Fuente: USGS
Metano clathrates están restringidos a la poca litosfera (es decir, < 2,000 m de profundidad). Además, las condiciones necesarias solo se encuentran en rocas sedimentarias continentales en regiones polares donde la temperatura media de la superficie es inferior a 0 °C, o en sedimentos oceánicos a profundidades de agua superiores a 300 m donde la temperatura del agua del fondo es de alrededor de 2 °C. Además, los lagos de agua dulce profunda también pueden albergar hidratos de gas, por ejemplo, el lago de agua dulce Baikal, Siberia. Se han localizado depósitos continentales en Siberia y Alaska en lechos de arenisca y limolita a menos de 800 m de profundidad. Los depósitos oceánicos parecen estar muy extendidos en la plataforma continental (véase la Fig.) y puede ocurrir dentro de los sedimentos a profundidad o cerca de la interfaz sedimento-agua. Pueden contener depósitos aún más grandes de metano gaseoso.
OceanicEdit
Hay dos tipos distintos de oceanic depósito. El más común está dominado (> 99%) por el metano contenido en una estructura I clatrato y generalmente encontrado en profundidad en el sedimento. Aquí, el metano es isotópicamente ligero (δ13C < -60‰), lo que indica que se deriva de la reducción microbiana de CO2. Se cree que los clatratos en estos depósitos profundos se formaron in situ a partir del metano producido microbialmente, ya que los valores δ13C del clatrato y el metano disuelto circundante son similares. Sin embargo, también se cree que el agua dulce utilizada en la presurización de pozos de petróleo y gas en permafrost y a lo largo de las plataformas continentales de todo el mundo se combina con el metano natural para formar clatratos a profundidad y presión, ya que los hidratos de metano son más estables en el agua dulce que en el agua salada. Las variaciones locales pueden ser muy comunes, ya que el acto de formar hidrato, que extrae agua pura de aguas de formación salina, a menudo puede conducir a aumentos locales y potencialmente significativos en la salinidad del agua de formación. Los hidratos normalmente excluyen la sal en el fluido poroso del que se forma, por lo que exhiben una alta resistividad eléctrica al igual que el hielo, y los sedimentos que contienen hidratos tienen una resistividad más alta en comparación con los sedimentos sin hidratos de gas (Juez ).:9
Estos depósitos se encuentran dentro de una zona de profundidad media de alrededor de 300-500 m de espesor en los sedimentos (la zona de estabilidad de hidratos de gas, o GHSZ) donde coexisten con metano disuelto en las aguas porosas frescas, no salinas. Por encima de esta zona, el metano solo está presente en su forma disuelta en concentraciones que disminuyen hacia la superficie del sedimento. Por debajo, el metano es gaseoso. En Blake Ridge, en la elevación continental atlántica, el GHSZ comenzó a 190 m de profundidad y continuó a 450 m, donde alcanzó el equilibrio con la fase gaseosa. Las mediciones indicaron que el metano ocupaba 0-9% en volumen en la zona GHSZ, y ~12% en la zona gaseosa.
En el segundo tipo menos común encontrado cerca de la superficie del sedimento, algunas muestras tienen una proporción más alta de hidrocarburos de cadena más larga (< 99% de metano) contenidos en un clatrato de estructura II. El carbono de este tipo de clatrato es isotópicamente más pesado (δ13C es de -29 a -57‰) y se cree que ha migrado hacia arriba desde sedimentos profundos, donde el metano se formó por descomposición térmica de materia orgánica. Se han encontrado ejemplos de este tipo de yacimiento en el Golfo de México y el Mar Caspio.
Algunos depósitos tienen características intermedias entre los tipos de origen microbiano y térmico y se consideran formados a partir de una mezcla de los dos.
El metano en los hidratos de gas es generado predominantemente por consorcios microbianos que degradan la materia orgánica en ambientes de bajo oxígeno, con el metano en sí producido por arqueas metanogénicas. La materia orgánica en los pocos centímetros superiores de los sedimentos es atacada primero por bacterias aeróbicas, generando CO2, que escapa de los sedimentos hacia la columna de agua. Por debajo de esta región de actividad aeróbica, los procesos anaeróbicos toman el control, incluyendo, sucesivamente con la profundidad, la reducción microbiana de nitrito/nitrato, óxidos metálicos y luego los sulfatos se reducen a sulfuros. Finalmente, una vez que se agota el sulfato, la metanogénesis se convierte en una vía dominante para la remineralización del carbono orgánico.
