Nouveau concept pour améliorer l'extraction d'énergie bleue par des couches capacitives

New concept to improve salinity energy harvesting by capacitive layers

• Auteur / Autrice : Youcef Brahmi
• Direction : Annie Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie-Biologie-Innovation (UMR 8231)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Barboux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Yann Bultel, Anne-Laure Biance, Véronique Balland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Bultel, Anne-Laure Biance

Mots clés

Mots clés libres

Capacitive

Membrane

Energie bleue

Diffusion osmotique

Électrode

Adsorption

Capactive

Membrane

Blue Energy

Diffusio-Osmotic

Electrode

Adsorption

Résumé

Pour lutter efficacement contre le réchauffement climatique, il est nécessaire d'augmenter la production d'énergies propres et renouvelables. L'énergie solaire, l'énergie éolienne, l’hydroélectrique et l'énergie marémotrice sont des technologies matures. L'augmentation de la production d'énergie renouvelable nécessite l'utilisation de sources d'énergie peu ou pas exploitées, comme l’énergie bleue. Cette forme d’énergie correspond à l’énergie générée lors du mélange d'eau douce et d'eau salée. Cependant, les procédés actuels d’extraction d'énergie à partir de gradients de sel restent inefficaces, principalement parce que les membranes sélectives commerciales sont peu performantes comme le cas de l’électrodialyse inverse ou l’Osmose à pression retardée qui ne sont toujours pas économiquement rentable. Les espoirs de membranes non sélectives dotées de canaux nanofluidiques chargés qui ont été conçus pour réduire la résistance interne de la cellule semblent être vains. Une nouvelle solution est proposée qui consiste à augmenter le potentiel de circuit ouvert de la membrane en y attachant des électrodes capacitives avec des groupements fonctionnels chargés négativement qui permet l’adsorption des ions, essentiellement les ions positifs. Une telle configuration nous permet de doubler le potentiel du circuit ouvert de la cellule sans trop modifier la résistance ohmique globale et donc de multiplier par 4 la puissance brute potentiellement récupérable.Après une étude approfondie réalisée dans le but de caractériser le procédé et une optimisation de la consommation énergique due aux pertes de charge, nous présentons un dispositif de quelques centimètres carrés avec une seule membrane récoltant une densité de puissance nette de 2 Watts par mètre carré de membrane (densité de puissance potentielle nette estimée à 5.4 W.m-2, ce qui rend le système économiquement viable.

To effectively combat global warming, it is necessary to increase the production of clean, renewable energy. Solar, wind power, hydroelectric dams and tidal power plants are mature technologies. Increasing the production of this energy requires the use of energy sources that are little or not exploited like the blue energy which is the a less-known source with enormous potential that can be generated directly from the mixing of fresh and salt water. However, current processes for energy harvesting from salt gradients remain inefficient mainly because commercial selective membranes have poor performance as in the reverse electrodialysis or in the pressure retarded osmosis and still not economically viable. Hopes for nonselective membranes with charged nanofluidic channels which have been designed to reduce the internal resistance of the cell seem to be in vain. Here we present a novel solution that involves increasing the open circuit potential of the membrane by attaching tailored capacitive layers with negatively charged functional groups on the surface that adsorb ions, mainly the positive ones. Such a configuration allows us to double the potential of the open circuit of the cell without modifying too much the global ohmic resistance and thus to multiply by 4 the potentially recoverable power.After a thorough study carried out in order to characterize the process and an optimization of the energy consumption caused by the hydraulic pressure drop, we display a device of a few squared centimeters with only one membrane harvesting a net power density of 2 Watts per square meter of the membrane (estimated net potential power density 5.4 W.m−2 ) which makes the system economically viable.