Craquage de l'eau

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Schéma de la réaction chimique de l'électrolyse de l'eau, une forme de craquage de l'eau.

Le craquage de l'eau est un processus aboutissant à la dissociation de l'hydrogène et de l'oxygène de l'eau, atomes composant la molécule d'eau H2O, par chermolyse, électrolyse ou radiolyse. La réaction thermochimique commence à haute température (entre 850 à 900 °C[1]) pour devenir complète vers 2 500 °C[réf. nécessaire].

Bilan énergétique

Le bilan de la décomposition d'une molécule d'eau :

H2O → H2 + 1⁄2 O2

s'établit comme suit, pour une mole d'eau :

  • comme la molécule d'eau H2O est constituée de deux liaisons O-H dont chacune a une énergie molaire de 460 kJ, leur rupture absorbe 2 × 460 = 920 kJ ;
  • la recomposition des molécules de dihydrogène gazeux produit un apport d'énergie : 2 H → H2 + 432 kJ ;
  • la recomposition d'une molécule de dioxygène : 2 O → O2 + 494 kJ, soit 247 kJ par molécule d'eau initiale.

Le bilan global est donc une absorption de :

920 – 432 – 247 = 241 kJ.

Ainsi la production de deux 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[a].

Mise en œuvre

Le craquage de l'eau est déjà effectué à échelle industrielle par électrolyse alcaline à 90 °C mais n'est pas encore compétitif par rapport à l'hydrogène issu du reformage catalytique du méthane, sauf pour des applications nécessitant un hydrogène très pur. La production de l'énergie nécessaire au craquage, afin d'être une véritable avancée sur le plan écologique, devra utiliser une source d'énergie primaire aussi propre que possible.

Four solaire

Le four solaire d'Odeillo a servi à étudier le craquage de l'eau[2]. Sur la plate-forme de recherche solaire d'Almería (Espagne), un réacteur solaire expérimental de 100 kW(th) (seconde phase du projet "Hydrosol" d'oxydoréduction solaire par céramique ferrite) a été mis en service le après quatre ans de recherches menées avec le Centre de recherche aérospatiale allemand (DLR) et l'énergéticien espagnol CIEMAT. De l'eau y est craquée dans un monolithe en céramique de ferrite réfractaire (le réacteur), exposé au rayonnement solaire concentré de manière que l'eau atteigne 1 100 °C. L'eau est vaporisée dans une structure multicanaux en nid d'abeilles à parois minces, dopée par des nanoparticules actives qui, en s'oxydant, piègent l'oxygène et laissent passer l'hydrogène. Ensuite, l'augmentation de la température chasse l'oxygène du nanomatériau et un nouveau cycle peut démarrer. Grâce aux catalyseurs, l'expérience fonctionne à "seulement" 800 à 1 200 °C[3],[4],[5].

Filière nucléaire

La filière nucléaire semble 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 nucléaire : à des fins de production électrique classique et d'hydrogène. Les réacteurs nucléaires du type HTR (High Temperature Reactor soit Réacteur à Haute Température) ou HTGR (High Temperature Gaz Cooled Reactor soit Réacteur Haute Température refroidi au Gaz) permettraient d'envisager d'autres alternatives que l'électrolyse alcaline, s'ils sont construits.

Prospective

Avec l'électrolyse, le craquage thermique de l'eau est une des pistes envisagées pour produire de l'hydrogène à destination des piles à combustible, notamment pour les applications mobiles (voiture, téléphone portable, PC portable, etc.)

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 qui motive des recherches visant à produire plus facilement de l'hydrogène. Les autres pistes sont :

  • le craquage photocatalytique de l'eau (Photocatalytic water splitting), qui nécessite encore un co-catalyseur et parfois des réactifs. En 2010, au Japon, le RIKEN a annoncé[6] 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 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 (par exemple 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'influence de l'épaisseur du catalyseur.
  • les systèmes utilisant le rayonnement UV sont connus, mais on essaye de les étendre à la lumière visible (présente en plus grande quantité)[7],[8],[9].

Risques

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

Notes et références

Notes

  1. ↑ Cette valeur ne tient pas compte de l'énergie supplémentaire nécessaire pour amener l'eau à la température de craquage, dont une partie est nécessairement perdue.

Références

  1. ↑ Craquage de l'eau, sur encyclo-ecolo.com (consulté le 4 septembre 2017).
  2. ↑ Sur la piste de l'hydrogène, dans le Journal du CNRS, no 160, avril-mai 2003
  3. ↑ [PDF]+(en) A.G. Konstandopoulos et C. Agrofiotis ; Hydrosol : Advanced monolithic reactors for hydrogen generation from solar water splitting (Oxydoréduction solaire par céramique ferrite) ; Revue des Énergies Renouvelables Vol. 9, N°3 (2006)p. 121 – 126
  4. ↑ (en) 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, p. 409 - 421, 2005.
  5. ↑ (en) 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, p. 125 - 133, 2006
  6. ↑ ADIT, BE Japon no 536, brève no 63121 du 23 avril 2010
  7. ↑ A. Kudo, Y. Miseki, “Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting” Chem. Soc. Rev., 38, 253-278 (2009). Web link.
  8. ↑ 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).
  9. ↑ (en) A step toward the realization of a new hydrogen production system using solar light J. Phys. Chem., 1984, 88, 4001-4006.

Voir aussi

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