Hydrat metan (lub klatratu z metanu ) jest macierzysty związek organiczny występuje naturalnie w dnie, niektóre stokach kontynentalnych oraz w zmarzliny z obszarów polarnych .
Powstawanie tych hydratów jest jednym z planetarnych pochłaniaczy dwutlenku węgla , ale są one bardzo niestabilne, gdy ich temperatura przekracza pewien próg.
Hydraty metanu są potencjalnym źródłem paliw kopalnych, które mogą zastąpić ropę naftową ; wiadomo, że są one obecne w dużych ilościach, zwłaszcza na dnie morskim , ale są trudne do wykorzystania. Pozostają bezpośrednim lub pośrednim źródłem dwutlenku węgla , dwóch potężnych gazów cieplarnianych .
Potocznie określany jako „płonący lód” lub „lód metanowy”, ten lodowaty związek jest palny, gdy tylko topi się w obecności tlenu lub utleniacza . Na poziomie molekularnym klatrat metanu w rzeczywistości składa się z cienkiej „klatki” lodu, w której a priori uwięziony jest metan, wynikający z rozkładu stosunkowo niedawnej materii organicznej (w porównaniu z tą, która wytworzyła ropę. i gaz ziemny) i prowadzone przez mikroorganizmy beztlenowe i metanogenne .
Podczas produkcji gazu ziemnego mogą powstawać inne hydraty ( etan i propan ). Im bardziej zwiększa się długość cząsteczek węglowodorów ( butanu , pentanu , itd. ), Są mniej stabilne wodziany tworzą się.
Hydraty gazu ziemnego ( hydrat gazu ziemnego lub NGH angielski) charakteryzują się niższym ciśnieniem ( 25 megapaskali , kompresja 1/170) i wyższą temperaturą ( 0 ° C ) skroplonego gazu ziemnego ( skroplony gaz ziemny , LNG ) lub gazu ziemnego do pojazdów ( sprężony gaz ziemny , CNG, sprężony gaz ziemny).
w Lipiec 1996, na Oceanie Spokojnym , statek badawczy RV Sonne wypływa z głębokości 785 m , 500 kg hydratu metanu.
Hydrat metanu składa się z cząsteczek wody tworzących klatki, które zatrzymują cząsteczki gazów, takich jak metan lub siarkowodór (oba gazy obecne w hydracie unoszonym przez statek Sonne). Klatki można przechowywać znacznych ilości gazu (na przykład 164 cm 3 metanu w 1 cm 3 hydratu).
W szczególności, struktura podstawowa metanu hydratu, odpowiada strukturze typu I o konstrukcji klatratu gaz (w) : struktura ta (zwany również od struktury Weaire Phelan ) składa się z dwóch małych klatkach i sześć Klatki większy rozmiar:
Ponieważ niektóre z tych wierzchołków są wspólne dla dwóch lub więcej klatek, całkowita liczba cząsteczek wody w podstawowej strukturze hydratu metanu wynosi tylko 46 cząsteczek (zamiast 184).
Hydraty metanu są stabilne przy wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze (patrz krzywa „warunki stabilności”; rząd wielkości: 35 barów przy 0 ° C ).
Jednak metan jako hydrat jest stały w temperaturach i ciśnieniach wyższych niż wymagane do skroplenia tego samego gazu; tak więc czysty metan w czystej wodzie tworzy hydraty od około 380 mw wodzie słodkiej o temperaturze 4 °C ( maksymalna gęstość wody ), około 440 mw wodzie słonej przy 35 g/l ; dla porównania metan skrapla się w temperaturze -161,5 ° C ( 111,6 K ). Lód wodny pełni funkcję swoistej gąbki molekularnej dla metanu, która stabilizuje metan w postaci stałej. Tak więc hydraty metanu mogą powstawać w warunkach temperatury i ciśnienia naturalnie występujących na Ziemi, a dokładniej w podglebiu powierzchni lądowej zimnych regionów z jednej strony, pod oceanem z drugiej.
Obecność soli (wpływ jonu chlorkowego Cl - ) utrudnia nieco tworzenie hydratów.
Inne gazy z rodziny metanu (propan, butan itp.) są podatne na tworzenie hydratów z wodą pod wyższym ciśnieniem.
