Ein Methanhydrat (oder Clathrat von Methan ) ist eine organische Mutterverbindung, die natürlicherweise im Meeresboden, in einigen kontinentalen Hängen und im Permafrost der Polarregionen vorhanden ist .
Die Bildung dieser Hydrate ist eine der planetarischen Kohlenstoffsenken , aber sie sind sehr instabil, wenn ihre Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
Methanhydrate sind eine potenzielle Quelle für fossile Brennstoffe , um Erdöl zu ersetzen ; sie sind bekanntermaßen in großen Mengen vor allem auf dem Meeresboden vorhanden , aber schwer auszubeuten. Sie bleiben eine direkte oder indirekte Quelle für Kohlendioxid , zwei starke Treibhausgase .
Umgangssprachlich als "brennendes Eis" oder "Methaneis" bezeichnet, ist diese eisige Verbindung brennbar, sobald sie in Gegenwart von Sauerstoff oder einem Oxidationsmittel schmilzt . Auf molekularer Ebene besteht ein Methanclathrat tatsächlich aus einem dünnen "Käfig" aus Eis, in dem Methan a priori eingeschlossen ist, das aus der Zersetzung relativ neuer organischer Stoffe (im Vergleich zu denen, die das Öl und Erdgas erzeugten) stammt. und durchgeführt von anaeroben und methanogenen Mikroorganismen .
Bei der Erdgasförderung können auch andere Hydrate gebildet werden ( Ethan und Propan ). Je mehr die Länge des Kohlenwasserstoffmoleküls ( Butan , Pentan , etc. ) zunimmt , desto weniger stabil sind die gebildeten Hydrate.
Hydrate von Erdgasen ( Natural Gas Hydrate oder englisch NGH) zeichnen sich durch einen niedrigeren Druck ( 25 Megapascal , 1/170 Kompression) und eine höhere Temperatur ( 0 °C ) des verflüssigten Erdgases ( Liquified Natural Gas , LNG) oder Natural Gas für Fahrzeuge ( Compressed Natural Gas , CNG, Compressed Natural Gas).
In Juli 1996, im Pazifik steigt das Forschungsschiff FS Sonne aus 785 m Tiefe 500 kg Methanhydrat auf.
Methanhydrat wird aus Wassermolekülen gebildet, die Käfige bilden, die Gasmoleküle wie Methan oder Schwefelwasserstoff (beide Gase, die im vom Schiff „Sonne“ beförderten Hydrat enthalten sind) einfangen. Diese Käfige können erhebliche Gasmengen speichern (zB 164 cm 3 Methan in 1 cm 3 Hydrat).
Konkret entspricht die Grundstruktur von Methanhydrat der Struktur von Typ I der Gasclathratstrukturen (in) : Diese Struktur (auch Struktur-Weaire Phelan genannt ) umfasst zwei kleine Käfige und sechs größere Käfige:
Da einige dieser Eckpunkte zwei oder mehr Käfigen gemeinsam sind, beträgt die Gesamtzahl der Wassermoleküle der Grundstruktur von Methanhydrat nur 46 Moleküle (statt 184).
Methanhydrate sind bei hohem Druck und niedriger Temperatur stabil (siehe Kurve „Stabilitätsbedingungen“; Größenordnung: 35 bar bei 0 °C ).
Methan als Hydrat ist jedoch bei Temperaturen und Drücken fest, die höher sind als die, die zur Verflüssigung desselben Gases erforderlich sind; so bildet reines Methan in reinem Wasser ab ca. 380 m in Süßwasser bei 4 °C ( maximale Wasserdichte ), ca. 440 m in Salzwasser bei 35 g/l Hydrate ; zum Vergleich: Methan verflüssigt sich bei −161,5 ° C ( 111,6 K ). Wassereis erfüllt für Methan die Funktion einer Art molekularer Schwamm, der Methan in fester Form stabilisiert. So bilden sich Methanhydrate wahrscheinlich unter Temperatur- und Druckbedingungen, die auf der Erde natürlich vorkommen, genauer gesagt im Untergrund der Landoberfläche kalter Regionen einerseits, unter dem Ozean andererseits.
Die Anwesenheit von Salz (Einfluss des Chloridionen - Cl - ) macht Hydratbildung ein wenig schwieriger.
Andere Gase der Methanfamilie (Propan, Butan usw.) neigen bei höheren Drücken dazu, mit Wasser Hydrate zu bilden.
