugroho via SlideShare]

L'alternance entre les ensembles de filtres est un flux d'eau qui crée la différence de concentrations obligeant les anions et les cations à s'écouler à travers la membrane. La différence de charge génère une tension entre les deux plaques qui peut être transformée en électricité en modifiant le débit à une concentration de sel inférieure.

Malheureusement, les deux méthodes souffrent de graves inconvénients.

Les problèmes rencontrés par la production d'énergie osmotique actuelle

Les systèmes PRO reposent sur un réseau de trous incroyablement petits qui composent la membrane. Cependant, les particules (organiques et inorganiques) logent facilement les petites ouvertures. Avec toutes les particules présentes dans l'océan, il est difficile de mettre en œuvre un système PRO à grande échelle. De plus, les systèmes PRO ne peuvent pas résister aux forces des eaux super salines.

La conception d'une usine commerciale est à la fois coûteuse et largement inefficace avec la technologie actuelle.

«PRO est jusqu'à présent la meilleure technologie en termes de quantité d'énergie que vous pouvez extraire», explique Gorski. «Mais le principal problème avec PRO est que les membranes qui transportent l'eau à travers les saletés, ce qui signifie que les bactéries se développent sur elles ou que des particules restent collées sur leurs surfaces et qu'elles ne transportent plus l'eau à travers elles.

Avec les technologies RED, seul le sel dissous passe à travers la membrane échangeuse d'ions - pas l'eau. Le système est plus efficace pour empêcher la membrane de s'encrasser. Cependant, le système n'a pas la capacité de produire des quantités substantielles d'énergie.

Solutions d'hybridation: une révolution des énergies renouvelables

Une solution impliquant un hybride entre deux technologies peut servir de réponse au problème embarrassant.

Une équipe de scientifiques de la Penn State University a conçu la solution en hybridant les technologies RED et CapMix.

Semblable à RED, CapMix repose sur des électrodes qui captent l'énergie de la tension qui se développe lorsque deux concentrations d'ions varient. Cependant, CapMix utilise spécifiquement la différence des niveaux de salinité pour générer une charge au lieu du flux de chlore et de sodium.

Pour que le système fonctionne, l'eau saline s'écoule à travers un tube où les membranes extraient les particules chargées. Deux charges de force opposée s'accumulent. Ensuite, une solution faiblement saline est introduite, provoquant la décharge des électrodes dans l'eau, générant par conséquent de l'électricité.

Système d'alimentation CapMix. [Source de l'image: Hatzell et coll., Energy Environ. Sci. 7 via Penn State]

Deux pour un

Récemment, une équipe de scientifiques a conçu une méthode pour marier les deux idées. Le système génère 12,6 watts par mètre carré, nettement plus que les autres générateurs salins.

«En combinant les deux méthodes, elles finissent par vous donner beaucoup plus d'énergie», dit Gorski.

Une cellule d'écoulement sur mesure sépare les canaux d'eau avec une membrane échangeuse d'anions. Le système utilise de l'hexacyanoferrate de cuivre comme électrode avec une feuille de graphite pour collecter le courant. L'alternance des flux d'eau saline et d'eau douce libère l'énergie et permet de la capter.

"Il y a deux choses qui font que ça marche", a ajouté Gorski. «Le premier est que le sel est acheminé vers les électrodes. La seconde est que le chlorure se transfère à travers la membrane. Étant donné que ces deux processus génèrent une tension, vous finissez par développer une tension combinée aux électrodes et à travers la membrane. »

La concentration de sel et le flux de particules chargées contribuant à la production d'énergie, le système a généré beaucoup plus que tout autre générateur de solution saline. Il ne porte pas non plus les mêmes problèmes que les autres systèmes.

Cellule à circulation de concentration avec deux plaques qui la maintiennent ensemble. Les tubes alimentent le système en sel ou en eau douce. [Source de l'image: Jennifer Matthews via Penn State]

Une solution prometteuse

La technologie en est encore à ses débuts, cependant, elle s'avère bien plus efficace que les autres méthodes.

La technologie hybride génère beaucoup plus que les autres techniques autonomes.

12,6 watts par mètre carré, cette technologie conduit à des densités de puissance de crête qui sont sans précédent par rapport à RED (2,9 watts par mètre carré) et à égalité avec les valeurs maximales calculées pour PRO (9,2 watts par mètre carré), mais sans les problèmes d'encrassement », affirme une déclaration de Penn State.

Actuellement, les chercheurs étudient la stabilité des électrodes sur de longues périodes. Les résultats sont prometteurs, cependant, la technologie aura encore besoin de beaucoup plus de raffinement avant d'être prête pour une expérimentation à grande échelle.

Néanmoins, la technologie hybride est un pas substantiel dans la bonne direction vers une énergie renouvelable propre. Bien qu'il soit jeune, il puise dans une source d'énergie entièrement nouvelle - une source qui pourrait un jour alimenter autant que 40 pour cent de la demande énergétique des sciences humaines.

Via État de Penn

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Écrit par Maverick Baker


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