bron: USGS
Methaan clathrates zijn beperkt tot de ondiepe lithosfeer (d.w.z. < 2000 m diepte). Bovendien worden de noodzakelijke omstandigheden alleen gevonden in continentale sedimentaire rotsen in poolgebieden waar de gemiddelde oppervlaktetemperaturen lager zijn dan 0 °C, of in oceanisch sediment op waterdieptes van meer dan 300 m waar de bodemtemperatuur rond de 2 °C ligt.daarnaast kunnen diepe zoetwatermeren ook gashydraten bevatten, bijvoorbeeld het zoetwatermeer Baikal, Siberië. Continentale afzettingen bevinden zich in Siberië en Alaska in zandsteen-en siltsteenbeddingen op minder dan 800 m diepte. Oceanische afzettingen lijken wijdverbreid te zijn op het continentaal plat (zie Fig.) en kan voorkomen in de sedimenten op diepte of dicht bij het sediment-water raakvlak. Zij kunnen zelfs grotere afzettingen van gasvormig methaan afdekken.
OceanicEdit
Er zijn twee verschillende soorten oceanische afzetting. De meest voorkomende methaan wordt gedomineerd (> 99%) door methaan in een structuur I clathraat dat in het algemeen op diepte in het sediment wordt aangetroffen. Hier is het methaan isotopisch licht (δ13C < -60‰), wat aangeeft dat het is afgeleid van de microbiële reductie van CO2. De clathraten in deze diepe afzettingen worden verondersteld in situ te zijn gevormd uit het microbieel geproduceerde methaan, aangezien de δ13C-waarden van clathraatmet het omringende opgeloste methaan vergelijkbaar zijn. Er wordt echter ook gedacht dat zoet water dat wordt gebruikt bij het onder druk zetten van olie-en gasputten in permafrost en langs de continentale planken wereldwijd, gecombineerd wordt met natuurlijk methaan om clathraat te vormen op diepte en druk, aangezien methaanhydraten stabieler zijn in zoet water dan in zout water. Lokale variaties kunnen zeer gebruikelijk zijn, omdat de handeling van het vormen van hydraat, die zuiver water extraheert uit zoutvormende wateren, kan vaak leiden tot lokale, en potentieel significante, verhogingen van het zoutgehalte van het vormende water. Hydraten sluiten normaal het zout uit in de porievloeistof waaruit het ontstaat, dus vertonen ze een hoge elektrische weerstand net als ijs, en sedimenten die hydraten bevatten hebben een hogere weerstand in vergelijking met sedimenten zonder gashydraten (rechter ).:9
deze afzettingen bevinden zich in een mid-dieptezone van ongeveer 300-500 m dik in de sedimenten (de gashydraatstabiliteitszone, of GHSZ) waar zij samengaan met methaan dat is opgelost in het verse, niet het zout, poriewater. Boven deze zone is methaan alleen in opgeloste vorm aanwezig bij concentraties die naar het sedimentoppervlak afnemen. Daaronder is methaan gasvormig. Bij Blake Ridge op de Atlantic continental rise, begon de GHSZ op 190 m diepte en vervolgde tot 450 m, waar het evenwicht met de gasvormige fase bereikte. Uit metingen bleek dat methaan in de GHSZ 0-9 volumeprocent en in de gasvormige zone ~12% in beslag nam.
in het minder voorkomende tweede type dat nabij het sedimentoppervlak wordt aangetroffen, hebben sommige monsters een groter aandeel koolwaterstoffen met een langere keten (< 99% methaan) in een structuur II-clathraat. Koolstof uit dit type clathraat is isotopisch zwaarder (δ13C is -29 tot -57 ‰) en wordt verondersteld naar boven te zijn gemigreerd uit diepe sedimenten, waar methaan werd gevormd door thermische ontleding van organisch materiaal. Voorbeelden van dit soort afzetting zijn gevonden in de Golf van Mexico en de Kaspische Zee.
sommige afzettingen hebben kenmerken die tussen de microbieel en thermisch geproduceerde soorten liggen en worden geacht te zijn gevormd uit een mengsel van beide.
het methaan in gashydraten wordt voornamelijk gegenereerd door microbiële consortia die organisch materiaal afbreken in zuurstofarme omgevingen, waarbij het methaan zelf wordt geproduceerd door methanogene archaea. Organisch materiaal in de bovenste centimeters van sedimenten wordt eerst aangevallen door aërobe bacteriën, die CO2 genereren, die uit de sedimenten in de waterkolom ontsnapt. Onder dit gebied van aërobe activiteit, nemen anaërobe processen over, met inbegrip van, achtereenvolgens met diepte, de microbiële reductie van nitriet/nitraat, metaaloxiden, en dan sulfaten worden gereduceerd tot sulfiden. Tenslotte, zodra sulfaat is opgebruikt, methanogenese wordt een dominante weg voor organische koolstof remineralisatie.
