Bir metan hidrat (ya da klatratı arasında metan ) bir ana bileşiği, bir organik deniz dibi, bazı doğal olarak mevcut karasal pistleri ve sürekli donmuş ve kutup bölgelerinde .
Bu hidratların oluşumu gezegensel karbon yutaklarından biridir , ancak sıcaklıkları belirli bir eşiği aştığında çok kararsızdırlar.
Metan hidratlar, petrolün yerini alacak potansiyel bir fosil yakıt kaynağıdır ; özellikle deniz tabanında büyük miktarlarda bulundukları bilinmektedir , ancak bunlardan yararlanmaları zordur. İki güçlü sera gazı olan doğrudan veya dolaylı bir karbondioksit kaynağı olmaya devam ediyorlar .
Halk arasında "yanan buz" veya "metan buzu" olarak adlandırılan bu buzlu bileşik, oksijen veya bir oksidan varlığında erir erimez yanıcıdır . Moleküler düzeyde, bir metan klatrat aslında , nispeten yeni organik maddenin (petrol ve doğal gaz üreten maddeye kıyasla) ayrışmasından kaynaklanan metan'ın a priori tutulduğu ince bir buz "kafesinden" oluşur . ve anaerobik ve metanojenik mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir .
Doğal gazın üretimi sırasında başka hidratlar da oluşabilmektedir ( etan ve propan ). Hidrokarbon molekülünün uzunluğu arttıkça ( bütan , pentan , vb. ), oluşan hidratlar daha az kararlıdır.
Doğal gazın hidratları ( bir doğal gaz hidratı veya NGH İngilizce) daha düşük bir basınca göre (karakterizedir 25 megapaskal , 1/170 sıkıştırma) ve daha yüksek bir sıcaklık ( 0 ° C ) azaltılmış sıvılaştırılmış doğal gaz ( sıvılaştırılmış doğal gaz , LNG) ya da doğal gaz araçlar için ( sıkıştırılmış doğal gaz , CNG, sıkıştırılmış doğal gaz).
İçinde Temmuz 1996Bölgesi Büyük Okyanus , araştırma gemisi RV Sonne 785 derinlikten yükselirken, m , 500 kg metan hidrat.
Metan hidrat, metan veya hidrojen sülfür (her ikisi de Sonne gemisi tarafından getirilen hidratta bulunan gazlar) gibi gaz moleküllerini yakalayan kafesler oluşturan su moleküllerinden oluşur . Bu kafesler (örneğin 164 gazın önemli miktarlarda saklayabilir cm 3 1 metan cm 3 hidrat).
Spesifik olarak, yapısında metan hidrat tekabül temel yapısı tip I ve gaz klatrat yapıları (in) : bu yapı, (aynı zamanda yapı-Weaire Phelan ) iki küçük kafesleri ve altı kafes daha büyük bir boyut aşağıdakileri içerir:
Bu köşelerden bazıları iki veya daha fazla kafes için ortak olduğundan, metan hidratın temel yapısının toplam su molekülü sayısı sadece 46 moleküldür (184 yerine).
Metan hidratlar yüksek basınçta ve düşük sıcaklıkta kararlıdır ("kararlılık koşulları" eğrisine bakın; büyüklük sırası: 0 °C'de 35 bar ).
Bununla birlikte, bir hidrat olarak metan, aynı gazı sıvılaştırmak için gerekenden daha yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda katıdır; bu nedenle, saf sudaki saf metan , 4 °C'de ( maksimum su yoğunluğu ) tatlı suda yaklaşık 380 m'den , 35 g/l' de tuzlu suda yaklaşık 440 m'den hidratlar oluşturur ; Karşılaştırma için, metan sıvılaştıkça de -161,5 ° C ( 111.6 K ). Su buzu, metan için katı halde stabilize eden bir tür moleküler sünger işlevini yerine getirir. Bu nedenle, metan hidratların, Dünya'da doğal olarak karşılaşılan sıcaklık ve basınç koşulları altında, daha doğrusu bir yandan soğuk bölgelerin kara yüzeyinin altında, diğer yandan okyanus altında oluşması muhtemeldir.
Tuzun varlığı ( klorür iyonu Cl - ' nin etkisi ) hidrat oluşumunu biraz daha zorlaştırır.
Metan ailesinin diğer gazları (propan, bütan vb.), daha yüksek basınçlarda su ile hidratlar oluşturmaya yatkındır.
Metan hidratların yok olma kinetiği (hızı) düşüktür . Açıkça laboratuvar koşullarında hidrat bloklarının fotoğraflarını görmemizin nedeni budur.
