Et metanhydrat (eller klatrat av metan ) er en moderforbindelse som er organisk naturlig til stede i havbunnen, noen kontinentale skråninger og i permafrosten i polarområdene .
Dannelsen av disse hydratene er en av de planetariske karbonvaskene , men de er veldig ustabile når temperaturen overstiger en viss terskel.
Metanhydrater er en potensiell kilde til fossilt drivstoff for å erstatte petroleum ; de er kjent for å være til stede i store mengder, spesielt på havbunnen , men er vanskelige å utnytte. De forblir en direkte eller indirekte kilde til karbondioksid , to kraftige klimagasser .
Vanligvis referert til som "brennende is" eller "metanis", denne isete forbindelsen er brannfarlig så snart den smelter i nærvær av oksygen eller en oksidant . På molekylært nivå består et metanklassrat faktisk av et tynt "bur" med is som fanget er metan a priori som følge av nedbrytningen av relativt nylig organisk materiale (sammenlignet med det som genererte oljen og naturgass). og utført av anaerobe og metanogene mikroorganismer .
Under produksjonen av naturgass kan andre hydrater dannes ( etan og propan ). Jo mer lengden på hydrokarbonmolekylet øker ( butan , pentan , etc. ), desto mindre stabile er hydratene som dannes.
Hydrater av naturgasser ( naturgasshydrat eller NGH engelsk) er preget av et lavere trykk ( 25 megapascal , 1/170 kompresjon) og en høyere temperatur ( 0 ° C ) den flytende naturgassen ( flytende naturgass , LNG) eller naturgass for kjøretøy ( komprimert naturgass , CNG, komprimert naturgass).
I Juli 1996, i Stillehavet , stiger forskningsfartøyet RV Sonne , fra en dybde på 785 m , 500 kg metanhydrat.
Metanhydrat dannes av vannmolekyler som danner merder som fanger gassmolekyler som metan eller hydrogensulfid (begge gassene som er tilstede i hydratet som føres opp av skipet Sonne). Disse merdene kan lagre betydelige mengder gass (for eksempel 164 cm 3 metan i 1 cm 3 hydrat).
Spesielt tilsvarer den grunnleggende strukturen til metanhydrat strukturen til type I av gassklatratstrukturer (in) : denne strukturen (også kalt struktur-Weaire Phelan ) består av to små bur og seks bur større:
Siden noen av disse toppunktene er felles for to eller flere bur, er det totale antallet vannmolekyler med den grunnleggende strukturen til metanhydrat bare 46 molekyler (i stedet for 184).
Metanhydrater er stabile ved høyt trykk og lav temperatur (se kurven "stabilitetsforhold"; størrelsesorden: 35 bar ved 0 ° C ).
Imidlertid er metan som hydrat fast ved temperaturer og trykk som er høyere enn de som kreves for å flyte den samme gassen; således danner rent metan i rent vann hydrater fra ca. 380 m i ferskvann ved 4 ° C ( maksimal vanntetthet ), ca. 440 m i saltvann ved 35 g / l ; til sammenligning flyter metan ved −161,5 ° C ( 111,6 K ). Vannis oppfyller funksjonen til en slags molekylær svamp for metan, som stabiliserer metan i fast form. Dermed vil metanhydrater sannsynligvis dannes under temperatur- og trykkforhold som naturlig forekommer på jorden, nærmere bestemt i undergrunnen til landoverflaten i kalde regioner på den ene siden, under havet på den andre.
Nærværet av salt (innflytelsen av klorioner Cl - ) gjør hydratdannelse litt vanskeligere.
Andre gasser fra metanfamilien (propan, butan osv.) Kan danne hydrater med vann, ved høyere trykk.
Kinetikken (hastigheten) for metanhydrater som forsvinner er lav . Dette er grunnen til at vi ser fotografier av blokker av hydrater under åpenbart laboratorieforhold.
Tettheten av hydrater er lavere enn vann, det er ikke noe hydrat i det indre av havene, og trykket på overflaten er for lavt til å stabilisere dem. De er derfor alltid festet på bunnen.
Metanhydrat er stabilt ved lav temperatur og høyt trykk. Hvis temperaturen på bakken er tilstrekkelig kald på kontinentene, vil trykkøkningen på store dyp favorisere hydratets stabilitet. Denne effekten konkurrerer med den geotermiske gradienten; temperaturen øker med dybden forhindrer dannelse av hydrater. Disse hydratene er derfor stabile over en rekke dybder. På landoverflater, i kalde områder, vil det sannsynligvis oppstå hydratstabilitetsforhold under permafrostens overflate , for eksempel typisk mellom 100 og 1600 m under permafrosten.