Die Kinetik (Geschwindigkeit) des Verschwindens von Methanhydraten ist gering . Dies ist der Grund, warum wir Fotografien von Hydratblöcken unter offensichtlichen Laborbedingungen sehen.
Da die Dichte der Hydrate geringer ist als die des Wassers, gibt es im Inneren der Ozeane kein Hydrat, da der Druck an der Oberfläche zu gering ist, um sie zu stabilisieren. Sie sind daher immer unten befestigt.
Methanhydrat ist bei niedriger Temperatur und hohem Druck stabil. Auf den Kontinenten, wenn die Temperatur des Bodens ausreichend kalt ist, begünstigt der Druckanstieg in großen Tiefen die Stabilität des Hydrats. Dieser Effekt konkurriert mit dem geothermischen Gradienten; die mit der Tiefe steigende Temperatur verhindert die Bildung von Hydraten. Diese Hydrate sind daher über einen Bereich von Tiefen stabil. Auf Landoberflächen, in kalten Regionen, werden wahrscheinlich Hydratstabilitätsbedingungen unter der Oberfläche des Permafrosts angetroffen , zum Beispiel typischerweise zwischen 100 und 1600 m unter dem Permafrost.
Auf See nimmt der Druck mit der Tiefe zu, während die Temperatur in großen Tiefen im Wesentlichen konstant bleibt. Da jedoch die Dichte von Hydraten geringer ist als die von Wasser, können diese Hydrate nur unter dem Boden gespeichert werden. Auch unter dem Meeresboden begünstigt der geothermische Gradient die Bildung von Hydraten in große Tiefen und begrenzt die Ausdehnung der Hydratstabilitätszone, beispielsweise bis 800 m unter dem Meeresboden.
Es scheint, dass sich die meisten der entdeckten Hydrate an den Kontinentalrändern befinden. Die Knappheit an Hydraten unter dem Tiefseeboden scheint auf die Knappheit von Methanquellen an diesen Orten zurückzuführen zu sein, an denen sie stabil wären.
Als Ergebnis werden Methanhydrate in zwei sehr unterschiedlichen Umgebungen angetroffen.
Methan wird als Methanhydrat in Sedimenten der Tiefsee und an Kontinentalhängen in Tiefen von einigen hundert Metern gespeichert .
Methanhydrate werden auch im Permafrost in zirkumpolaren Regionen Eurasiens und Amerikas gefunden .
Seit den ersten Schätzungen in den 1970er Jahren wurde die Menge an Methanhydrat im ozeanischen Reservoir nach unten revidiert, bleibt aber beträchtlich. Nach einer neueren Schätzung würde diese Menge zwischen 1 und 5 × 10 15 m 3 Gas oder zwischen 0,5 und 2,5 × 10 12 Tonnen Kohlenstoff liegen. Die Menge an Methanhydraten im kontinentalen Reservoir ist weniger bekannt. Die relativ kleine Oberfläche (10 Millionen km 2 ), die von Permafrost eingenommen wird, lässt vermuten, dass sie geringer ist als im ozeanischen Reservoir . Laut Florent Dominé vom CNRS ist Permafrost der größte kontinentale Kohlenstoffspeicher der Erde: 1,7 × 10 12 Tonnen Kohlenstoff pflanzlichen Ursprungs haben sich dort seit der letzten Vereisung angesammelt; das ist doppelt so viel Kohlenstoff wie die Atmosphäre derzeit enthält.
Im Vergleich dazu bekannte Ölreserven im Jahr 2005 waren etwa 2 × 10 11 m 3 (Artikel siehe Ölreserve ).
Methanhydrate und allgemeiner Kohlenwasserstoffe sind die Ursache für viele Zwischenfälle in Gaspipelines, insbesondere unter Wasser. Da die Hydratstabilitätsbedingungen lokal erfüllt sind, verstopft die Rohrleitung unter der Einwirkung der Erstarrung des transportierten Fluids .
Die Reserven an Methanhydrat sind so groß, dass viele Ölkonzerne daran interessiert sind. Aber die Wiederherstellung dieser Verbindung ist schwierig und teuer, sogar gefährlich für das Planeten- Klima und die technischen Schwierigkeiten bei der Extraktion zur Zeit scheinen noch lange nicht gelöst.