Hidratların yoğunluğu sudan daha düşük olduğundan, okyanusların içinde hidrat yoktur, yüzeydeki basınç onları stabilize etmek için çok düşüktür. Bu nedenle her zaman altta sabitlenirler.
Metan hidrat, düşük sıcaklık ve yüksek basınçta kararlıdır. Kıtalarda, yerin sıcaklığı yeterince soğuksa, büyük derinliklerde basınçtaki artış, hidratın stabilitesini destekler. Bu etki, jeotermal gradyan ile rekabet eder; derinlikle artan sıcaklık hidrat oluşumunu engeller. Bu hidratlar bu nedenle çeşitli derinliklerde stabildir. Kara yüzeylerinde, soğuk bölgelerde, permafrost yüzeyinin altında, örneğin tipik olarak permafrost'un 100 ila 1600 m altında hidrat stabilite koşullarıyla karşılaşılması muhtemeldir .
Denizde basınç, derinlikle artar, sıcaklık büyük derinliklerde esasen sabit kalır. Ancak, hidratların yoğunluğu sudan daha düşük olduğu için, bu hidratların depolanabileceği yer sadece diptedir. Ayrıca deniz tabanının altında, jeotermal gradyan, büyük derinliklere doğru hidrat oluşumunu destekler ve örneğin deniz tabanının 800 m altına kadar hidrat stabilite bölgesinin genişlemesini sınırlar .
Keşfedilen hidratların çoğunun kıta kenarlarında yer aldığı görülüyor. Derin deniz tabanının altındaki hidratların kıtlığı, metan kaynaklarının kararlı olacağı bu yerlerdeki kıtlığından kaynaklanıyor gibi görünüyor.
Sonuç olarak, metan hidratlarla çok farklı iki ortamda karşılaşılır.
Metan, derin okyanus çökellerinde ve kıtasal yamaçlarda birkaç yüz metre derinlikte metan hidratları olarak depolanır .
Metan hidratlar ayrıca Avrasya ve Amerika'nın dairesel kutup bölgelerindeki permafrostta bulunur .
1970'lerdeki ilk tahminlerden bu yana, okyanus rezervuarındaki metan hidrat miktarı aşağı doğru revize edildi, ancak önemli düzeyde kaldı. Bir tahmine göre, bu miktar, yaklaşık 1 ila 5 x 10 olacaktır 15 m 3 10 x gaz ya da 0.5 ve 2.5 12 karbon ton. Kıtasal rezervuardaki metan hidratların miktarı daha az bilinmektedir. Daha küçük bir yüzey (10 milyon km 2 ) sürekli donmuş tarafından işgal bu okyanus rezervuar daha az olduğunu göstermektedir . CNRS'den Florent Dominé'ye göre, permafrost gezegendeki en büyük kıtasal karbon rezervuarıdır: Son buzullaşmadan bu yana orada 1,7 × 10 12 ton bitki kaynaklı karbon birikmiştir; bu, atmosferin şu anda içerdiğinden iki kat daha fazla karbon.
Karşılaştırma ile, 2005 bilinen petrol rezervleri x 10 yaklaşık 2 olan 11 m 3 (makalesine bakın yağ rezervine ).
Metan hidratlar ve daha genel olarak hidrokarbonlar, gaz boru hatlarında, özellikle su altında birçok olayın nedenidir. Hidrat stabilite koşulları yerel olarak karşılandığında, taşınan sıvının katılaşmasının etkisi altında borular tıkanır .
Metan hidrat rezervleri o kadar büyük ki birçok petrol şirketi bununla ilgileniyor. Ancak bu bileşiğin geri kazanılması zor ve pahalı, hatta gezegen iklimi için tehlikeli ve çıkarılmasındaki teknik zorluklar şu anda çözülmekten uzak görünüyor.
Sonra Fukuşima nükleer kaza , Japonya yeni enerji kaynakları korkunç ihtiyacı olduğunu. Hükümet, Japonya'nın potansiyel denizaltı kaynağını belirlemeyi ve nitelendirmeyi amaçlayan bir araştırma programı (2001-2008) başlattı, ardından yedi yıllık bir plan ("deniz enerjisi ve deniz kaynaklarının sömürülmesi programı »),Mart 2009. Önemli kaynakların tespit edildiği ülkenin güneyindeki Nankai çukuru yakınında 2012 ve 2014 için iki test çıkarımı planlanıyor . İki haftalık stabilize mahsul yerinde testi ,Mart 2013.