På sjøen øker trykket med dybden, og temperaturen forblir i det vesentlige konstant på store dyp. Men siden tettheten av hydrater er lavere enn vann, er det bare under bunnen at disse hydratene kan lagres. Også under havbunnen favoriserer den geotermiske gradienten dannelsen av hydrater mot store dyp og begrenser utvidelsen av hydratstabilitetssonen, for eksempel opptil 800 m under havbunnen.
Det ser ut til at de fleste av oppdagede hydrater ligger på kontinentale marginer. Knappheten på hydrater under den dype havbunnen ser ut til å skyldes mangelen på metankilder på disse stedene der de ville være stabile.
Som et resultat oppstår metanhydrater i to veldig forskjellige miljøer.
Metan lagres som metanhydrater i dype havbunnfall og i kontinentale skråninger på noen hundre meters dyp.
Metanhydrater finnes også i permafrost i sirkumpolare regioner i Eurasia og Amerika .
Siden de første estimatene på 1970-tallet er mengden metanhydrat i havreservoaret revidert nedover, men er fortsatt betydelig. I følge et nylig estimat vil denne mengden være mellom 1 og 5 × 10 15 m 3 gass, eller mellom 0,5 og 2,5 × 10 12 tonn karbon. Mengden metanhydrater i det kontinentale reservoaret er mindre kjent. Den relativt lille overflaten (10 millioner km 2 ) okkupert av permafrost antyder at den er mindre enn i havreservoaret . I følge Florent Dominé, fra CNRS, er permafrost det største kontinentale karbonreservoaret på planeten: 1,7 × 10 12 tonn karbon av vegetabilsk opprinnelse har akkumulert der siden forrige breing; det er dobbelt så mye karbon som atmosfæren inneholder for øyeblikket.
Til sammenligning var kjente oljereserver i 2005 ca. 2 × 10 11 m 3 (se artikkelen Oljereserve ).
Metanhydrater, og mer generelt hydrokarboner, er årsaken til mange hendelser i gassrørledninger, spesielt under vann. Når hydratstabilitetsbetingelsene oppfylles lokalt, blir rørene tette under virkningen av størkning av den transporterte væsken .
Reservene av metanhydrat er så store at mange oljeselskaper er interessert i det. Men oppgangen av denne forbindelsen er vanskelig og dyrt, selv farlig for planet klima , og tekniske problemer i sin utvinning i dag synes langt fra å bli løst.
Etter Fukushima atomulykke har Japan et sterkt behov for nye energikilder. Regjeringen har allerede lansert et forskningsprogram (2001-2008) som tar sikte på å lokalisere og kvalifisere den potensielle ubåtressursen i Japan, deretter en syvårsplan ("program for utnyttelse av marin energi og marine ressurser"), Stemt iMars 2009. To testekstraksjoner er planlagt for 2012 og 2014 nær Nankai-gropen sør i landet der det er oppdaget betydelige ressurser. To-ukers stabilisert avling in situ test begynner iMars 2013.
Metanhydrater har allerede blitt utnyttet ved Messoyakha , et lite grunt gassfelt i Vest- Sibir som ligger like ved metanhydratens stabilitet. Som et resultat var dens nedre del et "normalt" gassfelt (fri gass i sand) mens den øvre var fylt med hydrater. Utnyttelsen av konvensjonell gass reduserte trykket og destabiliserte hydratene, hvorfra metanet kunne brukes.
Produsenter må teste metoder for dehydrering av dekompresjon til sjøs for å gjenvinne den fullt ut. Det er et av prosjektene til den japanske JOGMEC.
Et tysk prosjekt kalt SUGAR (akronym for Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), lansert sommeren 2008 av Leibniz Institute for Marine Sciences i Kiel , under tilsyn av de føderale departementene for økonomi og teknologi (BMWi) og utdanning og forskning (BMBF) med støtte fra 30 økonomiske og vitenskapelige partnere og et opprinnelig budsjett på nesten 13 millioner d 'euro, tar sikte på å utvinne marine metan og lagre CO 2 på stedet fanget ved utløpet av termiske kraftstasjoner eller andre industrielle installasjoner.
Japanske og amerikanske studier har blitt utført siden 2001 med det formål å demonstrere at vanntetting av et NGH-forsyningssystem var mulig innenfor rammen av utnyttelse av offshore naturgassfelt og ikke i selve utnyttelsen av hydratforekomster (siden dette ikke har ennå vært i stand til å bli utført effektivt innenfor et rammeverk for industriell skala ).
