Fonte: USGS
Metano clathrates sono limitato a basse litosfera (cioè < 2.000 m di profondità). Inoltre, le condizioni necessarie si trovano solo nelle rocce sedimentarie continentali nelle regioni polari dove la temperatura media superficiale è inferiore a 0 °C; o nei sedimenti oceanici a profondità d’acqua superiori a 300 m dove la temperatura dell’acqua di fondo è di circa 2 °C. Inoltre, laghi profondi di acqua dolce possono ospitare anche gas idrati, ad esempio il lago di acqua dolce Baikal, Siberia. Depositi continentali sono stati localizzati in Siberia e Alaska in letti di arenaria e siltstone a meno di 800 m di profondità. I depositi oceanici sembrano essere diffusi nella piattaforma continentale (vedi Fig.) e può verificarsi all’interno dei sedimenti in profondità o vicino all’interfaccia sedimento-acqua. Possono coprire depositi ancora più grandi di metano gassoso.
OceanicEdit
Esistono due tipi distinti di deposito oceanico. Il più comune è dominato (> 99%) dal metano contenuto in una struttura I clathrate e generalmente trovato in profondità nel sedimento. Qui, il metano è isotopicamente leggero (δ13C < -60‰), il che indica che è derivato dalla riduzione microbica di CO2. Si pensa che i clatrati in questi depositi profondi si siano formati in situ dal metano prodotto microbicamente, poiché i valori δ13C del clatrato e del metano disciolto circostante sono simili. Tuttavia, si pensa anche che l’acqua dolce utilizzata nella pressurizzazione di pozzi di petrolio e gas nel permafrost e lungo le piattaforme continentali in tutto il mondo si combini con il metano naturale per formare clatrato a profondità e pressione, poiché gli idrati di metano sono più stabili in acqua dolce che in acqua salata. Le variazioni locali possono essere molto comuni, poiché l’atto di formare l’idrato, che estrae l’acqua pura dalle acque di formazione salina, può spesso portare ad aumenti locali e potenzialmente significativi della salinità dell’acqua di formazione. Gli idrati normalmente escludono il sale nel fluido dei pori da cui si forma, quindi presentano un’elevata resistività elettrica proprio come il ghiaccio, e i sedimenti contenenti idrati hanno una resistività maggiore rispetto ai sedimenti senza idrati di gas (Giudice ).:9
Questi depositi si trovano all’interno di una zona di media profondità di circa 300-500 m di spessore nei sedimenti (la gas hydrate stability zone, o GHSZ) dove coesistono con il metano disciolto nelle acque poro fresche, non salate. Al di sopra di questa zona il metano è presente solo nella sua forma disciolta a concentrazioni che diminuiscono verso la superficie del sedimento. Sotto di esso, il metano è gassoso. A Blake Ridge sull’ascesa continentale atlantica, il GHSZ ha iniziato a 190 m di profondità e ha continuato a 450 m, dove ha raggiunto l’equilibrio con la fase gassosa. Le misurazioni hanno indicato che il metano occupava 0-9% in volume nel GHSZ e ~12% nella zona gassosa.
Nel secondo tipo meno comune trovato vicino alla superficie del sedimento alcuni campioni hanno una percentuale maggiore di idrocarburi a catena più lunga (< 99% metano) contenuti in una struttura II clatrato. Il carbonio di questo tipo di clatrato è isotopicamente più pesante (δ13C è da -29 a -57 ‰) e si pensa che sia migrato verso l’alto da sedimenti profondi, dove il metano è stato formato dalla decomposizione termica della materia organica. Esempi di questo tipo di deposito sono stati trovati nel Golfo del Messico e nel Mar Caspio.
Alcuni depositi hanno caratteristiche intermedie tra i tipi di origine microbica e termica e sono considerati formati da una miscela dei due.
Il metano nei gas idrati è generato prevalentemente da consorzi microbici che degradano la materia organica in ambienti a basso contenuto di ossigeno, con il metano stesso prodotto da archaea metanogenica. La materia organica nei pochi centimetri più alti dei sedimenti viene prima attaccata da batteri aerobici, generando CO2, che fuoriesce dai sedimenti nella colonna d’acqua. Al di sotto di questa regione di attività aerobica, i processi anaerobici prendono il sopravvento, tra cui, successivamente con profondità, la riduzione microbica di nitrito/nitrato, ossidi metallici e quindi i solfati vengono ridotti a solfuri. Infine, una volta esaurito il solfato, la metanogenesi diventa una via dominante per la remineralizzazione del carbonio organico.