Batı Sibirya'da metan hidratların stabilite sınırında bulunan küçük bir sığ gaz alanı olan Messoyakha'da metan hidratlardan yararlanılmıştır. Sonuç olarak, alt kısmı “normal” bir gaz alanıydı (kumda serbest gaz), üst kısmı ise hidratlarla doluydu. Geleneksel gazın kullanılması, basıncı azalttı ve metanın daha sonra kullanılabileceği hidratları kararsızlaştırdı.
Üreticiler, tamamen kurtarmak için denizde hidrat dekompresyon yöntemlerini test etmelidir. Japon JOGMEC'in projelerinden biridir.
2008 yazında Kiel'deki Leibniz Deniz Bilimleri Enstitüsü tarafından başlatılan SUGAR ( Submarine Gashydrat-Lagerstätten'in kısaltması : Erkundung, Abbau und Transport ) adlı bir Alman projesi , federal ekonomi ve teknoloji (BMWi) ve eğitim ve araştırma (BMBF) bakanlıklarının gözetiminde, 30 ekonomik ve bilimsel ortağın desteği ve yaklaşık 13 milyon d 'euro'luk bir başlangıç bütçesi ile deniz metan ve yerinde CO 2 depolamak termik santrallerin veya diğer endüstriyel tesislerin çıkışında yakalanan.
Bir NGH tedarik sisteminin su geçirmezliğinin hidrat yataklarının işletilmesinde değil, açık deniz doğal gaz alanlarının işletilmesi çerçevesinde mümkün olduğunu göstermek amacıyla 2001'den beri Japon ve Amerikan çalışmaları yürütülmektedir (çünkü bu, ancak endüstriyel ölçekli bir tedarik çerçevesi içinde etkin bir şekilde yürütülebilmiştir ).
Bu amaçla yürütülen fizibilite çalışmaları, bu nedenle, sentetik metan hidrat üretim tekniklerine dayalı NGH tedarik sistemlerinin kullanılmasının, orta büyüklükteki doğal gaz alanlarının rasyonel bir şekilde işletilmesi çerçevesinde karlı olduğunu ve daha az önemli olduğunu göstermiştir: doğal kaynakların sömürülmesi. gaz alanları tanımı gereği gaz sıvılaştırma teknolojilerine çok önemli bir yatırım içerir . Bir sıvılaştırma ünitesi inşa etme ve işletmeye almanın temel yatırımı ve maliyeti, küçük ve orta ölçekli yatakların işletilmesini ekonomik olarak uygunsuz hale getirir.
Metan hidratların kullanımı deniz tabanı ile sınırlı değildir. Gerçekten de metan hidratlar, metanın nispeten uzun mesafelerde taşınması için iyi bir alternatiftir. Böylece metan hidratlar sayesinde sıvılaştırılmış doğal gazın tehlikeli taşınması veya gaz boru hatlarının inşası azaltılmış olacaktır .
Ek olarak, hidratların tekneyle taşınması, sıvılaştırılmış doğal gazınkinden daha az enerji maliyetine sahip olabilir, çünkü sıcaklık ve basınç koşullarının sürdürülmesi, mevcut LNG taşıyıcılarına göre daha az zor olacaktır . Tersine , yükün ağırlığına göre taşınan nihai serbest gaz miktarı, taşıma maliyeti açısından hidratların zararınadır.
Mesafesi az 6000 kalırsa km , NGH dağıtım sistemi daha sonra klasik LNG'nin daha az pahalı hale gelir. Üretim ve yeniden gazlaştırma, NGH ile zaten daha ucuz olduğundan ve daha az yatırım gerektirdiğinden, buradaki sistem, doğal gazı sıvılaştırarak geleneksel sıkıştırma sistemine göre üstünlüğünü gösterir.
Doğal Gaz Hidratı (NGH) | Sıvılaştırılmış Doğal Gaz (LNG) | |
---|---|---|
Taşıma ve depolama modları | Sağlam | Sıvı |
Taşıma sıcaklığı | -20 °C | -162 ° C |
Yoğunluk | 0.85 - 0.95 | 0,42 - 0,47 |
1 m 3 ürün içeriği | 170 m 3 , CH 4 ve 0.8 m 3 H 2 O | 600 m 3 , CH 4 |
(yani katı hidrat içinde kütlece %13.2 metan).