Gjennomføringsstudiene som er utført for dette formålet, har derfor vist at bruken av NGH-forsyningssystemer basert på syntetisk metanhydratproduksjonsteknikk var lønnsom innenfor rammen av en rasjonell utnyttelse av mellomstore naturgassfelt. Og mindre viktig: utnyttelse av naturlig gassfelt inkluderer per definisjon en veldig betydelig investering i flytende gassteknologi. Den grunnleggende investeringen og kostnadene ved å bygge og sette i drift en flytende enhet gjør utnyttelse av små og mellomstore forekomster ikke økonomisk levedyktig.
Utnyttelsen av metanhydrater er ikke begrenset til havbunnen. Faktisk er metanhydrater et godt alternativ for transport av metan over relativt lange avstander. Takket være metanhydrater vil den farlige transporten av flytende naturgass eller konstruksjonen av gassrørledninger reduseres .
I tillegg kan transport av hydrater med båt være billigere i energi enn flytende naturgass, fordi temperatur- og trykkforholdene ville være mindre vanskelige å opprettholde enn i dagens LNG- bærere. Motsatt er den endelige mengden fri gass som transporteres i forhold til vekten av lasten, til skade for hydrater når det gjelder transportkostnader.
Hvis avstanden forblir mindre enn 6000 km , blir NGH-leveringssystemet billigere enn den klassiske LNG. Ettersom produksjon og regasifisering i utgangspunktet allerede er billigere med NGH og krever mindre investeringer, markerer systemet her sin overlegenhet over det konvensjonelle kompresjonssystemet ved flytende naturgass.
Naturgasshydrat (NGH) | Flytende naturgass (LNG) | |
---|---|---|
Transport- og lagringsmåter | Fast | Væske |
Transporttemperatur | -20 ° C | −162 ° C |
Tetthet | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Innhold 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 vekt-% metan i det faste hydratet).
For å feste størrelsesordener, en gass-sylinder anvendes for å fordele butan eller propan som kalles "13 kg " (inneholdende ca. 4,8 m 3 av butan gass ved ordinær temperatur og trykk) har bare et volum på 30 liter.. Dette volumet vil transporteres (alle dataene i dette avsnittet er avrundet, og ingen sikkerhetsmargin blir vurdert) 14 kg metan ved -161 ° C ved 1 bar [tetthet på 0,465] (eller ved -100 ° C og 30 bar). Den samme flasken ville inneholde 27 kg metanhydrat ved 35 bar og 0 ° C , eller 3,6 kg ren metan. Disse sistnevnte forholdene kan beskrives på en karikert måte som "en gassflaske i et kjøleskap"; det vil si under forhold som er relativt enkle å oppnå industrielt. I sistnevnte tilfelle vil flasken inneholde i tillegg til 3,6 kg metan, ca. 23 kg vann for å danne et hydrat med gassen. Dette avsnittet er ikke ment å vise en reell industriell applikasjon, men heller å visualisere størrelsesordener.
Forskning er under utvikling for:
Utnyttelse av metanhydrater kan utgjøre alvorlige problemer med hensyn til drivhuseffekten. På den ene siden avgir forbrenningen CO 2på samme måte som naturgass (men mindre enn kull og olje for den samme mengden produsert energi). På den annen side er det en risiko for at store mengder metan ved utilsiktet tilbakeføring til atmosfæren ved å utnytte ustabile ubåthydrater, utilsiktet: dette tilsvarer utnyttelse av naturgass ved å tillate enorme lekkasjer. Gullmetan (CH 4) har mye høyere plageeffekt enn CO 2som en klimagass. Dens potensiale for global oppvarming, målt i målingen fra et århundre fra diffusjonen i atmosfæren, er faktisk mellom 22 og 23 ganger karbondioksid, med tanke på den gjennomsnittlige levetiden til molekylene. Av CH 4bare et dusin år før de spaltes ned i CO 2ved UV , forbrenning eller oksidasjonsfenomener og forskjellige kjemiske reaksjoner.
Forskere frykter at global oppvarming , ved å heve permafrostens temperatur tilstrekkelig, vil tillate at klatratene som er der, smelter i det minste delvis: dette vil ha den effekten at det frigjør enorme mengder metan i atmosfæren, som vil bli fornuftig. øke drivhuseffekten , noe som resulterer i en rømningseffekt. Florent Dominé, fra CNRS, fremkaller en økning på 5 til 8 ° C i temperaturen innen 2100.
I 2014 demonstrerte forskere at en avgassing av metanhydrater observert i Atlanterhavet utenfor Svalbard er av naturlig opprinnelse og begynte for minst 3000 år siden. Forfatterne, som opprinnelig fryktet at fenomenet skyldes global oppvarming, mener imidlertid at en slik mekanisme fortsatt er mulig, fordi det dype hav også på lang sikt vil varme seg opp; havbunnen inneholder imidlertid svært store mengder metanhydrater, som vil akselerere oppvarmingen i tilfelle avgassing.