Kinetyka (szybkość) zaniku hydratów metanu jest niska . To jest powód, dla którego widzimy zdjęcia bloków hydratów w oczywiście laboratoryjnych warunkach.
Gęstość hydratów jest mniejsza niż wody, nie ma hydratów we wnętrzu oceanów, ciśnienie na powierzchni jest zbyt niskie, aby je ustabilizować. Dlatego są zawsze mocowane na dole.
Hydrat metanu jest stabilny w niskiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Na kontynentach, jeśli temperatura gruntu jest wystarczająco niska, wzrost ciśnienia na dużych głębokościach sprzyja stabilności hydratu. Efekt ten konkuruje z gradientem geotermalnym; wzrost temperatury wraz z głębokością zapobiega tworzeniu się hydratów. Te hydraty są zatem stabilne na różnych głębokościach. Na powierzchniach lądu, w zimnych regionach, warunki stabilności hydratów prawdopodobnie występują poniżej powierzchni wiecznej zmarzliny , na przykład typowo między 100 a 1600 m poniżej wiecznej zmarzliny.
Na morzu ciśnienie wzrasta wraz z głębokością, a temperatura na dużych głębokościach pozostaje zasadniczo stała. Jednakże, ponieważ gęstość hydratów jest mniejsza niż wody, hydraty te mogą być przechowywane tylko pod dnem. Również pod dnem morskim gradient geotermalny sprzyja tworzeniu się hydratów na dużych głębokościach i ogranicza rozszerzenie strefy stabilności hydratów, na przykład do 800 m poniżej dna morskiego.
Wydaje się, że większość odkrytych hydratów znajduje się na obrzeżach kontynentów. Niedobór hydratów pod głębokim dnem morskim wydaje się wynikać z niedostatku źródeł metanu w tych miejscach, w których byłyby stabilne.
W rezultacie hydraty metanu występują w dwóch bardzo różnych środowiskach.
Metan jest magazynowany w postaci hydratów metanu w głębokich osadach oceanicznych i na zboczach kontynentalnych na głębokości kilkuset metrów.
Hydraty metanu znajdują się również w wiecznej zmarzlinie w okołobiegunowych regionach Eurazji i Ameryki .
Od pierwszych szacunków z lat 70. ilość hydratu metanu w zbiorniku oceanicznym została obniżona, ale pozostaje znaczna. Według ostatnich szacunków ilość ta wynosiłaby od 1 do 5 × 10 15 m 3 gazu lub od 0,5 do 2,5 × 10 12 ton węgla. Mniej znana jest ilość hydratów metanu w zbiorniku kontynentalnym. Stosunkowo niewielka powierzchnia (10 mln km 2 ) zajmowana przez wieczną zmarzlinę sugeruje, że jest ona mniejsza niż w zbiorniku oceanicznym . Według Florenta Dominé z CNRS wieczna zmarzlina jest największym kontynentalnym zbiornikiem węgla na świecie: od ostatniego zlodowacenia zgromadziło się tam 1,7 × 10 12 ton węgla pochodzenia roślinnego; to dwa razy więcej węgla niż obecnie zawiera atmosfera.
Dla porównania znane rezerwy ropy w 2005 roku wynosiły około 2 × 10 11 m 3 (patrz artykuł Zasoby ropy ).
Hydraty metanu, a bardziej ogólnie węglowodory, są przyczyną wielu incydentów w gazociągach, zwłaszcza pod wodą. Gdy warunki stabilności hydratu są lokalnie spełnione, rurociąg ulega zatkaniu pod wpływem krzepnięcia transportowanego płynu .
Zasoby hydratu metanu są tak duże, że interesuje się nim wiele firm naftowych. Jednak odzyskanie tego związku jest trudne i kosztowne, a nawet niebezpieczne dla klimatu planety, a trudności techniczne w jego wydobyciu wydają się obecnie dalekie od rozwiązania.
Po awarii jądrowej w Fukushimie Japonia pilnie potrzebuje nowych źródeł energii. Rząd uruchomił już program badawczy (2001-2008) mający na celu zlokalizowanie i zakwalifikowanie potencjalnych zasobów okrętów podwodnych Japonii, a następnie plan siedmioletni („program eksploatacji energii morskiej i zasobów morskich »).Marzec 2009. Na lata 2012 i 2014 zaplanowano dwie próbne wydobycie w pobliżu kopalni Nankai na południu kraju, gdzie wykryto znaczne zasoby. Dwutygodniowy test in situ ustabilizowanej uprawy rozpoczyna się wMarzec 2013.
