Et methanhydrat (eller clathrat af methan ) er en moderforbindelse, der er organisk naturligt til stede i havbunden, nogle kontinentale skråninger og i permafrosten i de polære regioner .
Dannelsen af disse hydrater er en af de planetariske kulsyre , men de er meget ustabile, når deres temperatur overstiger en vis tærskel.
Methanhydrater er en potentiel kilde til fossilt brændstof til erstatning af olie ; de vides at være til stede i store mængder, især på havbunden , men er vanskelige at udnytte. De forbliver en direkte eller indirekte kilde til kuldioxid , to kraftige drivhusgasser .
I almindelighed benævnt "brændende is" eller "metanis" er denne iskolde forbindelse brandfarlig, så snart den smelter i nærvær af ilt eller en oxidant . På molekylært niveau består faktisk et metanclathrat af et tyndt "is" i, i hvilket metan a priori er fanget som følge af nedbrydning af relativt ny organisk stof (sammenlignet med det, der genererede olien. Og naturgas) og udføres af anaerobe og methanogene mikroorganismer .
Under produktionen af naturgas kan der dannes andre hydrater ( ethan og propan ). Jo mere længden af carbonhydrid molekylet stiger ( butan , pentan , etc. ), den mindre stabile de dannede hydrater er.
Hydrater af naturgasser ( naturgashydrat eller NGH engelsk) er kendetegnet ved et lavere tryk ( 25 megapascal , 1/170 kompression) og en højere temperatur ( 0 ° C ), den flydende naturgas ( flydende naturgas , LNG) eller naturgas til køretøjer ( komprimeret naturgas , CNG, komprimeret naturgas).
I Juli 1996i Stillehavet stiger forskningsskibet RV Sonne fra en dybde på 785 m 500 kg metanhydrat.
Methanhydrat er dannet af vandmolekyler, der danner bure, der fanger gasmolekyler såsom methan eller hydrogensulfid (begge gasser til stede i hydratet, der er bragt op af skibet Sonne). Disse bure kan lagre betydelige mængder gas (f.eks 164 cm 3 af methan i 1 cm 3 af hydrat).
Specifikt svarer den grundlæggende struktur af metanhydrat til strukturen af type I af gasklatratstrukturer (in) : denne struktur (også kaldet struktur-Weaire Phelan ) omfatter to små bure og seks bure større:
Da nogle af disse hjørner er fælles for to eller flere bure, er det samlede antal vandmolekyler med den basiske struktur af methanhydrat kun 46 molekyler (i stedet for 184).
Methanhydrater er stabile ved højt tryk og lav temperatur (se kurven "stabilitetsbetingelser"; størrelsesorden: 35 bar ved 0 ° C ).
Imidlertid er methan som hydrat fast ved temperaturer og tryk højere end dem, der kræves for at flyde den samme gas; således udgør ren methan i rent vand hydrater fra ca. 380 m i ferskvand ved 4 ° C ( maksimal vandtæthed ), ca. 440 m i saltvand ved 35 g / l ; til sammenligning flydes metan ved -161,5 ° C ( 111,6 K ). Vandis opfylder funktionen af en slags molekylær svamp til metan, som stabiliserer metan i fast form. Således vil metanhydrater sandsynligvis dannes under temperatur- og trykforhold, der naturligt forekommer på Jorden, mere præcist i undergrunden af landoverfladen i kolde regioner på den ene side under havet på den anden.
Tilstedeværelsen af salt (påvirkning af chlorid -ion Cl - ) gør hydratdannelse lidt mere vanskeligt.
Andre gasser af metanfamilien (propan, butan osv.) Kan danne hydrater med vand ved højere tryk.
Kinetikken (hastighed) for metanhydraters forsvinden er lav . Dette er grunden til, at vi ser fotografier af blokke af hydrater under åbenlyst laboratorieforhold.
Tætheden af hydrater er lavere end vand, der er intet hydrat i det indre af havene, trykket på overfladen er for lavt til at stabilisere dem. De er derfor altid fastgjort i bunden.
Methanhydrat er stabilt ved lav temperatur og højt tryk. Hvis jordens temperatur er tilstrækkelig kold på kontinentet, favoriserer stigningen i tryk på store dybder hydratets stabilitet. Denne effekt konkurrerer med den geotermiske gradient; temperaturen stiger med dybden forhindrer dannelsen af hydrater. Disse hydrater er derfor stabile over en række dybder. På landoverflader, i kolde områder, forekommer der sandsynligvis hydratstabilitetsbetingelser under permafrostens overflade , for eksempel typisk mellem 100 og 1600 m under permafrosten.