Nach dem Atomunfall von Fukushima braucht Japan dringend neue Energiequellen. Die Regierung hat bereits ein Forschungsprogramm (2001-2008) zur Lokalisierung und Qualifizierung der potentiellen Unterwasserressourcen Japans auf den Weg gebracht, dann einen Siebenjahresplan ("Programm zur Nutzung der Meeresenergie und Meeresressourcen »), Voted inMärz 2009. Für 2012 und 2014 sind zwei Testextraktionen in der Nähe der Grube Nankai im Süden des Landes geplant, wo bedeutende Ressourcen entdeckt wurden. Der zweiwöchige In-situ- Test für stabilisierte Pflanzen beginnt inMärz 2013.
Methanhydrate wurden bereits bei Messoyakha abgebaut , einem kleinen flachen Gasfeld in Westsibirien, das sich gerade an der Grenze der Stabilität von Methanhydraten befindet. Dadurch war sein unterer Teil ein „normales“ Gasfeld (freies Gas in Sand), während der obere mit Hydraten gefüllt war. Die Nutzung von konventionellem Gas reduzierte den Druck und destabilisierte die Hydrate, aus denen dann das Methan genutzt werden konnte.
Die Hersteller müssen die Dekompressionsmethoden für Hydrate auf See testen, um sie vollständig zurückzugewinnen. Es ist eines der Projekte des japanischen JOGMEC.
Ein deutsches Projekt namens SUGAR (Akronym für Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), das im Sommer 2008 vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften in Kiel gestartet wurde , unter Aufsicht der Bundesministerien für Wirtschaft und Technologie (BMWi) und für Bildung und Forschung (BMBF) mit Unterstützung von 30 Wirtschafts- und Wissenschaftspartnern und einem Anfangsbudget von knapp 13 Mio Methan und speichern CO 2 an seiner Stelle am Ausgang von Wärmekraftwerken oder anderen Industrieanlagen erfasst.
Japanische und amerikanische Studien werden seit 2001 mit dem Ziel durchgeführt, nachzuweisen, dass die Abdichtung eines NGH-Versorgungssystems im Rahmen der Ausbeutung von Offshore-Erdgasfeldern und nicht bei der Ausbeutung von Hydratvorkommen selbst (da dies nicht möglich ist) möglich war noch in einem Versorgungsrahmen im industriellen Maßstab effektiv durchgeführt werden konnten ).
Die hierzu durchgeführten Machbarkeitsstudien haben daher gezeigt, dass sich der Einsatz von NGH-Versorgungssystemen auf Basis synthetischer Methanhydrat-Produktionstechniken im Rahmen einer rationellen Ausbeutung mittelgroßer Erdgasfelder rentiert Gasfelder beinhalten per Definition eine sehr bedeutende Investition in Gasverflüssigungstechnologien . Die Grundinvestition sowie die Kosten für den Bau und die Inbetriebnahme einer Verflüssigungsanlage machen die Erschließung kleiner und mittlerer Lagerstätten wirtschaftlich nicht rentabel.
Die Gewinnung von Methanhydraten ist nicht auf den Meeresboden beschränkt. Methanhydrate sind in der Tat eine gute Alternative für den Transport von Methan über relativ lange Distanzen. So würden dank Methanhydraten der gefährliche Transport von Flüssigerdgas oder der Bau von Gaspipelines reduziert .
Darüber hinaus könnte der Transport von Hydraten per Schiff weniger Energie kosten als der von Flüssigerdgas, da die Temperatur- und Druckbedingungen weniger schwierig zu halten wären als bei derzeitigen LNG- Tankern. Umgekehrt geht die Endmenge an frei transportiertem Gas im Verhältnis zum Gewicht der Ladung zu Lasten der Hydrate in Bezug auf die Transportkosten.
Bleibt die Entfernung unter 6000 km , wird das NGH-Liefersystem dann günstiger als das klassische LNG. Da Produktion und Regasifizierung bei NGH grundsätzlich schon günstiger sind und weniger Investitionen erfordern, zeigt das System hier seine Überlegenheit gegenüber dem konventionellen Kompressionssystem durch Verflüssigung von Erdgas.
Erdgashydrat (NGH) | Flüssigerdgas (LNG) | |
---|---|---|
Transport- und Lagermöglichkeiten | Fest | Flüssig |
Transporttemperatur | -20 ° C | -162 °C |
Dichte | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Inhalt von 1 m 3 Produkt | 170 m 3 CH 4 und 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CH 4 |
(dh 13,2 Masse-% Methan im festen Hydrat).
