Inhalt
- Der nächste Energie "Game Changer"?
- Was ist Methanhydrat?
- Wo sind die Methanhydratablagerungen?
- Wo wird heute Methanhydrat hergestellt?
- Gefahren durch Methanhydrate
- Enormes Potenzial
Methanhydrat: Links ist ein Kugel-Stab-Modell von Methanhydrat zu sehen, das das zentrale Methanmolekül zeigt, das von einem "Käfig" aus Wassermolekülen umgeben ist. Andere Kohlenwasserstoffmoleküle wie Pentan und Ethan können in dieser Struktur die zentrale Position einnehmen. (Bild des US-Energieministeriums). Auf der rechten Seite ist ein brennendes Exemplar von Methanhydrat-Eis zu sehen (Bild des United States Geological Survey).
Methanhydrat "Zement" im Konglomerat ?: Dieses Foto zeigt eine Kernprobe der Methanhydratzone im Mallik-Testbrunnen. Dieser Brunnen dringt in Permafrostvorkommen im kanadischen Mackenzie River Delta ein. Dieser Teil des Kerns zeigt Kies, der durch Methanhydrat-Eis zu einem "Konglomerat" zementiert ist. Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern.
Der nächste Energie "Game Changer"?
Da Erdgas aus Schiefer zu einem globalen "Energiewandler" wird, arbeiten Öl- und Gasforscher an der Entwicklung neuer Technologien zur Gewinnung von Erdgas aus Methanhydratvorkommen. Diese Forschung ist wichtig, da angenommen wird, dass Methanhydratvorkommen eine größere Kohlenwasserstoffressource sind als alle Erdöl-, Erdgas- und Kohlenressourcen der Welt zusammen. Wenn sich diese Ablagerungen effizient und wirtschaftlich entwickeln lassen, könnte Methanhydrat zum nächsten Energiespielmacher werden.
Unter dem arktischen Permafrost, unter dem antarktischen Eis und in Sedimentlagerstätten entlang der Kontinentalränder wurden enorme Mengen Methanhydrat gefunden. In einigen Teilen der Welt sind sie dichter an bevölkerungsreichen Gebieten als jedes Erdgasfeld. Durch diese nahe gelegenen Lagerstätten könnten Länder, die derzeit Erdgas importieren, autark werden. Die aktuelle Herausforderung besteht darin, diese Ressource zu inventarisieren und sichere, wirtschaftliche Wege zu ihrer Entwicklung zu finden.
Methanhydrat-Stabilitätstabelle: Dieses Phasendiagramm zeigt die Wassertiefe (Druck) auf der vertikalen Achse und die Temperatur auf der horizontalen Achse. Die gestrichelten Linien trennen Stabilitätsfelder von Wasser, Wassereis, Gas und Gashydrat. Die mit "Übergang Hydrat zu Gas" bezeichnete Linie ist signifikant. Unterhalb dieser Linie treten Bedingungen für die Bildung von Methanhydrat auf.Oberhalb dieser Linie bildet sich kein Methanhydrat. Die rote Linie zeichnet eine Geothermie nach (die Änderung der Temperatur mit der Tiefe an einem bestimmten Ort). Beachten Sie, wie mit zunehmender Tiefe die Geothermie die Übergangslinie zwischen Hydrat und Gas durchquert. Dies bedeutet, dass Gashydrat in Sedimenten normalerweise über freiem Gas liegt. Grafik nach NOAA modifiziert.
Was ist Methanhydrat?
Methanhydrat ist ein kristalliner Feststoff, der aus einem Methanmolekül besteht, das von einem Käfig aus ineinandergreifenden Wassermolekülen umgeben ist (siehe Abbildung oben auf dieser Seite). Methanhydrat ist ein "Eis", das natürlicherweise nur in unterirdischen Ablagerungen vorkommt, in denen Temperatur- und Druckbedingungen für seine Bildung günstig sind. Diese Bedingungen sind im Phasendiagramm auf dieser Seite dargestellt.
Wenn das Eis aus dieser Temperatur- / Druckumgebung entfernt wird, wird es instabil. Aus diesem Grund sind Methanhydratvorkommen schwer zu untersuchen. Sie können nicht wie andere Materialien unter der Oberfläche gebohrt und entkernt werden, da sie an die Oberfläche gebracht werden, der Druck abnimmt und die Temperatur steigt. Dadurch schmilzt das Eis und das Methan entweicht.
