Produire de l'électricité avec de l'eau et du sel : du principe d'osmose à la réalité technologique

Produire de l’électricité avec de l’eau et du sel ? L’idée n’est pas si farfelue et fait déjà, depuis plusieurs années, l’objet d’une réalité technologique prometteuse. L’énergie osmotique, nommée « Blue Energy » en anglais, est tirée de la différence de salinité entre deux liquides (par exemple entre l’eau de mer et l’eau douce) : le liquide le moins salé se déplaçant vers le liquide le plus salé. Il s’agit du principe d’osmose.

Pour produire de l’énergie osmotique, deux types de procédés peuvent être employés : 

-l’osmose à pression retardée (pressure-retarded osmosis en anglais, PRO)^[1] qui consiste à enfermer de l’eau salée dans un contenant semi-perméable contre lequel circule de l’eau douce. Suivant le principe de l’osmose, l’eau douce pénètre la membrane pour se mélanger à l’eau salée. L’augmentation du volume d’eau dans la membrane entraîne une augmentation de la pression sur les parois qui va à son tour actionner une turbine produisant, via un générateur, de l’électricité.  

-l’électrodialyse inversée (reverse electrodialysis en anglais, RED)^[2] fait appel à des membranes échangeuses d'ions qui séparent le sodium ou le chlore de l'eau salée, générant ainsi un courant ionique que l’on peut convertir en courant électrique. 

L’avantage majeur de cette énergie est son caractère renouvelable, permanent, et prévisible, contrairement au solaire ou à l’éolien qui sont des énergies renouvelables intermittentes. Cet avantage est renforcé par le concept modulaire des centrales osmotiques auxquelles des modules de membrane peuvent être ajoutés s’il y a nécessité d’augmenter temporairement la puissance installée^[3]. La présence conjointe et naturelle d’eau salée et d’eau douce dans les estuaires des fleuves en fait des endroits idéaux pour installer des centrales osmotiques. Certaines embouchures de fleuves accueillent d’importantes zones industrialo-portuaires comme au Havre. Une consommation locale de l’énergie osmotique produite apparaît dès lors envisageable, limitant ainsi les besoins de transport d’électricité. Enfin, les synergies possibles avec d’autres technologies telles que la désalinisation de l’eau de mer ou les installations hydroélectriques sont un avantage important à exploiter, notamment afin d’implanter les centrales osmotiques sur des rivières déjà aménagées.  

Des débuts timides…  

Le potentiel mondial annuel (resp. Européen) de l’énergie osmotique est de 1600 – 1700 TWh^[1] (resp. 200 TWh). A titre de comparaison, la production électrique annuelle en France est de 550 TWh. Malgré ce potentiel prometteur, la concrétisation des projets de prototypages de centrales osmotiques lancés pour la grande majorité entre 2009 et 2014 est encore difficile. Les acteurs du secteur se heurtent en effet à des difficultés techniques, parfois si contraignantes qu’elles aboutissent à l’abandon du projet. C’est le cas notamment de Statkraft qui avait réalisé la mise en place du premier prototype mondial de centrale osmotique à Hurum dans le fjord d’Oslo en Norvège en 2009 et qui a décidé en 2013 de ne pas poursuivre le développement de l’énergie osmotique. La principale raison évoquée étant que les perspectives du marché ne permettaient pas d’assurer la compétitivité de la technologie^[11].  

Toutefois, depuis 2009, plusieurs projets pilotes de centrales osmotiques se sont développés aux quatre coins du monde : Pays-Bas, Japon, Etats-Unis. Alors qu’en 2009, la centrale prototype installée par Statkraft et basée sur le procédé PRO avait une puissance de 10 kW^[4], celle construite au Pays-Bas par RedStack sur la digue d’Afsluitdijk en 2014 et basée sur le procédé RED a une puissance de 50kW^[3]. Redstack planche actuellement sur la construction d’un prototype de centrale d’une puissance d’1MW près de Katjwik sur la côte hollandaise^[5]. Au Japon, le prototype de centrale osmotique a été intégré au Mega-ton Water System, une usine de dessalement d’eau de mer avec pour objectif de réduire la consommation énergétique de cette usine ainsi que de faciliter la gestion des rejets de saumures^[6]. Les premiers résultats montrent une réduction d’énergie de l’ordre de 30%^[7] .  

En raison du faible rendement des membranes actuelles, le développement de cette énergie se joue encore beaucoup dans les laboratoires. Ainsi des acteurs importants du secteur à prendre en compte sont les chercheurs. On peut notamment citer : l’institut de développement Wetsus partenaire de Redstack, les Universités du Connecticut et de Yale aux Etats-Unis qui ont développé des moteurs thermiques osmotiques en partenariat avec l’entreprise Oasys Water, ou encore l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse qui a mis au point une membrane épaisse permettant d’atteindre un rendement largement supérieur aux membranes existantes. 