Um die Grßenordnungen zu festsetzen, verwendet , um eine Gasflasche zu Butan oder Propan genannt „13 zu verteilen kg “ (mit etwa 4,8 m 3 von Butan Gas bei Normaltemperatur und -druck) hat nur ein Volumen von 30 Litern.. Dieses Volumen würde (alle Angaben in diesem Absatz sind gerundet und kein Sicherheitszuschlag berücksichtigt) 14 kg Methan bei −161 ° C bei 1 bar [Dichte 0,465] (oder bei −100 ° C und 30 bar) transportieren. Dieselbe Flasche würde 27 kg Methanhydrat bei 35 bar und 0 ° C oder 3,6 kg reines Methan enthalten. Diese letztgenannten Zustände könnten karikiert als „Gasflasche in einem Kühlschrank“ beschrieben werden; das heißt unter Bedingungen, die industriell relativ einfach zu erreichen sind. Im letzteren Fall würde die Flasche neben 3,6 kg Methan etwa 23 kg Wasser enthalten, um mit dem Gas ein Hydrat zu bilden. Dieser Absatz soll keine reale industrielle Anwendung zeigen, sondern Größenordnungen veranschaulichen.
Forschung ist in Entwicklung für:
Die Ausbeutung von Methanhydraten könnte im Hinblick auf den Treibhauseffekt ernsthafte Probleme aufwerfen. Einerseits emittiert ihre Verbrennung CO 2wie Erdgas (aber weniger als Kohle und Öl bei gleicher Energiemenge). Andererseits besteht die Gefahr, dass durch die Förderung instabiler Unterwasserhydrate ungewollt große Mengen Methan in die Atmosphäre zurückgeführt werden: Dies wäre gleichbedeutend mit der Förderung von Erdgas durch enorme Leckagen. Goldmethan (CH 4) hat eine viel höhere Störleistung als CO 2als Treibhausgas. Sein globales Erwärmungspotential, im Maßstab eines Jahrhunderts von seiner Diffusion in der Atmosphäre gemessen wird , ist in der Tat zwischen 22 und 23 Mal der von Kohlendioxid, unter Berücksichtigung der durchschnittliche Lebensdauer der Moleküle. Von CH 4nur ein Dutzend Jahre vor ihrer Zersetzung in CO 2durch UV- , Verbrennungs- oder Oxidationsphänomene und verschiedene chemische Reaktionen.
Wissenschaftler befürchten, dass die globale Erwärmung durch eine ausreichende Erwärmung des Permafrostbodens die dort vorhandenen Clathrate zumindest teilweise schmelzen lässt: Dies hätte zur Folge, dass enorme Mengen Methan in die Atmosphäre freigesetzt würden, die zur Besinnung kommen würden den Treibhauseffekt verstärken , was zu einem Runaway-Effekt führt. Florent Dominé vom CNRS ruft einen Temperaturanstieg von 5 bis 8 ° C bis 2100 hervor.
Im Jahr 2014 zeigten Forscher, dass eine im Atlantik vor Spitzbergen beobachtete Entgasung von Methanhydraten natürlichen Ursprungs ist und vor mindestens 3.000 Jahren begann. Die Autoren, die zunächst befürchteten, dass das Phänomen auf die globale Erwärmung zurückzuführen ist, halten einen solchen Mechanismus jedoch für möglich, da sich langfristig auch die Tiefsee aufheizen wird; der Meeresboden enthält jedoch sehr große Mengen an Methanhydraten, die bei Entgasung die Erwärmung beschleunigen.
Laut David Archer (in) im Jahr 2007 verursachen Methanhydrate bereits heute als Reaktion auf die anthropogene globale Erwärmung, beispielsweise an der Grenze zwischen Sibirien und dem Arktischen Ozean, eine Entgasung, aber die meisten Methanhydrate liegen tief im Boden oder in ozeanischen Sedimente, so dass die zu berücksichtigende Zeitskala, damit die aktuelle globale Erwärmung nicht deren mögliche Entgasung auslöst, in Tausenden von Jahren gezählt wird. Daher glaubt der Autor, dass die Auswirkungen der Entgasung im nächsten Jahrhundert „erheblich, aber nicht katastrophal“ sein könnten .
Im Jahr 2017 kam eine Literaturrecherche des United States Institute for Geological Studies zu dem Schluss, dass es unwahrscheinlich ist, dass der Abbau von Methanhydraten zu massiven Methanemissionen führt, vergleichbar mit Treibhausgasemissionen anthropogenen Ursprungs, da der größte Teil des Gases nicht in die Atmosphäre gelangt und bleibt in Meeressedimenten gefangen, umgewandelt in CO 2durch Mikroben oder im Ozean gelöst. Eine in Science veröffentlichte Studie macht Fortschritte inJanuar 2018bestätigt diese Theorie: Sie zeigt, dass nur etwa 10 % des am Meeresboden der Beaufortsee emittierten Methans an die Oberfläche gelangen.