als de sedimentatiesnelheid laag is (ongeveer 1 cm/jaar), het gehalte aan organische koolstof laag is (ongeveer 1%) en er veel zuurstof is, kunnen aërobe bacteriën alle organische stof in de sedimenten sneller verbruiken dan zuurstof is uitgeput, zodat elektron-acceptoren met lagere energie niet worden gebruikt. Maar waar sedimentatiesnelheden en het gehalte aan organische koolstof hoog zijn, wat typisch het geval is op continentale planken en onder de westelijke grens huidige upwelling zones, wordt het poriewater in de sedimenten anoxisch op dieptes van slechts een paar centimeter of minder. In dergelijke organische-rijke mariene sedimenten, sulfaat wordt dan de belangrijkste terminal elektronen acceptor als gevolg van de hoge concentratie in zeewater, hoewel ook het is uitgeput door een diepte van centimeters tot meters. Daaronder wordt methaan geproduceerd. Deze productie van methaan is een vrij ingewikkeld proces, waarbij een sterk reducerende omgeving (Eh -350 tot -450 mV) en een pH tussen 6 en 8 vereist is, evenals een complexe syntrofe consortia van verschillende variëteiten van archaea en bacteriën, hoewel het alleen archaea is die daadwerkelijk methaan uitstoten.
in sommige regio ‘ s (bijv., Golf van Mexico, Joetsu Basin) methaan in clathraten kan ten minste gedeeltelijk het gevolg zijn van thermische afbraak van organisch materiaal (bv. petroleumproductie), waarbij olie zelfs een exotisch bestanddeel vormt in het hydraat zelf dat kan worden teruggewonnen wanneer het hydraat wordt losgemaakt. Het methaan in clathraten heeft typisch een biogene isotopische signatuur en zeer variabel δ13C (-40 tot -100‰), met een gemiddeld gemiddelde van ongeveer -65‰ . Onder de zone van vaste clathraten kunnen grote hoeveelheden methaan bellen van vrij gas vormen in de sedimenten.
de aanwezigheid van clathraten op een bepaalde plaats kan vaak worden bepaald door observatie van een “bottom simulating reflector” (BSR), een seismische reflectie op het sediment om de stabiliteitszone te clathreren, veroorzaakt door de ongelijke dichtheden van normale sedimenten en die met clathraten.
gashydraat pingo ‘ s zijn ontdekt in de Barentszzee van de Arctische oceanen. Methaan borrelt uit deze koepelachtige structuren, met sommige van deze gasfakkels die zich dicht bij het zeeoppervlak uitstrekken.
Reservoir sizeEdit
De omvang van het oceanische methaan-clathraatreservoir is slecht bekend, en schattingen van de omvang ervan Namen per decennium met ongeveer een orde van grootte af Sinds voor het eerst werd erkend dat clathraten in de oceanen konden voorkomen in de jaren 1960 en 1970. de hoogste schattingen (bijvoorbeeld 3×1018 m3) waren gebaseerd op de veronderstelling dat volledig dichte clathraten de gehele bodem van de diepe oceaan konden strooien. Verbeteringen in ons begrip van clathraatchemie en sedimentologie hebben uitgewezen dat hydraten zich slechts vormen in een smalle reeks van diepten (continentale planken), op slechts enkele plaatsen in het bereik van diepten waar ze kunnen voorkomen (10-30% van de gashydraat stabiliteitszone), en meestal worden gevonden in lage concentraties (0,9–1,5% van het volume) op plaatsen waar ze wel voorkomen. Recente schattingen, beperkt door directe bemonstering, suggereren dat de mondiale inventaris tussen 1×1015 en 5×1015 kubieke meter (0,24 en 1,2 miljoen kubieke mijl) beslaat. Deze schatting, die overeenkomt met 500-2500 gigaton koolstof (Gt C), is kleiner dan de 5000 Gt C geschat voor alle andere geo-organische brandstofreserves, maar aanzienlijk groter dan de ~230 Gt C geschat voor andere aardgasbronnen. Het permafrost reservoir is geschat op ongeveer 400 Gt C in het Noordpoolgebied, maar er zijn geen schattingen gemaakt van mogelijke Antarctische reservoirs. Dit zijn grote hoeveelheden. Ter vergelijking, de totale koolstof in de atmosfeer is ongeveer 800 gigaton (zie koolstof: voorkomen).
Deze moderne schattingen zijn aanzienlijk kleiner dan de 10.000 tot 11.000 Gt C (2×1016 m3) die door eerdere onderzoekers werden voorgesteld als reden om clathrates als een geo-organische brandstofbron te beschouwen (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Lagere abundanties van clathrates sluiten hun economisch potentieel niet uit, maar een lager totaalvolume en ogenschijnlijk lage concentratie op de meeste locaties suggereert dat slechts een beperkt percentage van clathrates-afzettingen een economisch levensvatbare hulpbron kan bieden.
