Quelle: USGS
Methanclathrate sind auf die flache Lithosphäre beschränkt (d. h. < 2.000 m Tiefe). Darüber hinaus finden sich die notwendigen Bedingungen nur in kontinentalen Sedimentgesteinen in Polarregionen mit durchschnittlichen Oberflächentemperaturen von weniger als 0 ° C. oder in ozeanischen Sedimenten in Wassertiefen von mehr als 300 m, wo die Grundwassertemperatur bei etwa 2 ° C liegt. Darüber hinaus können auch tiefe Süßwasserseen Gashydrate beherbergen, z. B. der Süßwassersee Baikalsee, Sibirien. Kontinentale Lagerstätten wurden in Sibirien und Alaska in Sandstein- und Schluffsteinbetten in weniger als 800 m Tiefe gefunden. Ozeanische Ablagerungen scheinen im Festlandsockel weit verbreitet zu sein (siehe Abb.) und kann innerhalb der Sedimente in der Tiefe oder nahe der Sediment-Wasser-Grenzfläche auftreten. Sie können sogar größere Ablagerungen von gasförmigem Methan enthalten.
OceanicEdit
Es gibt zwei verschiedene Arten von ozeanischen Ablagerungen. Am häufigsten wird dominiert (> 99%) von Methan, das in einer Struktur I Clathrat enthalten ist und im Allgemeinen in der Tiefe im Sediment vorkommt. Hier ist das Methan isotopisch leicht (δ13C < -60‰), was darauf hindeutet, dass es aus der mikrobiellen Reduktion von CO2 stammt. Es wird angenommen, dass sich die Clathrate in diesen tiefen Ablagerungen in situ aus dem mikrobiell erzeugten Methan gebildet haben, da die δ13C-Werte von Clathrat und umgebendem gelöstem Methan ähnlich sind. Es wird jedoch auch angenommen, dass sich Süßwasser, das bei der Druckbeaufschlagung von Öl- und Gasbohrungen im Permafrost und entlang der Festlandsockel weltweit verwendet wird, mit natürlichem Methan verbindet, um in Tiefe und Druck Clathrat zu bilden, da Methanhydrate in Süßwasser stabiler sind als in Salzwasser. Lokale Schwankungen können sehr häufig sein, da die Bildung von Hydrat, das reines Wasser aus salzhaltigen Formationsgewässern extrahiert, häufig zu lokalen und möglicherweise signifikanten Anstiegen des Salzgehalts des Formationswassers führen kann. Hydrate schließen normalerweise das Salz in der Porenflüssigkeit aus, aus der es sich bildet, daher weisen sie wie Eis einen hohen elektrischen Widerstand auf, und Sedimente, die Hydrate enthalten, haben einen höheren spezifischen Widerstand als Sedimente ohne Gashydrate (Richter ).:9
Diese Lagerstätten befinden sich in einer Zone mittlerer Tiefe von etwa 300-500 m Dicke in den Sedimenten (der Gashydratstabilitätszone oder GHSZ), wo sie mit Methan koexistieren, das in den frischen, nicht salzigen Porengewässern gelöst ist. Oberhalb dieser Zone liegt Methan nur in gelöster Form in Konzentrationen vor, die zur Sedimentoberfläche hin abnehmen. Darunter ist Methan gasförmig. Am Blake Ridge am atlantischen Kontinentalanstieg begann das GHSZ in 190 m Tiefe und setzte sich bis 450 m fort, wo es das Gleichgewicht mit der Gasphase erreichte. Messungen zeigten, dass Methan in der GHSZ 0-9 Vol.-% und in der gasförmigen Zone ~ 12% einnahm.
In der weniger verbreiteten zweiten Art, die in der Nähe der Sedimentoberfläche gefunden wurde, haben einige Proben einen höheren Anteil an längerkettigen Kohlenwasserstoffen (< 99% Methan) in einer Struktur II Clathrat enthalten. Kohlenstoff aus dieser Art von Clathrat ist isotopisch schwerer (δ13C ist -29 bis -57 ‰) und es wird angenommen, dass er aus tiefen Sedimenten nach oben gewandert ist, wo Methan durch thermische Zersetzung organischer Stoffe gebildet wurde. Beispiele für diese Art von Lagerstätten wurden im Golf von Mexiko und im Kaspischen Meer gefunden.
