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Le stockage capacitif au service de la production « d’énergie bleue » et de la désalinisation

Le stockage capacitif au service de la production « d’énergie bleue » et de la désalinisation

« L’Energie bleue », ou énergie osmotique, désigne l’énergie qu’il serait possible d’obtenir – et de stocker - en exploitant la différence de salinité entre l’eau de mer (salée) et l’eau de rivière (douce), au niveau des estuaires où les deux se mélangent. Aujourd’hui, la technique privilégiée pour recueillir cette énergie repose sur l’emploi d’une membrane semi-perméable à travers laquelle vont circuler les molécules d’eau: ce flux résultant d’une différence de pression osmotique de part et d'autre de la membrane est ensuite utilisé pour produire de l’énergie.Dans une étude combinant simulations moléculaires et expérimentations, des chercheurs du RS2E s'intéressent à une technologie alternative reposant sur l’emploi de condensateurs. Ils ont ainsi tenté de comprendre et de prédire les mécanismes de stockage de charge et d’adsorption de sel dans des condensateurs formés d’électrodes nanoporeuses de carbone et de solutions aqueuses comme électrolyte. Ces travaux pourraient également s'appliquer à des procédés de désalinisation de l’eau. Leurs résultats sont publiés dans la revue Physical Review X.

CapMix et CDI : une alternative viable aux membranes semi-perméables actuelles ?

Dans la course au développement des énergies renouvelables, l’énergie bleue suscite beaucoup d’intérêt, car contrairement à l’éolien et au solaire, elle pourrait être produite en continu.  Mais il s’agit de l’énergie la moins avancée parmi les énergies dites « marines » qui entendent produire de l’énergie grâce aux énormes quantités de flux énergétiques marins et aquatiques.Une équipe de chercheurs composés de modélisateurs du PHENIX de Paris, et d’expérimentateurs du CIRIMAT de Toulouse (laboratoires membres du RS2E) se sont appuyés sur leurs travaux précédemment menés sur les supercondensateurs [1] , qui avaient permis de démontrer l’importance simultanée de deux facteurs : d'une part la structure complexe du matériau d'électrode, et d'autre part sa polarisation par l'électrolyte. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs se sont intéressés à deux technologies, le mélange capacitif (CapMix) et la déionisation capacitive (ou CDI), qui reposent sur des cycles de charge/décharge en présence d'une solution plus ou moins salée. L'utilisation d'électrodes nanoporeuses, déjà utilisées avec succès pour le stockage de charge dans les supercondensateurs, semble en effet prometteuse pour augmenter l'efficacité de ces procédés.

Une approche originale de modélisation moléculaire/expériences

Forts du soutien du RS2E, de la Mairie du Paris dans le cadre d'un projet Emergence(s), du projet européen EoCoE, et du projet ERC IONACES, les chercheurs ont adopté une approche inédite du sujet en utilisant des simulations moléculaires, couplées à des études expérimentales. Cette collaboration ambitieuse a ainsi permis d’évaluer la charge des électrodes, ainsi que la quantité d'ions et d'eau dans les pores des électrodes, pour deux condensateurs (matériau d'électrodes identiques mais concentrations en sel différentes). Ils ont ainsi pu prédire la capacité et la quantité de sel adsorbé -- deux quantités essentielles pour la conception des dispositifs. Les simulations ont ensuite permis d'obtenir de nombreuses informations microscopiques sur la structure de l'électrolyte, notamment sur la solvatation des ions confinés. Des analyses ont enfin été menées sur les conséquences de ces résultats pour les procédés CapMix et CDI, en soulignant l'intérêt des carbones nanoporeux (carbones dérivés de carbure, ou CDCs, aussi utilisés dans les supercondensateurs), les limites des prédictions des modèles habituels et la pertinence l’approche suivie. L'approche développée par les chercheurs permet ainsi de réaliser des prédictions réalistes et de préciser des mécanismes microscopiques, même si elle ne permet pas de remplacer des modèles plus simples pour des prédictions systématiques.

La prochaine étape pour cette collaboration est de préciser l'effet de la structure des électrodes (en étudiant d'autres CDCs) et de la nature des ions (en étudiant d'autres sels) ainsi que les propriétés de transport (diffusion et résistance de l'électrolyte dans les électrodes), qui déterminent la dynamique de charge/décharge des condensateurs.

Ecouter l'interview de Benjamin Rotenberg (PHENIX) dans l'émission La Une de la Science sur France Inter.

Référence :

Blue energy and desalination with nanoporous carbon electrodes: capacitance from molecular simulations to continuous models

Michele Simoncelli, Nidhal Ganfoud, Assane Sene, Matthieu Haefele, Barbara Daffos, Pierre-Louis Taberna, Mathieu Salanne, Patrice Simon, et Benjamin Rotenberg. Physical Review X, DOI : 10.1103/PhysRevX.8.021024

Contact chercheur :Benjamin Rotenberg (benjamin.rotenberg@sorbonne-universite.fr)

 

[1] On the molecular origin of supercapacitance in nanoporous carbon electrodes , C. Merlet et al, Nature Mater., 11, 306 (2012)

Highly confined ions store charge more efficiently in supercapacitors , C. Merlet et al, Nature Comm., 4, 2701 (2013)

Simulating Supercapacitors : Can We Model Electrodes As Constant Charge Surfaces ? , C. Merlet et al, J. Phys. Chem. Lett., 4, 264 (2013)