ContinentalEdit
Methaankathraten in continentaal gesteente worden op een diepte van minder dan 800 m gevangen in zandsteen-of siltsteenlagen. uit de bemonstering blijkt dat zij zijn gevormd uit een mengsel van thermisch en microbieel afgeleid gas waaruit de zwaardere koolwaterstoffen later selectief werden verwijderd. Deze komen voor in Alaska, Siberië en Noord-Canada.
in 2008 haalden Canadese en Japanse onderzoekers een constante stroom aardgas uit een testproject op de Gashydraatlocatie van Mallik in de Mackenzie River delta. Dit was de tweede dergelijke boren in Mallik: de eerste vond plaats in 2002 en gebruikte warmte om methaan vrij te geven. In het experiment van 2008 konden onderzoekers gas extraheren door de druk te verlagen, zonder te verwarmen, waardoor aanzienlijk minder energie nodig was. Het Gashydraatveld van Mallik werd voor het eerst ontdekt door Imperial Oil in 1971-1972.
Commercieel gebruikhet
economische afzettingen van hydraat worden aardgashydraat (NGH) genoemd en slaan 164 m3 methaan op, 0,8 m3 water in 1 m3 hydraat. Het meeste NGH wordt gevonden onder de zeebodem (95%) waar het voorkomt in thermodynamisch evenwicht. Het sedimentair methaanhydraat reservoir bevat waarschijnlijk 2-10 keer de momenteel bekende reserves van conventioneel aardgas, vanaf 2013. Dit is een potentieel belangrijke toekomstige bron van koolwaterstofbrandstof. In de meeste locaties worden de afzettingen echter te versnipperd geacht voor economische winning. Andere problemen waarmee commerciële exploitatie wordt geconfronteerd, zijn de opsporing van levensvatbare reserves en de ontwikkeling van de technologie voor de winning van methaangas uit de hydraatafzettingen.in augustus 2006 kondigde China plannen aan om de komende tien jaar 800 miljoen yuan (US$100 miljoen) te besteden aan de studie van aardgashydraten. Een potentieel economische reserve in de Golf van Mexico kan ongeveer 100 miljard kubieke meter (3,5×1012 cu ft) gas bevatten. Bjørn Kvamme en Arne Graue van het Instituut voor Fysica en technologie van de Universiteit van Bergen hebben een methode ontwikkeld voor het injecteren van CO 2 in hydraten en het omkeren van het proces, waarbij CH4 door directe uitwisseling wordt geëxtraheerd. De methode van de Universiteit van Bergen wordt in het veld getest door ConocoPhillips en staatseigendom Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), en gedeeltelijk gefinancierd door het Amerikaanse Ministerie van energie. Het project heeft de injectiefase al bereikt en analyseerde de resulterende gegevens tegen 12 maart 2012.op 12 maart 2013 maakten JOGMEC-onderzoekers bekend dat ze met succes aardgas hadden gewonnen uit bevroren methaanhydraat. Om het gas te extraheren, werd speciale apparatuur gebruikt om in de hydraatafzettingen te boren en de druk te verlagen, waardoor het methaan zich van het ijs scheidde. Het gas werd vervolgens opgevangen en naar de oppervlakte geleid waar het werd ontstoken om zijn aanwezigheid te bewijzen. Volgens een woordvoerder van de industrie, “het’ s werelds eerste offshore experiment produceren van gas uit methaanhydraat”. Voorheen werd gas gewonnen uit onshore-afzettingen, maar nooit uit offshore-afzettingen die veel vaker voorkomen. Het hydraatveld waaruit het gas werd gewonnen bevindt zich op 50 kilometer van Centraal Japan in de Nankai-trog, 300 meter onder zee. Een woordvoerder van JOGMEC merkte op “Japan kon eindelijk een energiebron te noemen zijn eigen”. Mariene geoloog Mikio Satoh merkte op :” Nu weten we dat extractie mogelijk is. De volgende stap is om te zien in hoeverre Japan de kosten kan verlagen om de technologie economisch levensvatbaar te maken.”Japan schat dat er minstens 1,1 biljoen kubieke meter methaan gevangen zit in de Nankai trog, genoeg om te voldoen aan de behoeften van het land voor meer dan tien jaar.zowel Japan als China kondigden in Mei 2017 een doorbraak aan voor de winning van methaanclathraten, toen zij methaan uit hydraten in de Zuid-Chinese Zee extraheerden. China beschreef het resultaat als een doorbraak; Praveen Linga van de afdeling chemische en Biomoleculaire Engineering van de Nationale Universiteit van Singapore overeengekomen “vergeleken met de resultaten die we hebben gezien van Japans onderzoek, de Chinese wetenschappers zijn erin geslaagd om veel meer gas te halen in hun inspanningen”. De industrie is het erover eens dat productie op commerciële schaal nog jaren weg is.deskundigen waarschuwen dat de milieueffecten nog steeds worden onderzocht en dat methaan—een broeikasgas met ongeveer 25 keer zoveel aardopwarmingsvermogen over een periode van 100 jaar (GWP100) als kooldioxide-potentieel in de atmosfeer kan ontsnappen als er iets misgaat. Bovendien veroorzaakt de verbranding van aardgas, hoewel schoner dan steenkool, ook koolstofuitstoot.