Für Methanhydrat werden üblicherweise mehrere andere Namen verwendet. Dazu gehören: Methanclathrat, Hydromethan, Methaneis, Feuereis, Erdgashydrat und Gashydrat. Die meisten Methanhydratablagerungen enthalten auch geringe Mengen anderer Kohlenwasserstoffhydrate. Dazu gehören Propanhydrat und Ethanhydrat.
Methanhydratkarte: Bei dieser Karte handelt es sich um eine verallgemeinerte Version von Standorten in der globalen USGS-Datenbank für das Vorkommen von Erdgashydraten.
Gashydratkarte: Eine der am besten untersuchten Gashydratvorkommen ist Blake Ridge vor der Küste von North Carolina und South Carolina. Herausforderungen bei der Herstellung von Methan aus dieser Lagerstätte sind der hohe Tongehalt und die niedrige Methankonzentration. Diese Karte ist ein Beispiel für die Nähe von Kontinentalrandlagerstätten zu potenziellen Erdgasmärkten. Bild von NOAA.
USGS Gashydratlabor: Dieses Video nimmt Sie mit auf einen Besuch im USGS Gas Hydrates Lab, wo Forscher Experimente mit Proben von Gashydraten durchführen, die an polaren und kontinentalen Randgebieten gesammelt wurden. Sie erzeugen auch synthetische Gashydrate und führen Experimente durch, um ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Wo sind die Methanhydratablagerungen?
Vier Erdumgebungen haben die Temperatur- und Druckbedingungen, die für die Bildung und Stabilität von Methanhydrat geeignet sind. Dies sind: 1) Sediment- und Sedimentgesteinseinheiten unterhalb des arktischen Permafrosts; 2) Sedimentablagerungen entlang der Kontinentalränder; 3) Tiefwassersedimente von Binnenseen und Meeren; und 4) unter antarktischem Eis. . Mit Ausnahme der antarktischen Ablagerungen sind Methanhydratansammlungen nicht sehr tief unter der Erdoberfläche. In den meisten Fällen befindet sich das Methanhydrat nur wenige hundert Meter von der Sedimentoberfläche entfernt.
Modelle für Methanhydratablagerungen: Lagerstättenmodelle für Methanhydratlagerstätten an Kontinentalrändern und unter Permafrost.
In diesen Umgebungen kommt Methanhydrat in Form von Schichten, Knötchen und intergranularen Zementen im Sediment vor. Die Ablagerungen sind oft so dicht und seitlich beständig, dass sie eine undurchlässige Schicht bilden, die Erdgas einfängt, das sich von unten nach oben bewegt.
Im Jahr 2008 schätzte der United States Geological Survey die gesamte unentdeckte Gashydratressource für das Gebiet Alaska North Slope. Sie schätzen, dass die gesamte unentdeckte Erdgasressource in Form von Gashydrat zwischen 25,2 und 157,8 Billionen Kubikfuß liegt. Da nur sehr wenige Bohrlöcher durch die Gashydratansammlungen gebohrt wurden, weisen die Schätzungen ein sehr hohes Maß an Unsicherheit auf.
USGS Gashydratlabor: Dieses Video nimmt Sie mit auf einen Besuch im USGS Gas Hydrates Lab, wo Forscher Experimente mit Proben von Gashydraten durchführen, die an polaren und kontinentalen Randgebieten gesammelt wurden. Sie erzeugen auch synthetische Gashydrate und führen Experimente durch, um ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften zu bestimmen.
Gashydrat gut: Ignik Sikumi # 1 Gashydratquelle auf der Alaska North Slope. Eine Bewertung der USGS-Gashydratressourcen ergab, dass die North Slope über eine umfangreiche Gashydratressource verfügt, die unterhalb des Permafrosts eingeschlossen ist. Energieministerium Foto.
Ignik Sikumi: Dieses Video nimmt Sie mit auf einen Besuch beim Ignik Sikumi-Feldversuch mit Gashydraten, einem Bohrloch auf der Alaskas North Slope, auf dem Erdgas aus Gashydraten unter Permafrost gewonnen wurde. Hier wurde das Methan freigesetzt, indem es durch Kohlendioxid ersetzt wurde - ohne das Gashydrat zu schmelzen.