Til søs øges trykket med dybden, hvor temperaturen stort set forbliver konstant på store dybder. Men da densiteten af hydrater er lavere end vand, er det kun under bunden, at disse hydrater kan opbevares. Også under havbunden favoriserer den geotermiske gradient dannelsen af hydrater mod store dybder og begrænser udvidelsen af hydratstabilitetszonen, for eksempel op til 800 m under havbunden.
Det ser ud til, at de fleste af de opdagede hydrater ligger på de kontinentale margener. Manglen på hydrater under den dybe havbund synes at være på grund af manglen på kilder til metan på disse steder, hvor de ville være stabile.
Som et resultat opstår methanhydrater i to meget forskellige miljøer.
Metan opbevares som metanhydrater i dybe havsedimenter og ved kontinentale skråninger på et par hundrede meters dybde.
Methanhydrater findes også i permafrost i cirkumpolære regioner i Eurasien og Amerika .
Siden de første skøn i 1970'erne er mængden af metanhydrat i det oceaniske reservoir blevet revideret nedad, men er fortsat betydelig. Ifølge et nylig skøn ville denne mængde være mellem 1 og 5 × 10 15 m 3 gas eller mellem 0,5 og 2,5 × 10 12 ton kulstof. Mængden af metanhydrater i det kontinentale reservoir er mindre kendt. Den relativt lille overflade (10 millioner km 2 ) optaget af permafrost antyder, at den er mindre end i det oceaniske reservoir . Ifølge Florent Dominé fra CNRS er permafrost det største kontinentale kulstofreservoir på planeten: 1,7 × 10 12 tons kulstof af vegetabilsk oprindelse er akkumuleret der siden den sidste istid; det er dobbelt så meget kulstof, som atmosfæren i øjeblikket indeholder.
Til sammenligning var kendte oliereserver i 2005 ca. 2 × 10 11 m 3 (se artiklen Oliereserve ).
Methanhydrater og mere generelt kulbrinter er årsagen til mange hændelser i gasrørledninger, især under vandet. Når betingelserne for hydratstabilitet er lokalt opfyldt, bliver rørene tilstoppet under virkningen af størkning af den transporterede væske .
Reserverne af metanhydrat er så store, at mange olieselskaber er interesserede i det. Men inddrivelse af denne forbindelse er vanskeligt og dyrt, endda farligt for planetariske klima , og de tekniske vanskeligheder i sin udvinding synes i øjeblikket langt fra er løst.
Efter Fukushima-atomulykken har Japan stort behov for nye energikilder. Regeringen har allerede lanceret et forskningsprogram (2001-2008), der sigter mod at lokalisere og kvalificere den potentielle ubådsressource i Japan, derefter en syvårsplan ("program om udnyttelse af havets energi og havressourcer"), Stemt iMarts 2009. To testekstraktioner er planlagt i 2012 og 2014 nær Nankai-pit i den sydlige del af landet, hvor der er opdaget betydelige ressourcer. To-ugers stabiliseret afgrøde in situ test begynder iMarts 2013.
Metanhydrater er allerede blevet udnyttet ved Messoyakha , et lille lavt gasfelt i det vestlige Sibirien, der ligger lige ved grænsen for metanhydraters stabilitet. Som et resultat var dens nedre del et ”normalt” gasfelt (fri gas i sand), mens den øverste var fyldt med hydrater. Udnyttelsen af konventionel gas reducerede trykket og destabiliserede hydraterne, hvorfra metanen derefter kunne anvendes.
Producenterne skal teste hydratdekompressionsmetoder til søs for fuldt ud at genvinde den. Det er et af projekterne fra den japanske JOGMEC.
Et tysk projekt kaldet SUGAR (akronym for Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), der blev lanceret i sommeren 2008 af Leibniz Institute for Marine Sciences i Kiel under tilsyn af de føderale økonomi- og teknologiministerier (BMWi) og uddannelse og forskning (BMBF) med støtte fra 30 økonomiske og videnskabelige partnere og et oprindeligt budget på næsten 13 millioner d 'euro, har til formål at udvinde marine metan og opbevare CO 2 på dets sted fanget ved udløbet af termiske kraftværker eller andre industrielle installationer.
Der er udført japanske og amerikanske undersøgelser siden 2001 med det formål at demonstrere, at vandtætningen af et NGH-forsyningssystem var mulig inden for rammerne af udnyttelse af offshore naturgasfelter og ikke i selve udnyttelsen af hydrataflejringer (da dette ikke har alligevel været i stand til at udføres effektivt inden for rammerne af en industriel skala ).
Forundersøgelserne foretaget til dette formål har derfor vist, at brugen af NGH-forsyningssystemer baseret på produktionsteknikker for syntetisk metanhydrat var rentabel inden for rammerne af en rationel udnyttelse af mellemstore naturgasfelter og mindre vigtigt: udnyttelse af naturligt gasfelter inkluderer pr. definition en meget betydelig investering i gasflydningsteknologier . Grundinvesteringerne og omkostningerne ved bygning og idriftsættelse af en kondensationsenhed gør udnyttelse af små og mellemstore forekomster ikke økonomisk bæredygtige.