Hydraty metanu były już eksploatowane w Messoyakha , małym płytkim złożu gazu w zachodniej Syberii, położonym tuż przy granicy stabilności hydratów metanu. W rezultacie jego dolna część była „normalnym” polem gazowym (wolny gaz w piasku), podczas gdy górna była wypełniona hydratami. Eksploatacja gazu konwencjonalnego obniżyła ciśnienie i zdestabilizowała hydraty, z których następnie można było wykorzystać metan.
Producenci muszą testować metody dekompresji hydratów na morzu, aby w pełni je odzyskać. Jest to jeden z projektów japońskiego JOGMEC.
Niemiecki projekt o nazwie SUGAR (akronim od Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), uruchomiony latem 2008 r. przez Leibniz Institute for Marine Sciences w Kilonii , pod nadzorem federalnych ministerstw gospodarki i technologii (BMWi) oraz edukacji i badań (BMBF) przy wsparciu 30 partnerów gospodarczych i naukowych oraz początkowym budżecie prawie 13 mln euro, ma na celu wydobycie metan i magazynowanie CO 2 w jego miejscu wychwycone na wylocie z elektrociepłowni lub innych instalacji przemysłowych.
Badania japońskie i amerykańskie prowadzone są od 2001 roku w celu wykazania, że hydroizolacja systemu zasilania NGH była możliwa w ramach eksploatacji podmorskich złóż gazu ziemnego, a nie w ramach eksploatacji samych złóż hydratów (ponieważ nie udało się jednak przeprowadzić skutecznie w ramach dostaw na skalę przemysłową ).
Przeprowadzone w tym celu studia wykonalności wykazały zatem, że wykorzystanie systemów zasilania NGH opartych na technikach produkcji syntetycznego hydratu metanu było opłacalne w ramach racjonalnej eksploatacji średnich złóż gazu ziemnego, a mniej ważne: eksploatacja złóż gazu ziemnego pola gazowe z definicji obejmują bardzo znaczącą inwestycję w technologie skraplania gazu. Podstawowa inwestycja oraz koszt budowy i uruchomienia agregatu skraplającego sprawiają, że eksploatacja małych i średnich złóż nie jest ekonomicznie opłacalna.
Eksploatacja hydratów metanu nie ogranicza się do dna morskiego. Rzeczywiście, hydraty metanu są dobrą alternatywą dla transportu metanu na stosunkowo duże odległości. Tym samym, dzięki hydratom metanu, zmniejszono by niebezpieczny transport skroplonego gazu ziemnego czy budowę gazociągów .
Ponadto transport hydratów łodzią może być mniej kosztowny energetycznie niż skroplonego gazu ziemnego, ponieważ warunki temperatury i ciśnienia byłyby mniej trudne do utrzymania niż w przypadku obecnych zbiornikowców LNG . I odwrotnie , ostateczna ilość transportowanego darmowego gazu w stosunku do wagi ładunku jest ze szkodą dla hydratów pod względem kosztów transportu.
Jeśli odległość pozostaje mniejsza niż 6000 km , system dostarczania NGH staje się wtedy tańszy niż klasyczny LNG. Ponieważ produkcja i regazyfikacja są już w zasadzie tańsze w przypadku NGH i wymagają mniejszych nakładów inwestycyjnych, system tutaj zaznacza swoją wyższość nad konwencjonalnym systemem sprężania polegającym na skraplaniu gazu ziemnego.
Hydrat gazu ziemnego (NGH) | Skroplony gaz ziemny (LNG) | |
---|---|---|
Sposoby transportu i przechowywania | Solidny | Ciekły |
Temperatura transportu | -20 ° C | -162 ° C |
Gęstość | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Zawartość 1 m 3 produktu | 170 m 3 CH 4 i 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CO 4 |
(tj. 13,2% mas. metanu w stałym hydracie).