Büyüklük sıralaması düzeltmek için, bir gaz silindiri bütan veya propan adlandırılan "13 dağıtmak için kullanılan kg (yaklaşık 4.8 ihtiva eden" m 3 arasında bütan gazı normal sıcaklık ve basınçta), yalnızca bir hacme sahip 30 litre.. Bu hacim (bu paragrafta tüm veriler yuvarlak ve hiçbir güvenlik mesafesi olarak kabul edilir) 14 taşıyacak kg metanın -161 ° C de 1 bar [0.465 yoğunluğu] (ya da -100 ° C'de ve 30 bar). Aynı şişe , 35 bar ve 0 °C'de 27 kg metan hidrat veya 3,6 kg saf metan içerecektir . Bu son koşullar karikatürize bir şekilde “buzdolabındaki bir gaz silindiri” olarak tanımlanabilir; yani endüstriyel olarak elde edilmesi nispeten kolay koşullar altında. İkinci durumda, şişe , gazla bir hidrat oluşturmak için 3,6 kg metan'a ek olarak , yaklaşık 23 kg su içerecektir . Bu paragraf, gerçek bir endüstriyel uygulamayı göstermeyi değil, büyüklük sıralarını görselleştirmeyi amaçlamaktadır.
Aşağıdakiler için araştırma geliştirilmektedir:
Metan hidratların kullanılması, sera etkisi açısından ciddi problemler doğurabilir. Bir yandan, bunların yanması CO yayan 2doğal gazla aynı şekilde (ancak aynı miktarda üretilen enerji için kömür ve petrolden daha az). Öte yandan, kararsız denizaltı hidratlarının kullanılmasıyla, büyük miktarlarda metan gazının yanlışlıkla atmosfere geri verilmesi riski vardır: bu, büyük sızıntılara izin vererek doğal gazın kullanılmasına eşdeğer olacaktır. Altın metan (CH 4) CO 2'den çok daha yüksek rahatsız edici güce sahiptirsera gazı olarak. Bu küresel ısınma potansiyeli, atmosfer içindeki difüzyon yüzyıl ölçeğinde ölçülmüş dikkate moleküllerinin ortalama ömrü alarak, karbon dioksit 22 ile 23 kat aslında. CH 4Sadece bir düzine yıl CO içine kendi ayrışma önce 2tarafından , UV , yanma veya oksitleme olayları ve çeşitli kimyasal reaksiyonlar.
Bilim adamları, küresel ısınmanın , permafrost sıcaklığını yeterince yükselterek orada bulunan klatratların en azından kısmen erimesine izin vereceğinden korkuyorlar : Bu, atmosfere çok büyük miktarlarda metan salma etkisine sahip olacak ve bu da aklını başına alacaktı. sera etkisini artırarak kaçak etkisine neden olur. CNRS'den Florent Dominé, 2100 yılına kadar sıcaklıkta 5 ila 8 °C'lik bir artışa işaret ediyor .
2014 yılında araştırmacılar, Svalbard açıklarında Atlantik'te gözlemlenen metan hidratların gazdan arındırılmasının doğal kaynaklı olduğunu ve en az 3.000 yıl önce başladığını gösterdi. Başlangıçta fenomenin küresel ısınmadan kaynaklandığından korkan yazarlar, ancak böyle bir mekanizmanın mümkün olduğuna inanıyorlar, çünkü uzun vadede derin okyanus da ısınacak; ancak okyanus tabanı, gazdan arındırma durumunda ısınmayı hızlandıracak çok büyük miktarlarda metan hidrat içerir.
2007'de David Archer'a (in) göre , metan hidratlar, antropojenik küresel ısınmaya yanıt olarak, örneğin Sibirya ve Arktik Okyanusu arasındaki sınırda, bugün zaten gazdan arındırmaya neden oluyor, ancak metan hidratlarının çoğu, yerin derinliklerine veya okyanuslara gömülüyor. Böylece mevcut küresel ısınmanın olası gaz gidermelerini tetiklememesi için dikkate alınması gereken zaman ölçeği binlerce yıl içinde sayılıyor. Bu nedenle yazar, gaz gidermenin gelecek yüzyıldaki etkisinin “önemli ama felaket değil” olabileceğine inanıyor .
2017 yılında, Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırmalar Enstitüsü tarafından yapılan bir literatür incelemesi , metan hidratların ayrışmasının, gazın çoğu atmosfere ulaşmadığı ve CO dönüştürülmüştür deniz sediment sıkışıp kalıntıları, 2Mikroplar tarafından veya okyanusta çözülür. Science dergisinde yayınlanan bir araştırma ,ocak 2018Bu teoriyi doğrular: Beaufort Denizi'nin okyanus tabanı seviyesinde yayılan metanın sadece %10'unun yüzeye ulaştığını gösterir.
