Cellule capacitive d’électrodialyse inverse pour la récupération d'énergie osmotique : vers des saumures réelles et augmentation de puissance

Capacitive reverse electrodialysis cells for osmotic energy harvesting : Toward real brines and power enhancement

• Auteur / Autrice : Nan Wu
• Direction : Annie Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/09/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Balland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Marie-Caroline Jullien, Cyril Picard, Mikhael Bechelany, Virginie Lair
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Caroline Jullien, Cyril Picard

Mots clés

Mots clés libres

Énergie bleue

Gradient salin

Electrode capacitive

Ion divalent

Densité de puissance

Blue energy

Salinity gradient

Capacitive electrode

Divalent ion

Power density

Résumé

Face aux problèmes de réchauffement climatique, trouver des ressources énergétiques propres et durables pour remplacer les combustibles fossiles conventionnels est d'une importance capitale. L'énergie osmotique demeure une ressource énergétique inexploitée avec un potentiel significatif. Dans ce travail, nous parvenons à une conversion efficace de l'énergie osmotique en électricité grâce à un processus de mélange bien contrôlé utilisant un système d'électrodialyse inverse capacitif (CRED). Il est démontré qu'un écart substantiel de densité de puissance existe entre le système CRED et la valeur maximale théorique, principalement en raison de l'efficacité de conversion faible du flux ionique-électronique dans les électrodes capacitifs. Pour pallier cette limitation, nous proposons la stratégie de boosting pour optimiser le régime de fonctionnement du système CRED. Des expériences et des modélisations confirment une amélioration de la performance énergétique du système CRED. Pour avancer vers des applications réelles, nous évaluons les performances du système CRED sous des solutions composées de mélanges ioniques complexes. Contrairement à la chute significative de la densité de puissance observée dans les systèmes RED classiques, le système CRED ne présente qu'une légère diminution lorsqu'il est soumis à des solutions avec un mélange d'ions divalents. Ce phénomène est attribué au renversement périodique des solutions dans les compartiments, qui atténue l'effet d'empoisonnement de la membrane. Ce résultat est ensuite validé par des tests à long terme avec des solutions réelles. Pour généraliser le système CRED dans un spectre plus large, nous proposons une cellule de gradient de pH avec des électrodes de MnO2 à pseudo-capacité. Elle utilise l'énergie osmotique établie dans un processus de capture de CO2 basé sur un électrolyte et vise à réduire le coût global du processus de capture de carbone. La cellule de gradient de pH présente une augmentation inattendue de la densité de puissance sous la stratégie de boosting. Cela est dû à la contribution de tension supplémentaire des électrodes en raison du changement de couverture fractionnelle lié aux réactions d'oxydoréduction. Cependant, elle reste dans le cadre du régime capacitif et est bien décrite par une modélisation CRED adaptée.

Given the global warming issues, finding clean and sustainable energy resources to replace conventional fossil fuels is of paramount importance. Osmotic energy remains an untapped energy resource with significant potential. In this work, we achieve efficient conversion of osmotic energy into electricity through a well-controlled mixing process using a capacitive reverse electrodialysis (CRED) system. It is demonstrated that a substantial power density gap exists between the CRED system and the theoretical maximum value, primarily due to the low ionic-electronic flux conversion efficiency in capacitive electrodes. To address this limitation, we propose the boosting strategy to optimize the working regime of the CRED system. Both experiments and modeling confirm an enhanced energy performance of the CRED system. To advance towards real-world applications, we assess the performance of the CRED system under solutions composed of complex ion mixing. In contrast to the significant power density drop observed in classic RED systems, the CRED system exhibits only a minor decrease when subjected to solutions with divalent ion mixing. This phenomenon is attributed to the periodic water chamber reversal, which mitigates the membrane poisoning effect. This result is further validated through long-term testing with real-world solutions. To generalize the CRED system into a broader spectrum, we propose a pH gradient cell with MnO2 electrodes of pseudo capacitance. It uses the osmotic energy established within an electrolyte based CO2 capturing process and aims to reduce the overall cost of carbon capturing process. The pH gradient cell presents unexpected power density increase under boosting strategy. This is due to the additional electrode voltage contribution due to fractional coverage change related to redox reactions. However, it stays in the framework of capacitive regime and remains well described by an adapted CRED modeling.