Aby rozwiązać te rzędy wielkości, cylinder gazowy wykorzystywany do dystrybucji butan lub propan nazywany „13 kg ” (zawierający około 4,8 m 3 o butan gazu w normalnej temperaturze i ciśnieniu) ma tylko objętości 30 litrów.. Ta objętość przetransportowałaby (wszystkie dane w tym akapicie są zaokrąglone, bez uwzględnienia marginesu bezpieczeństwa) 14 kg metanu w temperaturze -161 °C przy 1 bar [gęstość 0,465] (lub przy -100 °C i 30 barach). Ta sama butelka zawierałaby 27 kg hydratu metanu pod ciśnieniem 35 barów i 0 °C lub 3,6 kg czystego metanu. Te ostatnie warunki można by opisać w karykaturalny sposób jako „butla gazowa w lodówce”; to znaczy w warunkach, które są stosunkowo łatwe do osiągnięcia na skalę przemysłową. W tym ostatnim przypadku butelka zawierałaby oprócz 3,6 kg metanu około 23 kg wody w celu utworzenia hydratu z gazem. Ten paragraf nie ma na celu pokazania rzeczywistego zastosowania przemysłowego, ale raczej wizualizację rzędów wielkości.
Trwają badania nad:
Eksploatacja hydratów metanu może stwarzać poważne problemy pod względem efektu cieplarnianego. Z jednej strony ich spalanie emituje CO 2w taki sam sposób jak gaz ziemny (ale mniej niż węgiel i ropa przy tej samej ilości wyprodukowanej energii). Z drugiej strony istnieje ryzyko, że eksploatując niestabilne hydraty okrętów podwodnych, duże ilości metanu zostaną nieumyślnie zwrócone do atmosfery: byłoby to równoznaczne z eksploatacją gazu ziemnego poprzez umożliwienie ogromnych wycieków. Złoty metan (CH 4) ma znacznie większą uciążliwość niż CO 2jako gaz cieplarniany. Jego potencjał globalnego ocieplenia, mierzona w skali od wieku od jego dyfuzji w atmosferze, w rzeczywistości od 22 do 23 razy większy od dwutlenku węgla, biorąc pod uwagę średnią żywotność cząsteczek. CH 4zaledwie kilkanaście lat przed ich rozkładem na CO 2przez UV , zjawiska spalania lub utleniania oraz różne reakcje chemiczne.
Naukowcy obawiają się, że globalne ocieplenie , odpowiednio podnosząc temperaturę wiecznej zmarzliny, pozwoli na przynajmniej częściowe stopienie obecnych tam klatratów: doprowadziłoby to do uwolnienia do atmosfery ogromnych ilości metanu, który opamiętał się. zwiększyć efekt cieplarniany , co skutkuje niekontrolowanym efektem. Florent Dominé z CNRS wywołuje wzrost temperatury o 5 do 8 ° C o 2100.
W 2014 roku naukowcy wykazali, że odgazowanie hydratów metanu obserwowane w Atlantyku u wybrzeży Svalbardu jest pochodzenia naturalnego i rozpoczęło się co najmniej 3000 lat temu. Autorzy, którzy początkowo obawiali się, że przyczyną tego zjawiska jest globalne ocieplenie, uważają jednak, że taki mechanizm jest możliwy, ponieważ w dłuższej perspektywie głębiny również się nagrzeją; jednak dno oceanu zawiera bardzo duże ilości hydratów metanu, które przyspieszą ocieplenie w przypadku odgazowania.
Według Davida Archera (in) w 2007 r. hydraty metanu już dziś powodują odgazowywanie w odpowiedzi na antropogeniczne globalne ocieplenie, na przykład na granicy Syberii i Oceanu Arktycznego, ale większość hydratów metanu jest zakopana głęboko pod ziemią lub w oceanach. osadów, tak aby skala czasowa, jaką należy wziąć pod uwagę, aby obecne globalne ocieplenie nie wywołało ich ewentualnego odgazowania, była liczona w tysiącach lat. Dlatego autor uważa, że efekt odgazowania na przestrzeni następnego stulecia może być „znaczny, ale nie katastrofalny” .
W 2017 r. przegląd literatury amerykańskiego Instytutu Badań Geologicznych stwierdził, że rozkład hydratów metanu prawdopodobnie nie spowoduje masowej emisji metanu, porównywalnej z emisją gazów cieplarnianych pochodzenia antropogenicznego, ponieważ większość gazu nie dociera do atmosfery i szczątki uwięzione w osadach morskich, przekształcone w CO 2przez drobnoustroje lub rozpuszczone w oceanie. Badanie opublikowane w Science rozwija się wstyczeń 2018potwierdza tę teorię: pokazuje, że tylko około 10% metanu emitowanego na poziomie dna oceanu Morza Beauforta dociera na powierzchnię.
