Craquage de l'eau

Le craquage de l'eau est un procédé permettant l'obtention d'hydrogène et d'oxygène, par électrolyse ou en dissociant par la chaleur les atomes composant la molécule d'eau H₂O. C'est une réaction thermochimique se commençant à haute température (entre 850 °C et 900 °C) pour devenir complète vers 2 500 °C.

Utilité

C'est une des pistes envisagée pour massivement produire de l'hydrogène à destination des piles à combustible, notamment pour les applications mobiles (voiture, téléphone portable, PC portable, etc.)

Bilan énergétique

Bilan de la décomposition d'une molécule d'eau :

H₂O → H₂ + ½ O₂

La molécule d'eau H2O est constituée de 2 liaisons O-H et chaque liaison a une énergie molaire de 460 kJ, ce qui représente 2 x 460 = 920 kJ pour une mole d'eau.

D’où la rupture des liaisons O-H des molécules d'eau pour une mole d'eau nécessite l'apport de 920 kJ (côté gauche de l’équation).

Cependant la recomposition des atomes d'hydrogène H en H2 (hydrogène gazeux) va produire un apport d'énergie :

H-H → H₂

Cette recomposition apporte 432 kJ.

De même pour la recomposition des atomes d'oxygène :

½ O-O → ½ O₂

Cette réaction va libérer ½ x 494 kj soit 247 kJ.

Solde de l'opération :

920 – 432 – 247 = 241 kJ

Ainsi la fabrication de 2 grammes d'hydrogène par craquage d'une mole d'eau (sans tenir compte des pertes) nécessite l'apport de 241 kJ, soit 120 500 kJ pour fabriquer 1 kg d’hydrogène ou encore 33,5 kWh/kg d'hydrogène.
Cette valeur ne tient pas compte de l'énergie supplémentaire, nécessaire pour amener l'eau à la température de craquage, dont une partie est forcément gaspillée.

Mise en œuvre

Le craquage de l'eau est déjà effectué à échelle industrielle par électrolyse alcaline à 90 °C. Il n'est pas encore compétitif par rapport à l'hydrogène issu du réformage du méthane, sauf pour des applications nécessitant un hydrogène très pur. Cette situation est susceptible d'évoluer rapidement si une taxe sur les émissions de gaz à effet de serre (Taxe carbone...) s'appliquait au réformage du méthane.

La production de l'énergie nécessaire au craquage, afin d'être une véritable avancée sur le plan écologique, devra se faire par une source d'énergie primaire propre et ne rejetant pas de gaz à effet de serre.

Le four solaire d'Odeillo a servi à étudier le craquage de l'eau ^[1], et un réacteur solaire expérimental de 100kW(th) (seconde phase du projet "Hydrosol" d'Oxydoréduction solaire par céramique ferrite) a été mis en service sur la plate-forme de recherche solaire d'Almeria (Espagne) le 31 mars 2008, après 4 ans de recherches menées avec le Centre de recherche aérospatiale allemand (DLR) et l'énergéticien espagnol CIEMAT. De l'eau est craquée dans un monolithe de céramique de ferrite réfractaire (le réacteur) exposé au rayonnements solaires concentrés de manière à ce qu'il atteigne 1100 °C. L'eau est vaporisée dans sa structure multicanaux et en nid d'abeilles à paroi mince dopée par des nanoparticules actives qui, en s'oxydant, piègent l'oxygène et laissent partir l'hydrogène. Ensuite, la température augmentant chasse l'oxygène du nanomatériau et un nouveau cycle peut démarrer. Grace aux catalyseurs, l'expérience fonctionne à "seulement" 800 à 1200 °C ^[2],[3],[4]

La filière nucléaire et la filière éolienne semblent à ce jour offrir les pistes les plus prometteuses. En effet, les réacteurs nucléaires de nouvelle génération, encore sur la planche à dessin, pourraient permettre un double usage de la fission à des fins de production électrique classique et d'hydrogène. Les réacteurs nucléaires du type HTR (High Temperature Reactor | Réacteur à Haute Température) ou HTGR (Hight Temperature Gaz Cooled Reactor | Réacteur Haute Température refroidi au Gaz) permettraient d'envisager d'autres alternatives que l'électrolyse alcaline, s'ils sont produits. L'intermittence de l'éolien n'est pas un problème dans le cas de production d'hydrogène, car celui-ci est facilement stockable. La filière éolienne est de fait très intéressante, couplée aux électrolyseurs alcalins. De plus des systèmes hybrides, éolien + solaire sont étudiés, en Algérie par exemple^[5]

Risques

« Craquer l'eau » consiste à produire deux gaz (hydrogène et oxygène) pouvant réagir entre eux de manière hautement explosive. La réaction doit se faire dans des conditions de sécurité adaptées au risque.