Einige Ablagerungen weisen Eigenschaften auf, die zwischen den mikrobiell und thermisch gewonnenen Typen liegen, und werden als aus einer Mischung der beiden gebildet angesehen.
Das Methan in Gashydraten wird überwiegend von mikrobiellen Konsortien erzeugt, die organische Stoffe in sauerstoffarmen Umgebungen abbauen, wobei das Methan selbst von methanogenen Archaeen produziert wird. Organische Stoffe in den obersten Zentimetern der Sedimente werden zunächst von aeroben Bakterien angegriffen und erzeugen CO2, das aus den Sedimenten in die Wassersäule entweicht. Unterhalb dieses aeroben Aktivitätsbereichs übernehmen anaerobe Prozesse, darunter sukzessive mit zunehmender Tiefe die mikrobielle Reduktion von Nitrit / Nitrat, Metalloxiden und dann die Reduktion von Sulfaten zu Sulfiden. Sobald Sulfat aufgebraucht ist, wird die Methanogenese schließlich zu einem dominanten Weg für die Remineralisierung von organischem Kohlenstoff.
Wenn die Sedimentationsrate niedrig ist (etwa 1 cm / Jahr), der Gehalt an organischem Kohlenstoff niedrig ist (etwa 1% ) und Sauerstoff reichlich vorhanden ist, können aerobe Bakterien die gesamte organische Substanz in den Sedimenten schneller verbrauchen als Sauerstoff ist erschöpft, so dass Elektronenakzeptoren mit niedrigerer Energie nicht verwendet werden. Aber wo Sedimentationsraten und der Gehalt an organischem Kohlenstoff hoch sind, was typischerweise auf Festlandsockeln und unterhalb westlicher Grenzstromauftriebszonen der Fall ist, Das Porenwasser in den Sedimenten wird in Tiefen von nur wenigen Zentimetern oder weniger anoxisch. In solchen organisch reichen marinen Sedimenten wird Sulfat dann aufgrund seiner hohen Konzentration im Meerwasser zum wichtigsten terminalen Elektronenakzeptor, obwohl auch es um eine Tiefe von Zentimetern bis Metern abgereichert ist. Darunter wird Methan produziert. Diese Produktion von Methan ist ein ziemlich komplizierter Prozess, der eine stark reduzierende Umgebung (Eh -350 bis -450 mV) und einen pH-Wert zwischen 6 und 8 sowie komplexe syntrophe Konsortien verschiedener Arten von Archaeen und Bakterien erfordert, obwohl nur Archaeen tatsächlich Methan emittieren.
In einigen Regionen (z., Golf von Mexiko, Joetsu-Becken) Methan in Clathraten kann zumindest teilweise aus dem thermischen Abbau organischer Stoffe (z. B. Erdölgewinnung) stammen, wobei Öl sogar eine exotische Komponente innerhalb des Hydrats selbst bildet, die bei der Trennung des Hydrats zurückgewonnen werden kann. Das Methan in Clathraten hat typischerweise eine biogene Isotopensignatur und ein sehr variables δ13C (-40 bis -100 ‰) mit einem ungefähren Durchschnitt von etwa -65 ‰ . Unterhalb der Zone fester Clathrate können große Mengen Methan in den Sedimenten Blasen aus freiem Gas bilden.
Das Vorhandensein von Clathraten an einer bestimmten Stelle kann oft durch Beobachtung eines „Bottom Simulating Reflector“ (BSR) bestimmt werden, einer seismischen Reflexion an der Grenzfläche von Sediment zu Clathrat-Stabilitätszone, die durch die ungleichen Dichten normaler Sedimente und solcher mit Clathraten verursacht wird.
Gashydrat-Pingos wurden in der Barentssee des arktischen Ozeans entdeckt. Methan sprudelt aus diesen kuppelartigen Strukturen, wobei sich einige dieser Gasfackeln nahe der Meeresoberfläche erstrecken.