Se la velocità di sedimentazione è bassa (circa 1 cm / anno), il contenuto di carbonio organico è basso (circa 1%) e l’ossigeno è abbondante, i batteri aerobici possono consumare tutta la materia organica nei sedimenti più velocemente dell’ossigeno, quindi non vengono utilizzati accettori di elettroni a bassa energia. Ma dove i tassi di sedimentazione e il contenuto di carbonio organico sono alti, che è tipicamente il caso sulle piattaforme continentali e sotto le zone di upwelling attuali del confine occidentale, l’acqua dei pori nei sedimenti diventa anossica a profondità di pochi centimetri o meno. In tali sedimenti marini ricchi di organici, il solfato diventa quindi il più importante accettore di elettroni terminali a causa della sua alta concentrazione nell’acqua di mare, sebbene anch’esso sia esaurito da una profondità di centimetri a metri. Sotto questo, viene prodotto metano. Questa produzione di metano è un processo piuttosto complicato, che richiede un ambiente altamente riducente (Eh -350 a -450 mV) e un pH compreso tra 6 e 8, nonché un complesso consorzio sintofico di diverse varietà di archaea e batteri, anche se è solo archaea che effettivamente emette metano.
In alcune regioni (ad es., Golfo del Messico, Bacino di Joetsu) il metano nei clatrati può derivare almeno parzialmente dalla degradazione termica della materia organica (ad esempio la generazione di petrolio), con l’olio che forma anche una componente esotica all’interno dell’idrato stesso che può essere recuperata quando l’idrato viene dissociato. Il metano nei clatrati ha tipicamente una firma isotopica biogenica e δ13C altamente variabile (da -40 a -100‰), con una media approssimativa di circa -65‰ . Sotto la zona dei clatrati solidi, grandi volumi di metano possono formare bolle di gas libero nei sedimenti.
La presenza di clatrati in un dato sito può spesso essere determinata dall’osservazione di un “riflettore simulante di fondo” (BSR), che è una riflessione sismica all’interfaccia della zona di stabilità del sedimento a clatrato causata dalle densità disuguali dei sedimenti normali e di quelli cuciti con clatrati.
I pingo idrati di gas sono stati scoperti negli oceani artici del mare di Barents. Il metano sta gorgogliando da queste strutture a cupola, con alcuni di questi razzi di gas che si estendono vicino alla superficie del mare.
Reservoir sizeEdit
La dimensione della oceanic clatrati di metano serbatoio è poco conosciuto, e stime delle sue dimensioni è diminuito da circa un ordine di grandezza per ogni decennio dal momento che è stato riconosciuto che clathrates potrebbe esistere negli oceani durante gli anni 1960 e 1970. Le stime più alte (ad esempio 3×1018 m3) si sono basati sul presupposto che completamente densa clathrates potrebbe lettiera per tutto il pavimento di oceano profondo. I miglioramenti nella nostra comprensione della chimica dei clatrati e della sedimentologia hanno rivelato che gli idrati si formano solo in una ristretta gamma di profondità (piattaforme continentali), solo in alcune posizioni nella gamma di profondità in cui potrebbero verificarsi (10-30% della zona di stabilità dell’idrato di gas) e in genere si trovano a basse concentrazioni (0,9–1,5% in volume) Stime recenti limitate dal campionamento diretto suggeriscono che l’inventario globale occupa tra 1×1015 e 5×1015 metri cubi (0,24 e 1,2 milioni di miglia cubiche). Questa stima, corrispondente a 500-2500 gigatonnellate di carbonio (Gt C), è inferiore alle 5000 Gt C stimate per tutte le altre riserve di combustibile geo-organico ma sostanzialmente più grande delle ~230 Gt C stimate per altre fonti di gas naturale. Il bacino del permafrost è stato stimato a circa 400 Gt C nell’Artico, ma non sono state fatte stime di possibili bacini antartici. Queste sono grandi quantità. In confronto, il carbonio totale nell’atmosfera è di circa 800 gigatoni (vedi Carbonio: Occorrenza).
Queste stime moderne sono notevolmente più piccole delle 10.000-11.000 Gt C (2×1016 m3) proposte dai ricercatori precedenti come motivo per considerare i clatrati come una risorsa di combustibile geo-organico (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Una minore abbondanza di clatrati non esclude il loro potenziale economico, ma un volume totale inferiore e una concentrazione apparentemente bassa nella maggior parte dei siti suggeriscono che solo una percentuale limitata di depositi di clatrati può fornire una risorsa economicamente valida.
ContinentalEdit
I clatrati di metano nelle rocce continentali sono intrappolati in letti di arenaria o siltstone a profondità inferiori a 800 m. Il campionamento indica che sono formati da una miscela di gas termicamente e microbicamente derivati da cui gli idrocarburi più pesanti sono stati successivamente rimossi selettivamente. Questi si verificano in Alaska, Siberia e Canada settentrionale.
