De l’électricité en osmose avec la nature

LE TEMPS || Aujourd’hui est inaugurée à Tofte, en Norvège, la première centrale au monde qui produira du courant électrique en tirant profit du mariage entre l’eau salée et l’eau douce, selon le principe de l’osmose. Reportage sur les rives de l’Oslofjord, et détails sur cette nouvelle source d’énergie renouvelable et 100% propre pour l’environnement

Tirant profit de la nature, l’homme a déjà domestiqué la lumière et la chaleur du soleil, ainsi que la force du vent, des cours d’eau et des marées pour produire de l’électricité. Une nouvelle source d’énergie renouvelable s’ajoute à cette liste: l’osmose. Aujourd’hui à Tofte, hameau de l’Oslofjord situé à 58 km de la capitale norvégienne, la princesse Mette-Marti inaugure la première centrale électrique au monde tirant profit de ce phénomène ubiquitaire sur la Terre, dans les plantes comme dans nos corps.

Le principe de l’osmose est simple: lorsque deux réservoirs, l’un rempli d’eau salée, l’autre d’eau douce, sont mis en contact par le biais d’une membrane poreuse, les deux volumes tentent spontanément de se mélanger pour équilibrer leur taux de salinité. La membrane ne laissant passer que les molécules d’eau, et non de sel, c’est l’eau de mer qui attire dans son bassin l’eau douce. Il s’y crée alors une surpression. Qui peut être subtilement utilisée: l’eau est expulsée par un conduit pour faire tourner une turbine électrique.

C’est le même principe d’osmose impliquant une membrane semi-perméable qui permet aux plantes d’absorber la rosée à travers les feuilles, et aux cellules humaines de puiser leurs nutriments dans le liquide extérieur. Exploitée «à l’envers», l’osmose sert aussi à produire de l’eau douce à partir d’eau salée.

Les avantages de cette technique, pour la production d’énergie renouvelable? Elle ne fait appel qu’à deux ressources de base – eau douce et eau salée –, ne dépend pas des conditions météo (ensoleillement, vent, etc.) et se veut 100% neutre pour l’environnement. Elle serait ainsi applicable pratiquement partout là où un cours d’eau rejoint la mer. Les ingénieurs de Statkraft, l’entreprise étatique norvégienne qui mène ce projet, ont calculé que le potentiel de production d’électricité par osmose dans le monde se monterait à 1700 térawattheures (TWh) par an, ce qui équivaut à 50% de la production électrique totale de l’Europe. Rien que sur le Vieux Continent, 200 TWh pourraient être générés.

L’idée, donc, est triviale – vers 1970 déjà, Sidney Loeb, à l’Université de Californie, s’y penche le premier. Mais sa concrétisation en est loin. Le problème? Les membranes. Sur lesquelles l’Américain, avec la technologie de l’époque, bute. Pour que l’osmose soit très efficace, celles-ci doivent stopper les molécules de sel, mais aussi être assez minces pour garantir le flux de diffusion et rester assez solides pour résister à la pression qui se crée. Le tout sans voir leurs pores se boucher à tout bout de champ. Pour les caractériser, les chercheurs déterminent le nombre de watts électriques qu’elles pourraient produire par mètre carré (W/m2) de «tissu». Les membranes de Sidney Loeb affichaient 0,1 W/m2. Peccadille. Il abandonne.

«Vu les avancées technologiques dans les années 1990, réexaminer la question valait la peine», confie Stein Erik Skilhagen. Avec les matériaux actuels (acétate de cellulose, polymères de synthèse), le chef de la section Osmosis Power chez Stat­kraft et ses collègues ont fabriqué des membranes performante de 2 ou 3 W/m2. C’est bien mieux. Mais pas encore satisfaisant. «La barre des 6 W/m2 est charnière, analyse Gérald Pourcelly, directeur de l’Institut européen des membranes, dans la revue Science & Vie. On passerait d’une expérience de laboratoire à une technologie qui a des chances d’être compétitive.» Qu’importe, les ingénieurs norvégiens ont décidé de construire une station de démonstration.

A Tofte, l’ensemble tient dans le volume d’un gros appartement, bien humide. Au premier étage, les deux accès d’eau, salée et douce, en provenance celle-là d’un lac voisin. Les membranes, minces comme du papier, sont enroulées par découpes de 30 m2 dans ce qui ressemble à des bonbonnes de gaz, une soixantaine, appelées modules. «Au total, nous avons 2000 m2 de membrane», dit Stein Erik Skilhagen. Les deux types d’eau entrent dans les modules distinctement, subissent le processus osmotique, et font augmenter le volume à la sortie d’eau salée. Le surplus de liquide ainsi «transvasé» est alors expulsé dans une petite turbine tournant derrière une vitre. «Avec elle, nous produirons 2 à 3 kWh d’électricité. De quoi faire fonctionner… une machine à café.» Mais l’important est moins dans la quantité que dans la faisabilité.

«Personne, à ce jour, n’a réussi à générer de l’électricité en conditions réelles avec cette méthode. Aujourd’hui, la pression est grande», confie Stein Erik Skilhagen sans jeu de mot. «Il y a dix ans, Stat­kraft a pris des risques avec ce projet devisé à 20-25 millions d’euros». D’autant plus que «Tofte est l’un des pires endroits de la Norvège; ici, l’eau douce contient d’infimes particules organiques provenant de l’agriculture. Mais si l’idée fonctionne ici, elle sera applicable partout». Ces particules ont une taille de l’ordre du micron. Les techniciens ont donc dû installer un système de filtres primaires, afin d’éviter qu’elles n’obstruent les pores des membranes. «Nous devons tout de même purger celles-ci une fois par jour, avec du chlore parfois, mais sans dommage pour la nature.»

Les ingénieurs de Statkraft voient déjà plus loin. D’ici à 2015, ils envisagent de mettre au point une «station pilote» de 25 mégawatts (MW) cette fois, soit 1000 fois plus qu’à Tofte, ce qui reste peu en comparaison avec une centrale à charbon (1000 MW). Pour ce faire, l’utilisation de 5 millions de m2 de membrane serait nécessaire. Des membranes que Stein Erik Skilhagen travaille à optimiser: «Nous sentons que nous avons tous les éléments en main. Mais, comme un puzzle, il faut trouver la bonne combinaison de paramètres de fabrication. Surtout concernant les flux de diffusion».

Les chercheurs testent aussi de nouveaux matériaux, comme des couches de nanotubes de carbone imprégnées dans un polymère. D’après Stein Erik Skilhagen, la communauté scientifique est de plus en plus active dans ce domaine, notamment aux Etats-Unis, où la société Oasys progresse vite. «Nous serons très observés aujourd’hui. Notre démonstration risque d’être un événement déclencheur dans le monde entier, jusqu’au Japon, où la technologie est aussi éprouvée.»

Restera alors l’étape la plus difficile: passer des laboratoires à la fabrication en série. «Tout est nouveau, nous n’avons pas de références. Mais nous allons réussir, estime Stein Erik Skilhagen. J’espère juste qu’ensuite les choses iront plus vite qu’avec les autres énergies renouvelables…» Un aspect crucial pourrait jouer en faveur des chercheurs norvégiens: «A terme, avec la centrale-pilote, nous prévoyons un coût de production de 50 à 100 euros par MWh». De quoi être alors concurrentiel avec les prix moyens dans l’UE, 45 euros par MWh actuellement, mais qui sont probablement amenés à grimper vu les demandes croissantes en énergie.