Reservoir sizeEdit
Die Größe des ozeanischen Methan-Clathrat-Reservoirs ist wenig bekannt, und Schätzungen seiner Größe nahmen um ungefähr eine Größenordnung pro Jahrzehnt ab, seit erstmals erkannt wurde, dass Clathrate in den 1960er und 1970er Jahren in den Ozeanen existieren könnten. Die höchsten Schätzungen (z. B. 3 × 1018 m3) basierten auf der Annahme, dass vollständig dichte Clathrate den gesamten Boden des tiefen Ozeans verunreinigen könnten. Verbesserungen in unserem Verständnis der Clathratchemie und Sedimentologie haben gezeigt, dass sich Hydrate nur in einem engen Tiefenbereich (Kontinentalschelfe) bilden, nur an einigen Stellen im Tiefenbereich, an denen sie auftreten könnten (10-30% der Gashydratstabilitätszone) und typischerweise in niedrigen Konzentrationen (0,9–1,5 Volumenprozent) an Orten, an denen sie auftreten. Jüngste Schätzungen, die durch direkte Probenahmen eingeschränkt wurden, legen nahe, dass das globale Inventar zwischen 1 × 1015 und 5 × 1015 Kubikmetern (0,24 und 1,2 Millionen Kubikmeilen) liegt. Diese Schätzung, die 500-2500 Gigatonnen Kohlenstoff (Gt C) entspricht, ist kleiner als die 5000 Gt C, die für alle anderen geo-organischen Brennstoffreserven geschätzt werden, aber wesentlich größer als die ~ 230 Gt C, die für andere Erdgasquellen geschätzt werden. Das Permafrostreservoir wurde auf etwa 400 Gt C in der Arktis geschätzt, aber es wurden keine Schätzungen über mögliche antarktische Reservoirs gemacht. Dies sind große Mengen. Im Vergleich dazu beträgt der Gesamtkohlenstoff in der Atmosphäre etwa 800 Gigatonnen (siehe Kohlenstoff: Vorkommen).
Diese modernen Schätzungen sind deutlich kleiner als die 10.000 bis 11.000 Gt C (2 × 1016 m3), die von früheren Forschern vorgeschlagen wurden, um Clathrate als geoorganische Kraftstoffressource zu betrachten (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Geringere Häufigkeiten von Clathraten schließen ihr wirtschaftliches Potenzial nicht aus, Aber ein geringeres Gesamtvolumen und eine scheinbar geringe Konzentration an den meisten Standorten deuten darauf hin, dass nur ein begrenzter Prozentsatz der Clathratlagerstätten eine wirtschaftlich tragfähige Ressource darstellen kann.
ContinentalEdit
Methanclathrate in Kontinentalgesteinen werden in Sandstein- oder Schluffsteinbetten in Tiefen von weniger als 800 m eingeschlossen. Probenahmen zeigen, dass sie aus einer Mischung von thermisch und mikrobiell abgeleitetem Gas gebildet werden, aus dem die schwereren Kohlenwasserstoffe später selektiv entfernt wurden. Diese kommen in Alaska, Sibirien und Nordkanada vor.
Im Jahr 2008 förderten kanadische und japanische Forscher einen konstanten Erdgasstrom aus einem Testprojekt am Gashydratstandort Mallik im Mackenzie River Delta. Dies war die zweite derartige Bohrung in Mallik: die erste fand 2002 statt und nutzte Wärme, um Methan freizusetzen. Im Experiment 2008 konnten die Forscher Gas extrahieren, indem sie den Druck senkten, ohne zu heizen, was deutlich weniger Energie erforderte. Das Gashydratfeld Mallik wurde erstmals 1971-1972 von Imperial Oil entdeckt.