Nel 2008, ricercatori canadesi e giapponesi hanno estratto un flusso costante di gas naturale da un progetto di test presso il sito di gas idrato di Mallik nel delta del fiume Mackenzie. Questa è stata la seconda perforazione del genere a Mallik: il primo ha avuto luogo nel 2002 e ha utilizzato il calore per rilasciare metano. Nell’esperimento del 2008, i ricercatori sono stati in grado di estrarre gas abbassando la pressione, senza riscaldamento, richiedendo significativamente meno energia. Il giacimento di gas idrato di Mallik fu scoperto per la prima volta da Imperial Oil nel 1971-1972.
Uso commercialeedit
I depositi economici di idrato sono chiamati idrato di gas naturale (NGH) e immagazzinano 164 m3 di metano, 0,8 m3 di acqua in 1 m3 di idrato. La maggior parte degli NGH si trova sotto il fondo marino (95%) dove esiste in equilibrio termodinamico. Il serbatoio sedimentario di idrato di metano contiene probabilmente 2-10 volte le riserve attualmente note di gas naturale convenzionale, a partire dal 2013. Ciò rappresenta una fonte futura potenzialmente importante di combustibile idrocarburico. Tuttavia, nella maggior parte dei siti si ritiene che i depositi siano troppo dispersi per l’estrazione economica. Altri problemi che devono affrontare lo sfruttamento commerciale sono l’individuazione di riserve vitali e lo sviluppo della tecnologia per l’estrazione del gas metano dai depositi di idrato.
Nell’agosto 2006, la Cina ha annunciato l’intenzione di spendere 800 milioni di yuan (US million 100 milioni) nei prossimi 10 anni per studiare gli idrati di gas naturale. Una riserva economica potenzialmente nel Golfo del Messico può contenere circa 100 miliardi di metri cubi (3,5×1012 cu ft) di gas. Bjørn Kvamme e Arne Graue dell’Istituto di Fisica e tecnologia dell’Università di Bergen hanno sviluppato un metodo per iniettare CO
2 in idrati e invertire il processo; estraendo così CH4 per scambio diretto. Il metodo dell’Università di Bergen viene testato sul campo da ConocoPhillips e dalla Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), di proprietà statale, e parzialmente finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Il progetto ha già raggiunto la fase di iniezione e stava analizzando i dati risultanti entro il 12 marzo 2012.
Il 12 marzo 2013, i ricercatori di JOGMEC hanno annunciato di aver estratto con successo il gas naturale dall’idrato di metano congelato. Per estrarre il gas, sono state utilizzate attrezzature specializzate per perforare e depressurizzare i depositi di idrato, causando la separazione del metano dal ghiaccio. Il gas è stato quindi raccolto e convogliato in superficie dove è stato acceso per dimostrare la sua presenza. Secondo un portavoce del settore ,” È il primo esperimento offshore al mondo che produce gas da idrato di metano”. In precedenza, il gas era stato estratto da depositi onshore, ma mai da depositi offshore che sono molto più comuni. Il campo di idrato da cui è stato estratto il gas si trova a 50 chilometri (31 miglia) dal Giappone centrale nella depressione di Nankai, a 300 metri (980 ft) sotto il mare. Un portavoce di JOGMEC ha osservato “Il Giappone potrebbe finalmente avere una fonte di energia da chiamare propria”. Il geologo marino Mikio Satoh ha osservato ” Ora sappiamo che l’estrazione è possibile. Il prossimo passo è vedere fino a che punto il Giappone può ridurre i costi per rendere la tecnologia economicamente sostenibile.”Il Giappone stima che ci siano almeno 1,1 trilioni di metri cubi di metano intrappolati nella depressione di Nankai, abbastanza per soddisfare le esigenze del paese per più di dieci anni.
Sia il Giappone che la Cina hanno annunciato a maggio 2017 una svolta per l’estrazione dei clatrati di metano, quando hanno estratto il metano dagli idrati nel Mar Cinese Meridionale. La Cina ha descritto il risultato come una svolta; Praveen Linga del Dipartimento di Ingegneria chimica e biomolecolare dell’Università Nazionale di Singapore ha concordato “Rispetto ai risultati che abbiamo visto dalla ricerca giapponese, gli scienziati cinesi sono riusciti a estrarre molto più gas nei loro sforzi”. Il consenso dell’industria è che la produzione su scala commerciale rimane lontana anni.
Preoccupazioni ambientalimodifica
Gli esperti avvertono che gli impatti ambientali sono ancora in fase di studio e che il metano—un gas serra con circa 25 volte il potenziale di riscaldamento globale in un periodo di 100 anni (GWP100) come anidride carbonica-potrebbe potenzialmente sfuggire nell’atmosfera se qualcosa va storto. Inoltre, mentre più pulito del carbone, la combustione del gas naturale crea anche emissioni di carbonio.