Gavin Schmidt ve Uzay Çalışmaları Goddard Enstitüsü ( NASA Profesör iken), "düşük" olarak metan hidrat dışarı çıkarılması ile ilişkili riskleri dikkate Tim Lenton ait Exeter Üniversitesi'nde ve iklim devrilme noktalarında uzman permafrost çözülme süreci alacağına inanmaktadır binlerce, hatta on binlerce yıl. Peter Wadhams , Cambridge Üniversitesi'nde profesör ve 2013'te Nature dergisinde konuyla ilgili bir makalenin yazarı, 2015 gibi erken bir tarihte Kuzey Kutbu deniz buzunun tamamen erimesine dayanan (nihayetinde gerçekleşmeyen bir senaryo) ) yürütüldü), aksine gazdan arındırmanın sadece yaklaşık elli yıl veya daha az sürebileceğini tahmin ediyor.
2016 yılında Palaeoworld (en) dergisinde yayınlanan bir araştırmaya göre , okyanuslardaki metan hidratların büyük ölçüde erimesi , deniz türlerinin %95'inin ve 70'inin ortadan kalktığı Permiyen-Triyas neslinin tükenmesine yol açan küresel ısınmanın ana nedeni olacaktır. 250 milyon yıl önce kıtasal türlerin yüzdesi. Çalışmanın yazarları, mevcut küresel ısınma ile bağlantı kuruyor. Diğer bilim adamları, Peter Wadhams ve Tim Palmer , bununla birlikte, bu çalışmanın aşırı derecede felaket olduğunu buluyorlar. Buna ek olarak, MIT ve araştırmacıların Çin Bilimler Akademisi içinde Nanjing metanın büyük emisyon metan hidrat bir çözülmeye karşı mikrop nedeniyle değil olabileceğini 2014 yılında gösterdi.
İlk kez bir ülke, bu hidratlardan metan çıkarmayı, onları deniz tabanından çıkarmadan çıkarmayı başardı: Japonya.
Her şeyden önce ve özellikle Japonya'nın ekonomik ve teknolojik genişlemesi ve nükleer santrallerinin kapanması nedeniyle bu ülkede enerji ihtiyacı giderek daha önemli hale geliyor. Japonya yıllardır, ithalatı sınırlayacağı için umut verici bir ekonomik yenilenme kaynağı olan metanı çıkarmanın bir yolunu arıyordu . Japonya ithal ediyor% 95 enerji , metan hidrat önemli ölçüde bu sayıyı azaltmasına olanak sağlayacak. NS12 Mart 2013, sonunda keşiflerini görsel olarak göstermek için testlere başladılar.
Kıtasal yamaçlarda metan hidratlar bulunduğundan , Japonya Pasifik Okyanusu ile çevrili olduğu için bu ürünle çok iyi bir şekilde tedarik edilmektedir ; Böylece enerji ihtiyacı karşılanmış olacaktır.
Bu metan hidrat, elektrik üretmek için kullanılabilir, ancak hepsinden öte, şu anda büyük ölçüde ithal edilmesi gereken gaz tedarik etmek için kullanılabilir.
Diğer sorunlar , patlamasından bu yana kapalı olan Fukushima Daiichi nükleer santralinden kaynaklanmaktadır. Nükleer : elektrik enerjisi dikkate değer kaynağı az bir alternatif ihtiyacı elektrik üretmek için Japonya tarafından kullanılan metan . Metanın en önemli rezervleri, düşük maliyetle taşınabilen metan hidratlardır.
Atsumi yarımadasının kıyılarından 80 km uzaklıkta, Honshu adasının güneyindeki Aichi vilayetinin sularında, 1.000 metre deniz derinliğinde gerçekleştirilen deney, elde edilen ilk başarıdır.
Bu deney, bir basınç düşüşüne neden olmaktan ibarettir, böylece sıkışan gaz, küçük miktarlarda tortu ile karıştırılmış metan'ı çevreleyen buzdan su ile kaçar.
Neredeyse tükenmeyen bu enerji kaynağından bir an önce yararlanmak isteyen Japonya, 2014-2015 yılları arasında yeni testler gerçekleştirmeyi planlıyor.
Gaz sondajından veya metanizasyondan kaynaklanan metan, ilk sanayi devriminden bu yana yaygın olarak kullanılmaktadır . Doğal hidratlardan gelen metan, teorik olarak tortunun basıncının düşürülmesi ve/veya ısıtılmasıyla (yerinde veya her iki durumda da yüzeye çıkarılarak) geri kazanılabilir. ancak ...