I følge David Archer (i) i 2007 forårsaker metanhydrater allerede i dag avgassing som svar på menneskeskapt global oppvarming, for eksempel ved grensen mellom Sibir og Ishavet, men de fleste hydrater av metan er begravet dypt i bakken eller i oseanisk sedimenter, slik at tidsskalaen som skal vurderes slik at den nåværende globale oppvarmingen ikke utløser deres mulige avgassing, telles i tusenvis av år. Derfor mener forfatteren at effekten av avgassing i løpet av det neste århundre kan være "betydelig, men ikke katastrofal" .
I 2017 konkluderte en litteraturgjennomgang fra United States Institute for Geological Studies at nedbrytningen av metanhydrater neppe vil forårsake massiv utslipp av metan, sammenlignet med klimagassutslipp fra menneskeskapt opprinnelse, fordi det meste av gassen ikke når atmosfæren og forblir fanget i marine sedimenter, forvandlet til CO 2av mikrober eller oppløst i havet. En studie publisert i Science utvikler seg ijanuar 2018bekrefter denne teorien: den viser at bare om lag 10% av metanet som slippes ut på havbunnen i Beauforthavet når overflaten.
Gavin Schmidt fra Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) anser risikoen forbundet med utgassing av metanhydrater som "lav", mens professor Tim Lenton ved University of Exeter og spesialist i tippepunkter for klima mener at permafrost-tine-prosessen vil ta tusenvis, om ikke titusenvis av år. Peter Wadhams , professor ved University of Cambridge og forfatter av en artikkel om emnet i tidsskriftet Nature i 2013, som er basert på en fullstendig smelting av den arktiske havisen om sommeren så tidlig som 2015 (et scenario som til slutt ikke ble noe av utført), anslår tvert imot at avgassingen bare kan ta omtrent femti år eller enda mindre.
I følge en studie publisert i tidsskriftet Palaeoworld (en) i 2016, vil en massiv tining av oceaniske metanhydrater være den viktigste årsaken til global oppvarming, som førte til Perm-Triassic-utryddelsen som så at 95% av marine arter og 70 forsvant. % av kontinentale arter, for 250 millioner år siden. Forfatterne av studien kobler sammen med den nåværende globale oppvarmingen. Andre forskere, Peter Wadhams og Tim Palmer , finner imidlertid at denne studien er for katastrofal. I tillegg viste forskere fra MIT og det kinesiske vitenskapsakademiet i Nanjing i 2014 at den massive utslipp av metan kan skyldes mikrober og ikke tining av metanhydrater.
For første gang har et land lykkes med å utvinne metan fra disse hydratene uten å fjerne dem fra havbunnen: Japan.
Først av alt, og spesielt på grunn av den økonomiske og teknologiske utvidelsen i Japan og nedleggelsen av atomkraftverkene, blir energibehov stadig viktigere i dette landet. I mange år hadde Japan vært på utkikk etter en måte å utvinne metan , en lovende kilde til økonomisk fornyelse fordi det ville begrense importen. De Japan importerer 95% av sin energi , ville metanhydrat tillate det å redusere dette tallet. de12. mars 2013endelig startet de tester for visuelt å demonstrere oppdagelsen.
Siden metanhydrater er tilstede i kontinentale skråninger , er Japan derfor veldig godt forsynt med dette produktet fordi det er omgitt av Stillehavet ; energibehov ville derfor bli dekket.
Dette metanhydratet kan brukes til å produsere elektrisitet, men fremfor alt til å levere gass som for tiden hovedsakelig må importeres.
Andre problemer kommer fra Fukushima Daiichi atomkraftverk som har vært stengt siden eksplosjonen. Den kjernefysiske bemerkelsesverdige kilden til elektrisk energi brukes mindre av Japan til å generere elektrisitet, den trenger et alternativ: metanet . De viktigste metanreserverne er metanhydrater som kan transporteres til en lav pris.
80 km fra kysten av Atsumi-halvøya i vannet i Aichi prefektur, sør for Honshû-øya, er eksperimentet utført på en havdybde på 1000 meter den første oppnådde suksessen.
Dette eksperimentet består i å forårsake et trykkfall slik at den fangede gassen slipper ut med vannet fra isen som omgir metanen blandet med sediment i små mengder.
Japan, som ønsker å utnytte denne nesten uuttømmelige energikilden så snart som mulig, har til hensikt å gjennomføre ytterligere tester mellom 2014 og 2015.
Metan fra gassboring eller metanisering har vært mye brukt siden den første industrielle revolusjonen. Metan fra naturlige hydrater kan teoretisk utvinnes ved trykkavlastning av sedimentet og / eller ved oppvarming (in situ eller ved å heve det til overflaten i begge tilfeller), men ...