Si la velocidad de sedimentación es baja (aproximadamente 1 cm / año ), el contenido de carbono orgánico es bajo (aproximadamente 1%) y el oxígeno es abundante, las bacterias aeróbicas pueden consumir toda la materia orgánica en los sedimentos más rápido que el oxígeno se agota, por lo que no se utilizan aceptores de electrones de menor energía. Pero donde las tasas de sedimentación y el contenido de carbono orgánico son altos, lo que es típicamente el caso en las plataformas continentales y debajo de las zonas de surgencia de corrientes del límite occidental, el agua de poros en los sedimentos se vuelve anóxica a profundidades de solo unos pocos centímetros o menos. En estos sedimentos marinos ricos en materia orgánica, el sulfato se convierte en el aceptor de electrones terminal más importante debido a su alta concentración en el agua de mar, aunque también se agota por una profundidad de centímetros a metros. Por debajo de esto, se produce metano. Esta producción de metano es un proceso bastante complicado, que requiere un entorno altamente reductor (Eh -350 a -450 mV) y un pH entre 6 y 8, así como un complejo consorcio sintrófico de diferentes variedades de arqueas y bacterias, aunque solo las arqueas emiten metano.
En algunas regiones (p. ej., Golfo de México, Cuenca de Joetsu) el metano de los clatratos puede derivarse, al menos en parte, de la degradación térmica de la materia orgánica (por ejemplo, la generación de petróleo), e incluso el aceite forma un componente exótico dentro del propio hidrato que puede recuperarse cuando el hidrato se disoció. El metano en clatratos típicamente tiene una firma isotópica biogénica y δ13C altamente variable (-40 a -100‰), con un promedio aproximado de alrededor de -65‰ . Por debajo de la zona de clatratos sólidos, grandes volúmenes de metano pueden formar burbujas de gas libre en los sedimentos.
La presencia de clatratos en un sitio determinado a menudo se puede determinar mediante la observación de un «reflector de simulación de fondo» (BSR), que es una reflexión sísmica en la interfaz de la zona de estabilidad de sedimentos a clatratos causada por densidades desiguales de sedimentos normales y aquellos mezclados con clatratos.
Se han descubierto pingos hidratos de gas en los océanos árticos del mar de Barents. El metano está burbujeando desde estas estructuras en forma de cúpula, con algunas de estas llamaradas de gas que se extienden cerca de la superficie del mar.
Tamaño del reservoeditar
El tamaño del reservorio de clatrato de metano oceánico es poco conocido, y las estimaciones de su tamaño disminuyeron aproximadamente un orden de magnitud por década desde que se reconoció por primera vez que los clatratos podían existir en los océanos durante los decenios de 1960 y 1970. Las estimaciones más altas (por ejemplo, 3×1018 m3) se basaron en la suposición de que los clatratos totalmente densos podían ensuciar todo el fondo del océano profundo. Las mejoras en nuestra comprensión de la química de clatratos y la sedimentología han revelado que los hidratos se forman solo en un rango estrecho de profundidades (plataformas continentales), solo en algunos lugares en el rango de profundidades donde podrían ocurrir (10-30% de la zona de estabilidad de hidratos de gas), y típicamente se encuentran en concentraciones bajas (0,9–1,5% en volumen) en los sitios donde ocurren. Estimaciones recientes limitadas por muestreo directo sugieren que el inventario mundial ocupa entre 1×1015 y 5×1015 metros cúbicos (0,24 y 1,2 millones de millas cúbicas). Esta estimación, correspondiente a 500-2500 gigatoneladas de carbono (Gt C), es menor que los 5000 Gt C estimados para todas las demás reservas de combustible geo-orgánico, pero sustancialmente mayor que los ~230 Gt C estimados para otras fuentes de gas natural. El embalse de permafrost se ha estimado en unos 400 Gt C en el Ártico, pero no se han hecho estimaciones de posibles embalses antárticos. Son grandes cantidades. En comparación, el carbono total en la atmósfera es de alrededor de 800 gigatoneladas (ver Carbono: Ocurrencia).
Estas estimaciones modernas son notablemente más pequeñas que los 10.000 a 11.000 Gt C (2×1016 m3) propuestos por investigadores anteriores como una razón para considerar a los clatratos como un recurso de combustible geo-orgánico (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Una menor abundancia de clatratos no descarta su potencial económico, pero un volumen total más bajo y una concentración aparentemente baja en la mayoría de los sitios sugiere que solo un porcentaje limitado de depósitos de clatratos puede proporcionar un recurso económicamente viable.
Continentaleditar
Los clatratos de metano de las rocas continentales están atrapados en lechos de arenisca o limolita a profundidades inferiores a 800 m. El muestreo indica que se forman a partir de una mezcla de gas derivado térmica y microbialmente del que los hidrocarburos más pesados se eliminaron posteriormente de forma selectiva. Estos ocurren en Alaska, Siberia y el norte de Canadá.