Gavin Schmidt z Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) uważa ryzyko związane z odgazowywaniem hydratów metanu za „niskie”, podczas gdy profesor Tim Lenton z University of Exeter i specjalista w zakresie punktów krytycznych klimatu uważa, że proces rozmrażania wiecznej zmarzliny będzie wymagał tysiące, jeśli nie dziesiątki tysięcy lat. Peter Wadhams , profesor na Uniwersytecie w Cambridge i autor artykułu na ten temat w czasopiśmie Nature w 2013 roku, który opiera się na całkowitym stopieniu lodu morskiego Arktyki latem już w 2015 roku (scenariusz, który ostatecznie się nie spełnił). ), szacuje się, że odgazowanie może trwać tylko około pięćdziesiąt lat lub nawet mniej.
Według badań opublikowanych w czasopiśmie Palaeoworld (en) w 2016 roku, masowa odwilż oceanicznych hydratów metanu byłaby główną przyczyną globalnego ocieplenia, które doprowadziło do wyginięcia permu i triasu, w którym zniknęło 95% gatunków morskich i 70 % gatunków kontynentalnych, 250 milionów lat temu. Autorzy badania nawiązują do obecnego globalnego ocieplenia. Inni naukowcy, Peter Wadhams i Tim Palmer , stwierdzają jednak, że badanie to jest nadmiernie katastrofalne. Ponadto naukowcy z MIT i Chińskiej Akademii Nauk w Nanjing wykazali w 2014 r., że ogromna emisja metanu może być spowodowana drobnoustrojami, a nie rozmrażaniem hydratów metanu.
Po raz pierwszy krajowi udało się wydobyć metan z tych hydratów bez usuwania ich z dna morskiego: Japonii.
Przede wszystkim, a zwłaszcza ze względu na ekspansję gospodarczą i technologiczną Japonii oraz zamykanie jej elektrowni jądrowych, potrzeby energetyczne w tym kraju stają się coraz ważniejsze. Japonia od lat szukała sposobu na wydobycie metanu , obiecującego źródła odnowy gospodarczej, ponieważ ograniczyłby import. W Japonia importuje 95% swojej energii , hydrat metanu Pozwoliłoby to na znaczne zmniejszenie tej liczby. ten12 marca 2013 r., w końcu rozpoczęli testy, aby wizualnie zademonstrować swoje odkrycie.
Ponieważ hydraty metanu są obecne na zboczach kontynentów , Japonia jest bardzo dobrze zaopatrzona w ten produkt , ponieważ jest otoczona Oceanem Spokojnym ; potrzeby energetyczne zostałyby zatem zaspokojone.
Ten hydrat metanu mógłby być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej, ale przede wszystkim do dostarczania gazu, który obecnie musi być głównie importowany.
Inne problemy dotyczą elektrowni atomowej Fukushima Daiichi, która została zamknięta od czasu wybuchu. Znane jądrowe źródło energii elektrycznej jest rzadziej wykorzystywane przez Japonię do wytwarzania elektryczności, potrzebuje alternatywy: metanu . Najważniejszymi zasobami metanu są hydraty metanu, które można transportować niskim kosztem.
80 km od wybrzeża półwyspu Atsumi na wodach prefektury Aichi, na południe od wyspy Honsiu, eksperyment przeprowadzony na głębokości 1000 metrów jest pierwszym osiągniętym sukcesem.
Eksperyment ten polega na spowodowaniu spadku ciśnienia, aby uwięziony gaz uciekł wraz z wodą z lodu otaczającego metan zmieszany z osadem w niewielkich ilościach.
Japonia, chcąc jak najszybciej wykorzystać to niemal niewyczerpane źródło energii, zamierza przeprowadzić kolejne testy w latach 2014-2015.
Metan z odwiertów gazowych lub metanizacji jest szeroko stosowany od pierwszej rewolucji przemysłowej. Metan z naturalnych hydratów mógłby teoretycznie być odzyskiwany przez rozprężanie osadu i/lub jego ogrzewanie (w obu przypadkach in situ lub przez wyniesienie go na powierzchnię), ale ...