Wo wird heute Methanhydrat hergestellt?
Bisher gab es keine großtechnische kommerzielle Methanproduktion aus Gashydratvorkommen. Die gesamte Produktion war entweder in kleinem Maßstab oder experimentell.
Anfang 2012 produzierte ein Gemeinschaftsprojekt zwischen den USA und Japan einen stetigen Methanfluss, indem Kohlendioxid in die Methanhydrat-Akkumulation injiziert wurde. Das Kohlendioxid ersetzte das Methan in der Hydratstruktur und setzte das Methan frei, um an die Oberfläche zu fließen. Dieser Test war signifikant, da er die Produktion von Methan ohne die mit einem Schmelzgashydrat verbundenen Instabilitäten ermöglichte.
Die wahrscheinlichsten Methanhydratablagerungen, die für die erste Entwicklung ausgewählt werden, weisen die folgenden Eigenschaften auf: 1) hohe Hydratkonzentrationen; 2) Reservoirgesteine mit hoher Permeabilität; und 3) Orte, an denen eine Infrastruktur vorhanden ist. Lagerstätten, die diese Eigenschaften erfüllen, werden sich wahrscheinlich auf der Nordsteigung von Alaska oder in Nordrussland befinden.
Ignik Sikumi: Dieses Video nimmt Sie mit auf einen Besuch beim Ignik Sikumi-Feldversuch mit Gashydraten, einem Bohrloch auf der Alaskas North Slope, auf dem Erdgas aus Gashydraten unter Permafrost gewonnen wurde. Hier wurde das Methan freigesetzt, indem es durch Kohlendioxid ersetzt wurde - ohne das Gashydrat zu schmelzen.
Gashydratschmelzen: Wenn Ölquellen durch hydrathaltige Sedimente gebohrt werden, kann die warme Temperatur des Öls, das durch die gefrorene Hydratzone aufsteigt, zum Schmelzen führen. Dies kann zum Versagen des Brunnens führen. Warme Rohrleitungen, die über gefrorenen Hydrataufschlüssen verlaufen, sind ebenfalls eine Gefahr. USGS-Bild.
Gefahren durch Methanhydrate
Methanhydrate sind empfindliche Sedimente. Sie können bei Temperaturanstieg oder Druckabfall schnell dissoziieren. Diese Dissoziation erzeugt freies Methan und Wasser. Die Umwandlung eines festen Sediments in Flüssigkeiten und Gase führt zu einem Verlust an Unterstützung und Scherfestigkeit. Diese können zum Absinken des U-Bootes, zu Erdrutschen oder zum Absinken führen, wodurch Produktionsanlagen und Rohrleitungen beschädigt werden können.
Methan ist ein starkes Treibhausgas. Bei wärmeren arktischen Temperaturen können Gashydrate unter dem Permafrost allmählich schmelzen. Erwärmung der Ozeane kann zu einem allmählichen Schmelzen der Gashydrate in der Nähe der Sediment-Wasser-Grenzfläche führen. Obwohl dies in vielen Nachrichtenberichten als potenzielle Katastrophe eingestuft wurde, hat die USGS-Forschung festgestellt, dass Gashydrate derzeit zum gesamten atmosphärischen Methan beitragen und dass ein katastrophales Schmelzen instabiler Hydratablagerungen wahrscheinlich keine großen Mengen an Methan in die Atmosphäre abgibt.
Enormes Potenzial
Obwohl sich Methanhydratansammlungen in schwierigen Umgebungen befinden und mit zahlreichen technischen Herausforderungen verbunden sind, sind sie weit verbreitet und die größte Kohlenwasserstoffquelle der Erde. Eine Vielzahl von Technologien könnte entwickelt werden, um sie unter Verwendung von Druckreduzierung, Ionenaustausch und anderen Prozessen herzustellen, die ihre einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften nutzen. In den USA, Kanada, Japan und Indien werden intensive Forschungsprogramme durchgeführt, um tragfähige Technologien zur Herstellung von Gashydraten zu finden. Methanhydrat wird wahrscheinlich eine wichtige Rolle in unserem zukünftigen Energiemix spielen.