En France, les recherches sur le dessalement de l’eau de mer dans un laboratoire du CNRS ont permis la création d’une start-up bretonne Sweetch Energy^[8] fondée en 2016 et lauréate de plusieurs concours d’innovation qui travaille sur le développement de membranes composées de plusieurs milliards de tubes nanométriques et dont le rendement est déjà 100 fois supérieur à celui de la centrale osmotique de Statkraft.

… qui rendent difficile une estimation fiable du coût  

Les progrès techniques à réaliser sur les membranes sont encore trop importants pour estimer le coût de l’énergie osmotique. Peu d’informations sont publiées sur le coût des prototypes mis en place. Les premières estimations ont été données par Statkraft qui prévoyait un prix compétitif de $60-70/MWh^[9] (50-60€/MWh, soit environ le coût de l’éolien offshore posé) pour sa centrale osmotique d’Hurum basée sur le procédé PRO. Toutefois, le prototype de plus grande envergure qui aurait dû être construit à Sunndal en Norvège et qui devait confirmer ces estimations n’a jamais vu le jour, suite à l’abandon du projet par Statkraft.  

Contrairement à l’éolien offshore flottant, ce n’est pas le raccordement au réseau, l’étude du site ou encore l’installation des infrastructures qui sera déterminante dans l’évolution du coût de l’énergie osmotique, mais bien les avancées techniques sur les membranes. Outre leur rendement, le coût de leur entretien sera également déterminant^[3]. 

Diversifier les applications pour optimiser les coûts ?  

Tandis que le projet japonais Mega-ton Water System montre les bénéfices d’un couplage technologique entre le procédé RO et les procédés de dessalement de l’eau de mer, l’entreprise Redstack a quant à elle mis en lumière une application différente des membranes utilisées dans le procédé RED et qui pourrait en faire baisser le coût : la production d’hydrogène. Dans sa centrale osmotique d’Afsluitdijk, Redstack a remarqué qu’une configuration différente de la colonne des membranes permet de récupérer l’hydrogène produit dans le procédé RED. L’entreprise affirme que le potentiel d’une centrale osmotique qui serait située à l’estuaire du Rhin au Pays-Bas serait de « 1.6 milliard de Nm3 d’hydrogène »^[5]. 

Une énergie bleue… complètement verte ?  

Les centrales osmotiques sont encore principalement à l’état de prototype. Ainsi les impacts environnementaux et sociaux liés à leur exploitation, notamment sur le long-terme, n’ont été que peu étudiés. Il paraît toutefois légitime de s’interroger sur l’impact que ces centrales osmotiques peuvent avoir sur les écosystèmes aquatiques réputés fragiles. L’aménagement d’une centrale osmotique peut perturber l’habitat de la faune aquatique à travers des rejets d’eau saumâtre ainsi que le mélange naturel d’eau de rivière et d’eau de mer^[3]. Au vu des similitudes dans l’infrastructure et l’emplacement d’une usine de traitement de l’eau et d’une centrale osmotique, il peut être pertinent de tirer profit des retours d’expérience concernant l’impact environnemental de la première afin de ne pas reproduire les mêmes erreurs, notamment en termes de modification du milieu d’accueil. Enfin, il faut prendre en compte l’apparition de conflits éventuels avec les activités de navigation et de pêche très présentes au niveau des estuaires.  

Les deux types de technologie pour produire de l’énergie osmotique sont prometteuses et présentent de nombreux avantages mais elles sont encore peu développées. Les quelques projets en cours dans plusieurs pays du monde visent surtout à démontrer l’efficacité et la rentabilité de cette méthode de production d’énergie sans prétendre à ce stade à industrialiser un procédé pour lequel d’importantes étapes de développement se jouent encore en laboratoire. En effet, bien que les opportunités soient importantes, le défi reste avant tout technologique. Ces projets ont également le mérite de montrer la diversité des applications des procédés PRO et RED : du couplage avec les procédés de dessalement de l’eau de mer à la production d’hydrogène. Les perspectives sont donc prometteuses. Il ne faudra toutefois pas oublier un aspect important quoique délaissé pour le moment : l’analyse du cycle de vie des centrales osmotiques. En effet, si ces dernières ne génèrent pas d’émissions de gaz à effet de serre en exploitation, il est important de connaître le coût environnemental de leur fabrication, installation et maintenance afin de pouvoir faire des choix éclairés quant à la place qui leur sera laissé dans le mix énergétique.  

Auteurs :
Lucie Moulin, Consultante
Teresa Resta, Manager
Emmanuel Autier, Partner