Udnyttelsen af metanhydrater er ikke begrænset til havbunden. Faktisk er metanhydrater et godt alternativ til transport af metan over relativt lange afstande. Takket være metanhydrater ville den farlige transport af flydende naturgas eller konstruktionen af gasrørledninger således blive reduceret .
Derudover kunne transport af hydrater med båd være billigere i energi end flydende naturgas, fordi temperatur- og trykforholdene ville være mindre vanskelige at vedligeholde end i nuværende LNG- bærere. Omvendt er den endelige mængde fri gas, der transporteres i forhold til vægten af lasten, til skade for hydrater med hensyn til transportomkostninger.
Hvis afstanden forbliver mindre end 6000 km , bliver NGH-leveringssystemet billigere end den klassiske LNG. Da produktion og regasification grundlæggende allerede er billigere med NGH og kræver mindre investering, markerer systemet her sin overlegenhed i forhold til det konventionelle komprimeringssystem ved at flydende naturgas.
Naturgashydrat (NGH) | Flydende naturgas (LNG) | |
---|---|---|
Transport- og opbevaringsmetoder | Solid | Væske |
Transporttemperatur | −20 ° C | −162 ° C |
Massefylde | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Indhold på 1 m 3 produkt | 170 m 3 CH 4 og 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CH 4 |
(dvs. 13,2 masseprocent methan i det faste hydrat).
At fastsætte størrelsesordener, en gascylinder bruges til at distribuere butan eller propan kaldes "13 kg " (indeholdende ca. 4,8 m 3 af butan gas ved almindelig temperatur og tryk) har kun et volumen på 30 liter.. Dette volumen transporteres (alle data i dette afsnit er afrundede, og der tages ikke højde for nogen sikkerhedsmargen) 14 kg metan ved -161 ° C ved 1 bar [tæthed på 0,465] (eller ved -100 ° C og 30 bar). Den samme flaske ville indeholde 27 kg methanhydrat ved 35 bar og 0 ° C eller 3,6 kg ren methan. Disse sidstnævnte betingelser kunne beskrives på en karikaturiseret måde som "en gasflaske i et køleskab"; det vil sige under forhold, der er relativt lette at opnå industrielt. I sidstnævnte tilfælde vil flasken ud over 3,6 kg methan indeholde ca. 23 kg vand for at danne et hydrat med gassen. Dette afsnit er ikke beregnet til at vise en reel industriel anvendelse, men snarere at visualisere størrelsesordener.
Forskning er under udvikling for:
Udnyttelse af metanhydrater kan medføre alvorlige problemer med hensyn til drivhuseffekten. På den ene side udsender deres forbrænding CO 2på samme måde som naturgas (men mindre end kul og olie til den samme mængde produceret energi). På den anden side er der en risiko for, at store mængder methan ved utilsigtet tilbagevenden til atmosfæren ved at udnytte ustabile ubådshydrater: dette svarer til at udnytte naturgas ved at tillade enorme lækager. Guldmetan (CH 4) har en meget højere generende effekt end CO 2som en drivhusgas. Dens potentiale for global opvarmning, målt ved omfanget af et århundrede fra dens diffusion i atmosfæren, er faktisk mellem 22 og 23 gange, at carbondioxid, under hensyntagen til den gennemsnitlige levetid af molekylerne. CH 4kun et dusin år før deres nedbrydning i CO 2ved UV , forbrændings- eller oxidationsfænomener og forskellige kemiske reaktioner.
Forskere frygter, at global opvarmning ved at hæve temperaturen på permafrosten tilstrækkeligt vil tillade, at de tilstedeværende klatrater i det mindste delvist smelter: dette ville have den virkning, at der frigøres enorme mængder metan i atmosfæren, som ville komme til sin sans. øge drivhuseffekten , hvilket resulterer i en løbende effekt. Florent Dominé fra CNRS fremkalder en stigning på 5 til 8 ° C i temperaturen inden 2100.
I 2014 demonstrerede forskere, at en afgasning af metanhydrater observeret i Atlanterhavet ud for Svalbard er af naturlig oprindelse og begyndte for mindst 3.000 år siden. Forfatterne, der oprindeligt frygtede, at fænomenet skyldtes global opvarmning, mener dog, at en sådan mekanisme fortsat er mulig, fordi det dybe hav på lang sigt også vil blive varmere; havbunden indeholder dog meget store mængder methanhydrater, som vil fremskynde opvarmningen i tilfælde af afgasning.