Kommerzielle NutzungBearbeiten
Wirtschaftliche Hydratvorkommen werden als Erdgashydrat (NGH) bezeichnet und speichern 164 m3 Methan, 0,8 m3 Wasser in 1 m3 Hydrat. Das meiste NGH befindet sich unter dem Meeresboden (95%), wo es im thermodynamischen Gleichgewicht existiert. Das sedimentäre Methanhydratreservoir enthält wahrscheinlich das 2-10-fache der derzeit bekannten Reserven an konventionellem Erdgas (Stand 2013). Dies stellt eine potenziell wichtige zukünftige Quelle für Kohlenwasserstoffkraftstoff dar. Es wird jedoch angenommen, dass die Lagerstätten an den meisten Standorten für eine wirtschaftliche Gewinnung zu weit verstreut sind. Weitere Probleme bei der kommerziellen Nutzung sind der Nachweis lebensfähiger Reserven und die Entwicklung der Technologie zur Gewinnung von Methangas aus den Hydratlagerstätten.Im August 2006 kündigte China an, in den nächsten 10 Jahren 800 Millionen Yuan (100 Millionen US-Dollar) für die Untersuchung von Erdgashydraten auszugeben. Eine potenziell wirtschaftliche Reserve im Golf von Mexiko könnte etwa 100 Milliarden Kubikmeter (3,5 × 1012 cu ft) Gas enthalten. Bjørn Kvamme und Arne Graue vom Institut für Physik und Technologie der Universität Bergen haben eine Methode entwickelt, um CO
2 in Hydrate zu injizieren und den Prozess umzukehren; Dadurch wird CH4 durch direkten Austausch extrahiert. Die Methode der Universität Bergen wird von ConocoPhillips und der staatlichen Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) getestet und teilweise vom US-Energieministerium finanziert. Das Projekt hat bereits die Injektionsphase erreicht und analysierte die resultierenden Daten bis zum 12.März 2012.Am 12.März 2013 gaben JOGMEC-Forscher bekannt, dass sie erfolgreich Erdgas aus gefrorenem Methanhydrat gewonnen haben. Um das Gas zu extrahieren, wurden spezielle Geräte verwendet, um die Hydratablagerungen zu bohren und Druck abzubauen, wodurch sich das Methan vom Eis trennte. Das Gas wurde dann gesammelt und an die Oberfläche geleitet, wo es gezündet wurde, um seine Anwesenheit zu beweisen. Laut einem Sprecher der Branche „Ist es das weltweit erste Offshore-Experiment, bei dem Gas aus Methanhydrat gewonnen wird“. Bisher wurde Gas aus Onshore-Lagerstätten gewonnen, aber nie aus Offshore-Lagerstätten, die viel häufiger vorkommen. Das Hydratfeld, aus dem das Gas gewonnen wurde, befindet sich 50 Kilometer (31 Meilen) von Zentraljapan entfernt im Nankai-Trog, 300 Meter (980 Fuß) unter dem Meer. Ein Sprecher von JOGMEC bemerkte: „Japan könnte endlich eine Energiequelle haben, die es sein eigen nennen kann“. Der Meeresgeologe Mikio Satoh bemerkte: „Jetzt wissen wir, dass die Extraktion möglich ist. Der nächste Schritt ist zu sehen, wie weit Japan die Kosten senken kann, um die Technologie wirtschaftlich rentabel zu machen.“ Japan schätzt, dass im Nankai-Trog mindestens 1,1 Billionen Kubikmeter Methan eingeschlossen sind, genug, um den Bedarf des Landes für mehr als zehn Jahre zu decken.
Sowohl Japan als auch China kündigten im Mai 2017 einen Durchbruch beim Abbau von Methanclathraten an, als sie Methan aus Hydraten im Südchinesischen Meer extrahierten. China bezeichnete das Ergebnis als Durchbruch; Praveen Linga vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering der National University of Singapore stimmte zu: „Verglichen mit den Ergebnissen der japanischen Forschung ist es den chinesischen Wissenschaftlern gelungen, bei ihren Bemühungen viel mehr Gas zu gewinnen“. Branchenkonsens ist, dass die Produktion im kommerziellen Maßstab noch Jahre entfernt ist.
Umweltbedenkenbearbeiten
Experten warnen davor, dass Umweltauswirkungen noch untersucht werden und dass Methan — ein Treibhausgas mit rund 25-mal so viel Treibhauspotenzial über einen Zeitraum von 100 Jahren (GWP100) wie Kohlendioxid — möglicherweise in die Atmosphäre entweichen könnte, wenn etwas schief geht. Die Verbrennung von Erdgas ist zwar sauberer als Kohle, verursacht jedoch auch Kohlenstoffemissionen.