A- Le fonctionnement de la centrale

Mécanisme de fonctionnement de la centrales

Nous allons donc étudier les différents mécanismes qui vont permettre dans cette centrale osmotique la production d’énergie :

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Dans la centrale osmotique de Tofte, de l’eau de mer épurée est utilisée. Ce sont donc les ions sodium, Na+ et chlorure Cl- qui sont responsable du phénomène de pression osmotique.

Les modules de membranes spiralés

Les membranes, qui permettent la pressurisation de l’eau, sont emprisonnées dans des modules. Pour augmenter la surface de contact avec les eaux douces et salées, les membranes épaisses comme  feuille de papier sont agencées en modules spiralés et forment ainsi une sorte de mille feuilles de forme cylindrique. Les modules de membranes spiralées, alors que leur diamètre n'est que de 40 cm et leur longueur de 1m, contiennent 30 m² de membranes.

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L’eau de mer entre par le tube troué et l’eau douce uniquement dans les espaces créés par les petites grilles d’espacement. Toutes les couches sont enroulées autour du tube et il y a un trou dans celui-ci quand il est en contact avec les grandes grilles d’espacement. Ainsi l’eau de mer va envahir les espaces créés par les grandes grilles d’espacements.

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Dans la coupe ci-contre les différentes couches de la membrane spiralée sont représentées. L’eau douce s’est infiltrée dans l’espace créé par les petites grilles d’espacement et l’eau de mer dans ceux créés par les grandes grilles d’espacement.

Par l’intermédiaire de la pression osmotique,  l’eau douce va traverser la membrane. La pression va donc augmenter dans le coté de l’eau salée et donc dans le tube.

Comme le coté de l’eau salée communique avec le tube, il ressortira de ce dernier de l’eau saumâtre et sous pression !

La centrale de Tofte possède 66 modules de ce type qui permettent de mettre de l’eau sous pression afin de l’envoyer dans une turbine.

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L'acheminement des eaux

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La centrale osmotique a besoin de deux sources d’eau : Une source d’eau salée, et une source d’eau douce. Cela explique sa position à l’embouchure d’une mer, et non loin d’un fleuve.

L’eau salée est captée dans le détroit de Skagerrak, dans la mer du Nord. L’eau est captée à 35 mètres de profondeurs, ce qui permet d’avoir une très faible pollution, et une salinité optimale. Cette eau sera ensuite pompée et conduite jusqu’à un compartiment prévu pour la recueillir. Le pompage étant assez coûteux en énergie, il serait  idéal de construire des centrales qui seraient sous le niveau de la mer. Mais ceci reste une «utopie»  au jour d’aujourd’hui.

La centrale de Statkraft est une centrale pilote. L’eau douce n’est donc pas issue d’un fleuve qui se jetterait par la mer, mais conduite grâce à des tuyaux d’un petit lac voisin, de la région de Hurum.

Sur le quai nous trouvons donc deux entrées d’eau : une d’eau douce et une d’eau salée:

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Préfiltrations

Les eaux captées sont loin d’être pures. Il faut donc les purifier pour éviter que des micro-organismes viennent boucher les pores. Statkraft a mis en place des membranes à gradient de porosité, en amont du circuit, pour contourner ce genre de problème. En effet, la membrane séparant l'eau douce de l'eau salée ne laissant passer que les molécules d'eau dans le sens de l'osmose, il est indispensable que l'eau douce soit uniquement composée de molécules d'eau, ce qui nécessite une filtration très précise de l'ordre de 1 Å. (Le Å est une unité de longueur valant 0,1 nanomètre, soit 10−10 mètre. Bien que fréquemment utilisée en physique atomique, cette unité n’appartient pas au système international). Pour arriver à un résultat, différents filtres, du plus grossier au plus sélectif sont utilisés ; c’est pour cela que l'on appelle la technique «membrane à gradient de porosité» car la porosité des films augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche de la centrale.

La première étape est commune à l'eau de mer et à l'eau douce et consiste en la filtration des eaux par des films de 50 micromètres (microfiltration) afin d'éliminer les algues et les nanoplanctons susceptibles de s'y trouver.

Ensuite, un second filtre de l'ordre de 2 à 100 nanomètres (ultrafiltration) est utilisé pour éliminer les éventuels colloïdes (Mélange d'un liquide et d'une suspension de particules solides de si petites tailles qu'elles se répartissent de façon homogène).

Enfin, le filtrat doit passer de nouveau à travers un film de 1 à 2 nanomètres (nano filtration) de diamètre, ceci afin d'éliminer les ions multivalents ainsi que les composés organiques.

Cette phase de préfiltration est très importante car elle conditionne la qualité de l'eau qui arrivera de part et d'autre de la membrane, donc elle influe sur la qualité du transfert d'énergie et par conséquent sur la rentabilité énergétique, et donc financière, du procédé.

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Membrane

Dutrochet montra qu'une membrane biologique placée entre deux solutions différentes est capable d'en séparer les substances dissoutes en fonction de la dimension de leurs molécules et des différences de concentration de part et d'autre de la membrane. Thomas Graham, physico-chimiste écossais (1805-1869), mettra en application ce principe sur lequel repose l'hémodialyse (Méthode d'épuration du sang grâce à un circuit de circulation extracorporelle et menant le sang a un dialyseur).