Ifølge David Archer (i) i 2007 forårsager metanhydrater allerede afgasning i dag som reaktion på menneskeskabt global opvarmning, for eksempel ved grænsen mellem Sibirien og det arktiske hav, men de fleste hydrater af metan er begravet dybt i jorden eller i oceaniske sedimenter, således at tidsskalaen, der skal overvejes, så den nuværende globale opvarmning ikke udløser deres mulige afgasning, tælles i tusinder af år. Derfor mener forfatteren, at effekten af afgasning i løbet af det næste århundrede kunne være "signifikant, men ikke katastrofal" .
I 2017 konkluderede en litteraturanmeldelse fra United States Institute for Geological Studies , at nedbrydningen af methanhydrater sandsynligvis ikke vil medføre massiv emission af methan, sammenlignet med drivhusgasemissioner fra menneskeskabt oprindelse, fordi det meste af gassen ikke når atmosfæren og forbliver fanget i marine sedimenter, omdannet til CO 2af mikrober eller opløst i havet. En undersøgelse offentliggjort i Science udvikler sig ijanuar 2018bekræfter denne teori: den viser, at kun ca. 10% af den metan, der udledes på niveauet af havbunden i Beaufort-havet, når overfladen.
Gavin Schmidt fra Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) betragter risikoen forbundet med udgassning af metanhydrater som "lav", mens professor Tim Lenton fra University of Exeter og specialist inden for klipningspunkter mener, at permafrost-optøningsprocessen vil tage tusinder, hvis ikke titusinder af år. Peter Wadhams , professor ved University of Cambridge og forfatter til en artikel om emnet i tidsskriftet Nature i 2013, der er baseret på en fuldstændig smeltning af den arktiske havis om sommeren så tidligt som 2015 (et scenarie, der i sidste ende ikke blev til udført), estimerer tværtimod, at afgasningen kun kan tage omkring halvtreds år eller endnu mindre.
Ifølge en undersøgelse, der blev offentliggjort i tidsskriftet Palaeoworld (en) i 2016, ville en massiv optøning af oceaniske metanhydrater være hovedårsagen til den globale opvarmning, hvilket førte til den Perm-Trias udryddelse, der så forsvinden af 95% af havarterne og 70 % af kontinentale arter for 250 millioner år siden. Forfatterne af undersøgelsen knytter forbindelsen til den nuværende globale opvarmning. Andre forskere, Peter Wadhams og Tim Palmer , finder imidlertid, at denne undersøgelse er alt for katastrofal. Derudover viste forskere fra MIT og det kinesiske videnskabsakademi i Nanjing i 2014, at den massive emission af metan kunne skyldes mikrober og ikke optøning af metanhydrater.
For første gang er et land lykkedes at udvinde metan fra disse hydrater uden at fjerne dem fra havbunden: Japan.
Først og fremmest og især på grund af den økonomiske og teknologiske udvidelse i Japan og nedlukningen af dets atomkraftværker er energibehov stadig vigtigere i dette land. I årevis havde Japan ledt efter en måde at udvinde metan , en lovende kilde til økonomisk fornyelse, fordi det ville begrænse importen. De Japan import 95% af sin energi , ville metan hydrat gør det muligt at reducere dette antal. det12. marts 2013endelig startede de test for visuelt at demonstrere deres opdagelse.
Da metanhydrater er til stede i kontinentale skråninger , leveres Japan derfor meget godt med dette produkt, fordi det er omgivet af Stillehavet ; energibehov ville derfor blive dækket.
Dette metanhydrat kan bruges til at producere elektricitet, men frem for alt til at levere gas, som i øjeblikket primært skal importeres.
Andre problemer kommer fra Fukushima Daiichi atomkraftværk, som har været lukket siden eksplosionen. Den nukleare bemærkelsesværdige kilde til elektrisk energi bruges mindre af Japan til at generere elektricitet, den har brug for et alternativ: metanen . De vigtigste reserver af metan er metanhydrater, som kan transporteres til en lav pris.
80 km fra kysten af Atsumi-halvøen i farvandene i Aichi-præfekturet syd for Honshû-øen er eksperimentet udført i en havdybde på 1.000 meter den første opnåede succes.
Dette eksperiment består i at forårsage et trykfald, så den fangede gas slipper ud med vandet fra isen, der omgiver metanen blandet med sediment i små mængder.
Japan, der ønsker at udnytte denne næsten uudtømmelige energikilde så hurtigt som muligt, har til hensigt at udføre yderligere tests mellem 2014 og 2015.
Metan fra gasboring eller metanisering er blevet udbredt siden den første industrielle revolution. Metan fra naturlige hydrater kunne teoretisk udvindes ved trykaflastning af sedimentet og / eller ved dets opvarmning (in situ eller ved at hæve det til overfladen i begge tilfælde), men ...