Prospective

On cherche à produire de très petites piles à hydrogène pour alimenter la microélectronique, et divers micro-machines, micro ou nanocapteurs, etc. Le craquage de l'eau pourrait être une source intéressante d'hydrogène, qui motive des recherches visant à produire plus facilement de l'hydrogène, par exemple par craquage de l'eau.
Une des pistes est le craquage photocatalytique, qui nécessite encore un co-catalyseur et parfois de réactifs.
Des systèmes utilisant le rayonnement UV sont connus, qu'on essaye d'étendre à la lumière visible (présente en plus grande quantité)^[6],[7],[8].

Procédé catalysé

• En 2010, au Japon, le RIKEN a annoncé^[9] travailler sur une nouvelle méthode de décomposition de la molécule d'eau (H2O), permettant de sélectionner les produits de la réaction (OH- et H+ ou O et H2). Le procédé utilise un catalyseur qui est un monocristal d'argent plaqué d'une couche infrananométrique (1 atome d'épaisseur) d'oxyde de magnésium (MgO, normalement isolant mais devenant conducteur en couche mono-atomique ; il qui s'est ici montré plus efficace que le platine).
  Ce catalyseur MgO est produit par vaporisation de magnésium dans un environnement oxygéné. Quand il est fortement refroidi (à -268,45 °C, soit 4,7 °K), l'eau se craque à son contact si on la bombarde d'électrons (via un microscope à effet tunnel). Quand ces électrons ont une énergie dépassant 1,5 eV, la molécule d'eau peut être électriquement excitée par les électrons et alors spontanément perdre ses deux atomes d'hydrogène. Sinon, le bombardement électronique fait vibrer la molécule d'eau. Cette vibration étant plus longue que l'intervalle de temps séparant l'arrivée d'un électron du suivant. Chaque électron vient renforcer l'état de vibration provoquée par le précédent, ce qui augmente la vibration jusqu'à rupture d'une liaison oxygène-hydrogène : la molécule d'eau perd un seul atome d'hydrogène. La prochaine étape annoncée est l'étude de l'importance de l'épaisseur du catalyseur.
• Des expériences portent sur le craquage dit « photocatalytique » de l'eau (Photocatalytic water splitting), qui nécessite en fait l'usage d'un autre catalyseur (cocatalyseur) et parfois de réactifs. Des systèmes utilisant l'UV sont connus, qu'on essaye d'étendre à la lumière visible (présente en plus grande quantité)^[6],[7],[8].

Voir aussi

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• « Craquage de l'eau », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)

Articles connexes

• électrolyse
• Molécule d'eau
• Forum International Génération IV
• Électrolyse à haute température

Liens externes

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Bibliographie

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Notes

1. ↑ Sur la piste de l'hydrogène, dans le Journal du CNRS, n° 160; Avril-mai 2003
2. ↑ A.G. Konstandopoulos et C. Agrofiotis ; Hydrosol : Advanced monolithic reactors for hydrogen generation from solar water splitting (Oxydoréduction solaire par céramique ferrite) ; Revue des Energies Renouvelables Vol. 9, N°3 (2006) 121 – 126
3. ↑ C. Agrafiotis, M. Roeb, A.G. Konstandopoulos, L. Nalbandian, V.T. Zaspalis, C. Sattler, P. Stobbe and A.M. Steele, Solar Water Splitting for Hydrogen Production with Catalytic Monolithic Reactors, Solar Energy, Vol. 79, N°4, pp. 409 - 421, 2005.
4. ↑ M. Roeb, C. Sattler, R. Klüser, N. Monnerie, L de Oliveira, A.G. Konstandopoulos, C. Agrafiotis, V.T. Zaspalis, L. Nalbandian, P. Stobbe and A.M. Steele, Solar Hydrogen Production by a Two-Step Cycle Based on Mixed Iron Oxides, Journal of Solar Energy Engineering - Transactions of the ASME, Vol. 128, pp. 125 - 133, 2006
5. ↑ S. Diaf, M. Haddadi et M. Belhamel ; Analyse technico économique d’un système hybride (photovoltaïque/éolien) autonome pour le site d’Adrar Résumé de l'article, en français, revue des énergies renouvelables, ; CDER, 2006, Volume 9 N°3 - consultée 2011/02/06
6. ↑ ^{a et b} A. Kudo, Y. Miseki, “Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting” Chem. Soc. Rev., 38, 253-278 (2009). Web link.
7. ↑ ^{a et b} K. Maeda, K. Teramura, K. Domen, “Effect of post-calcination on photocatalytic activity of (Ga1-xZnx)(N1-xOx) solid solution for overall water splitting under visible light” J. Catal., 254, 198 (2008).
8. ↑ ^{a et b} W. Erbs, J. Desilvestro, E. Borgarello, M. Grätzel, Development of a High-performance Photocatalyst that is Surface-treated with Cesium - A step toward the realization of a new hydrogen production system using solar light J. Phys. Chem., 1984, 88, 4001-4006.
9. ↑ Source : ADIT, BE Japon n°536, brève n°63121 du 2010/04/23