En 2008, investigadores canadienses y japoneses extrajeron un flujo constante de gas natural de un proyecto de prueba en el sitio de hidratos de gas Mallik en el delta del río Mackenzie. Esta fue la segunda perforación de este tipo en Mallik: la primera tuvo lugar en 2002 y utilizó calor para liberar metano. En el experimento de 2008, los investigadores pudieron extraer gas reduciendo la presión, sin calentamiento, requiriendo significativamente menos energía. El campo de hidratos de gas Mallik fue descubierto por primera vez por Imperial Oil en 1971-1972.
Uso comercialeditar
Los depósitos económicos de hidrato se denominan hidrato de gas natural (NGH) y almacenan 164 m3 de metano, 0,8 m3 de agua en 1 m3 de hidrato. La mayor parte de la NGH se encuentra debajo del fondo marino (95%) donde existe en equilibrio termodinámico. El depósito sedimentario de hidrato de metano probablemente contenga entre 2 y 10 veces las reservas conocidas de gas natural convencional, a partir de 2013. Esto representa una fuente potencialmente importante de combustible de hidrocarburos en el futuro. Sin embargo, en la mayoría de los sitios se cree que los depósitos están demasiado dispersos para la extracción económica. Otros problemas a los que se enfrenta la explotación comercial son la detección de reservas viables y el desarrollo de la tecnología para extraer gas metano de los depósitos de hidratos.
En agosto de 2006, China anunció planes para gastar 800 millones de yuanes (US 1 100 millones) en los próximos 10 años para estudiar los hidratos de gas natural. Una reserva potencialmente económica en el Golfo de México puede contener aproximadamente 100 mil millones de metros cúbicos (3,5×1012 pies cúbicos) de gas. Bjørn Kvamme y Arne Graue del Instituto de Física y Tecnología de la Universidad de Bergen han desarrollado un método para inyectar CO
2 en hidratos e invertir el proceso, extrayendo así CH4 por intercambio directo. El método de la Universidad de Bergen está siendo probado en el campo por ConocoPhillips y la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC), de propiedad estatal, y parcialmente financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El proyecto ya ha alcanzado la fase de inyección y estaba analizando los datos resultantes para el 12 de marzo de 2012.
El 12 de marzo de 2013, los investigadores de JOGMEC anunciaron que habían extraído gas natural con éxito del hidrato de metano congelado. Para extraer el gas, se utilizó equipo especializado para perforar y despresurizar los depósitos de hidrato, haciendo que el metano se separara del hielo. El gas se recogió y se canalizó a la superficie donde se encendió para probar su presencia. Según un portavoz de la industria ,» Es el primer experimento en alta mar del mundo que produce gas a partir de hidrato de metano». Anteriormente, el gas se había extraído de depósitos en tierra, pero nunca de depósitos en alta mar, que son mucho más comunes. El campo de hidratos del que se extrajo el gas se encuentra a 50 kilómetros (31 millas) del centro de Japón en la depresión de Nankai, a 300 metros (980 pies) bajo el mar. Un portavoz de JOGMEC comentó que «Japón finalmente podría tener una fuente de energía propia». El geólogo marino Mikio Satoh comentó: «Ahora sabemos que la extracción es posible. El siguiente paso es ver hasta qué punto Japón puede reducir los costos para hacer que la tecnología sea económicamente viable.»Japón estima que hay al menos 1,1 billones de metros cúbicos de metano atrapados en el canal de Nankai, lo suficiente para satisfacer las necesidades del país durante más de diez años.
Tanto Japón como China anunciaron en mayo de 2017 un gran avance para la minería de clatratos de metano, cuando extrajeron metano de hidratos en el mar del sur de China. China describió el resultado como un gran avance; Praveen Linga, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad Nacional de Singapur, estuvo de acuerdo en que «en comparación con los resultados que hemos visto en la investigación japonesa, los científicos chinos han logrado extraer mucho más gas en sus esfuerzos». El consenso de la industria es que la producción a escala comercial sigue a años de distancia.
Preocupaciones ambientaleseditar
Los expertos advierten que los impactos ambientales aún se están investigando y que el metano, un gas de efecto invernadero con aproximadamente 25 veces más potencial de calentamiento global en un período de 100 años (GWP100) que el dióxido de carbono, podría escapar a la atmósfera si algo sale mal. Además, aunque es más limpio que el carbón, la quema de gas natural también genera emisiones de carbono.