Les premières membranes organiques industrielles ne sont apparues que dans les années 60. Aujourd'hui, les ingénieurs ont recourt aux meilleures membranes disponibles sur le marché, qui peuvent être en acétate cellulose, c'est-à-dire en matière plastique ou bien en polymère de synthèse. Les membranes à osmose sont très spécifiques du phénomène, elles sont semi-perméables ou autrement dit « semi-sélectives ». Elles permettent uniquement le transfert de certaines matières entre les deux milieux qu’elles séparent, et l’interdisent à d’autres.

Celles-ci sont constituées d'un polysuftone (Famille de thermoplastiques contenant du soufre).

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Les membranes industrielles sont sous forme de feuille ou de tube et ont un coût de fabrication minimale pour une efficacité maximale.

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Ces membranes sont formées d’innombrables micros pores (de l’ordre du dixième de nanomètre). Ces pores ne permettent le passage qu’aux molécules d’eau lors de l’apport de solution. Les molécules de chlorure de sodium, trop volumineuses face à ces pores  ne peuvent pas passer. Cette membrane n'est donc perméable qu'aux molécules les plus petites H2O.

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La difficulté étant de trouver des membranes qui ne sont pas trop serrées pour permettre un flux suffisant, ni trop épaisses pour laisser passer les ions chlorure et sodium. Le schéma ci-dessous représente la taille d’un pore (en noir) en fonction d’une bactérie (en bleu) et d’un virus (en vert) :

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Le rendement de l’énergie osmotique tient beaucoup à l’efficacité des membranes qui doit être optimale.

Des progrès sont encore possibles pour améliorer les conditions d’utilisation de ces membranes. Aujourd'hui, les membranes installées à Hurum sont capables de produire 3W/m², ce qui reste très peu. Pour augmenter la production d'électricité, la seule solution autre qu'augmenter l'efficacité des membranes serait d'en augmenter la surface. Comme ceci n’est pas forcement possible, une efficacité des membranes est visée et nous remarquons qu’au fur et à mesure des années  nous nous rapprochons de ce but :

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L'échangeur de pression

Pour une efficacité optimale du phénomène d’osmose, la pression de l’eau dans le dispositif doit être de 13 bars. Pour pressuriser l’eau de mer entrante à 13 bars on utilise un échangeur de pression qui est un système intelligent, fiable et économique. Expliquons comment fonctionne ce système.

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1)      L’eau de mer entre dans le rotor et pousse l’eau saumâtre (eau dont la teneur en sels est sensiblement inférieure à celle de l'eau de mer).

2)      Le rotor est donc plein d’eau de mer à basse pression.

3)      On injecte de l’eau saumâtre à haute pression issue des membranes (deux tiers de l’eau pressurisée par les membranes est injecté dans l’échangeur).

4)      L’eau de mer est chassée dans la pompe de circulation, et il ne reste plus que de l’eau saumâtre dans l’échangeur.

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Ce cycle se reproduit ainsi indéfiniment et l'échangeur de pression permet ainsi de gérer la pression de l'eau alimentant la turbine produisant l'électricité. Etant donné que ce cycle est répétée 1200 fois par minute, le mélange entre l’eau salée et saumâtre est très faible. Ce cycle est déclenché par la rotation du rotor. Le rotor est aligné obligatoirement soit avec les deux ouvertures supérieures (1 et 2), soit avec les deux ouvertures inférieures (3 et 4), ou enfin avec aucune ouverture (donc aucun échange de liquide) :

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La turbine

La turbine utilisée dans la centrale de Statkraft est une turbine de type Pelton. Comme nous l’avons vu précédemment,  deux tiers de l’eau mis en pression par les membranes sont réinjectés dans le circuit, donc seul un tiers de l’eau pressurisée est utilisé.

L’eau sous pression est propulsée contre les augets de la turbine par l’intermédiaire de 6 injecteurs.

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On peut exprimer ainsi la puissance d'une turbine hydraulique :

P=η.ρ.g.h.Q 

Avec P la puissance en Watt, 

η le rendement en  %,

g l'accélération liée à la pesanteur en m/s²,

ρ la masse volumique de l'eau en kg/m3,

h la hauteur de la chute d'eau en m 

Q le débit de la turbine en m3.s-1.

 

Prenons les valeurs de :

•  η = 85 %

• ρ = 1010 kg/m3 (mélange d'eau douce de masse volumique 1000 kg/m3 et d'eau salée de masse volumique 1025 kg/m3

•  g = 9,81 m/s

•  h = 270 (selon Sciences et Vie, les effets de la pression sont semblables à ceux d'une colonne d'eau de cette hauteur, soit une pression de 26 bars)

•  Q = 1,0 m3.s-1 (selon l'entreprise Statkraft)

On obtient donc :

P = 85% × 1010 × 9,81 × 270 × 1,0 ≈ 2MW

Nous venons de prouver que la turbine a une puissance théorique de 2 MW mais malheureusement les résultats obtenus dans la centrale sont moins encourageants, n’étant que de quelques KW. Statkraft a prévu la construction d’une nouvelle centrale pilote d’ici 2015. Elle serait capable de produire 25 MW.


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