Gavin Schmidt vom Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) hält das mit dem Ausgasen von Methanhydraten verbundene Risiko für „gering“, während Professor Tim Lenton von der University of Exeter und Spezialist für Klima-Kipppunkte glaubt, dass der Permafrost-Tauprozess dauern wird Tausende, wenn nicht Zehntausende von Jahren. Peter Wadhams , Professor an der University of Cambridge und Autor eines Artikels zu diesem Thema in der Fachzeitschrift Nature aus dem Jahr 2013, der von einem vollständigen Abschmelzen des arktischen Meereises im Sommer bereits 2015 ausgeht (ein Szenario, das letztlich nicht eingetreten ist) ) durchgeführt), schätzt im Gegenteil, dass die Entgasung nur etwa fünfzig Jahre oder noch weniger dauern könnte.
Laut einer Studie, die 2016 in der Zeitschrift Palaeoworld (en) veröffentlicht wurde, wäre ein massives Auftauen ozeanischer Methanhydrate die Hauptursache für die globale Erwärmung, die zum Aussterben von Perm-Trias führte, bei dem 95 % der Meeresarten und 70 % der kontinentalen Arten vor 250 Millionen Jahren. Die Autoren der Studie stellen den Zusammenhang mit der aktuellen globalen Erwärmung her. Andere Wissenschaftler, Peter Wadhams und Tim Palmer , finden jedoch, dass diese Studie übermäßig katastrophal ist. Darüber hinaus zeigten Forscher des MIT und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Nanjing im Jahr 2014, dass die massive Emission von Methan auf Mikroben und nicht auf ein Auftauen von Methanhydraten zurückzuführen sein könnte.
Erstmals ist es einem Land gelungen, aus diesen Hydraten Methan zu gewinnen, ohne sie vom Meeresboden zu entfernen: Japan.
Vor allem und vor allem durch die wirtschaftliche und technologische Expansion Japans und die Abschaltung seiner Atomkraftwerke wird der Energiebedarf hierzulande immer wichtiger. Japan suchte seit Jahren nach einer Möglichkeit, Methan zu gewinnen , eine vielversprechende Quelle für die wirtschaftliche Erneuerung, da sie die Importe begrenzen würde. Die Japan Importe 95% seiner Energie würde Methanhydrat erlaubt es deutlich , dass die Zahl zu reduzieren. das12. März 2013, begannen sie schließlich mit Tests, um ihre Entdeckung visuell zu demonstrieren.
Da in kontinentalen Hängen Methanhydrate vorkommen , ist Japan daher sehr gut mit diesem Produkt versorgt, da es vom Pazifischen Ozean umgeben ist ; Damit wäre der Energiebedarf gedeckt.
Dieses Methanhydrat könnte zur Stromerzeugung, aber vor allem zur Versorgung mit Gas verwendet werden, das derzeit hauptsächlich importiert werden muss.
Weitere Probleme ergeben sich aus dem Atomkraftwerk Fukushima Daiichi, das seit seiner Explosion geschlossen ist. Der Kern bemerkenswerte Quelle für elektrische Energie weniger von Japan verwendet , um Elektrizität zu erzeugen, braucht es eine Alternative: das Methan . Die wichtigsten Methanreserven sind Methanhydrate, die kostengünstig transportiert werden können.
80 km vor der Küste der Halbinsel Atsumi in den Gewässern der Präfektur Aichi, südlich der Insel Honshû, ist das in 1.000 Metern Meerestiefe durchgeführte Experiment der erste Erfolg.
Dieses Experiment besteht darin, einen Druckabfall zu bewirken, damit das eingeschlossene Gas mit dem Wasser aus dem Eis entweicht, das das mit Sediment vermischte Methan in kleinen Mengen umgibt.
Japan, das diese fast unerschöpfliche Energiequelle so schnell wie möglich erschließen will, will zwischen 2014 und 2015 weitere Tests durchführen.
Methan aus Gasbohrungen oder Methanisierung ist seit der ersten industriellen Revolution weit verbreitet. Methan aus natürlichen Hydraten könnte theoretisch durch Druckentlastung des Sediments und / oder durch dessen Erhitzen (in situ oder in beiden Fällen durch Anheben an die Oberfläche) zurückgewonnen werden. aber ...