Sådan virker frosset brændstof

I sig selv er metan ikke særlig spændende. Det er en farveløs, lugtfri gas og det enkleste medlem af alkanserien af ​​kulbrinter. Dens største påstand om berømmelse er, at den, som hovedbestanddelen af ​​naturgas, er nyttig som energikilde.

For nylig har geologer dog opdaget en type metan, der har vakt deres nysgerrighed. En del af dens usædvanlige karakter er, hvordan den eksisterer i sin naturlige tilstand - fanget inde i et bur af is. Endnu mere spændende er, hvor meget af denne frosne metan, der ser ud til at være låst inde i jordskorpen. Nogle estimater indikerer, at så meget som 700 quadrillion (700 × 10 ¹⁵ ) kubikfod (20 quadrillion kubikmeter) metan er indkapslet i is og fanget i havbundsedimenter over hele verden [kilde:Tarbuck]. Det er dobbelt så meget kulstof som Jordens andre fossile brændstoffer tilsammen.

Opdagelsen af ​​denne nye type metan, hvad forskerne kalder methanhydrat , har ført til to vigtige spørgsmål. Den første er pragmatisk:Vil den brænde som almindelig metan? Det viser sig, at det vil. Hvis du tager et stykke metanhydrat -- det ligner hårdt pakket sne -- og rører en tændt tændstik til det, vil prøven brænde med en rødlig flamme. Og hvis det er tilfældet, kan det bruges til at opvarme boliger, brænde biler og generelt drive energihungrende nationer som Japan, USA, Indien og Kina. Nylige data tyder på, at kun 1 procent af Jordens metanhydrataflejringer kunne give nok naturgas til at opfylde USAs energibehov i 170.000 år [kilde:Stone].

Det andet spørgsmål er til dels en etisk overvejelse:Skulle vi som et globalt samfund, der brændende forsøger at udvikle ren, vedvarende energi, omfavne et af de fossile brændstoffer, der bragte os i problemer i første omgang? Videnskaben kan ikke svare på det spørgsmål. Det kan dog afsløre de udfordringer og risici, som lande står over for, der håber at drage fordel af metanhydrat. En af de væsentligste udfordringer er at finde effektive måder at udvinde det frosne brændstof på. Mere bekymrende er potentielle katastrofer – lige fra massive undersøiske jordskred til en løbsk drivhuseffekt – relateret til metanminedrift.

I denne artikel vil vi udforske alle de positive og negative sider ved metanhydrat. Vi vil se på dens relativt korte historie, samt hvordan den passer ind i nogle mulige fremtidige scenarier. Og selvfølgelig vil vi undersøge den grundlæggende videnskab bag denne såkaldte "brandbare is."

Lad os starte med lidt kemi.

1. Fire and Ice:The Chemistry of Methane Hydrate
2. En kort historie om metanhydrat
3. Potentialet ved frosset brændstof
4. Den risikable forretning ved minedrift af metanhydrat
5. Fremtiden for frosset brændstof

Fire and Ice:The Chemistry of Methane Hydrate

Frosset brændstof er det iørefaldende navn for en familie af stoffer kendt som gashydrater . Den pågældende gas er naturgas, en blanding af kulbrinter, såsom metan, propan, butan og pentan. Af disse er metan langt den mest almindelige komponent og en af ​​de mest undersøgte forbindelser i kemi.

Som alle kulbrinter indeholder metan kun to grundstoffer - kulstof og brint. Det er et eksempel på en mættet kulbrinte , eller et molekyle, der udelukkende består af enkeltbindinger og derfor det maksimale antal tilladte brintatomer. Den generelle formel for mættede kulbrinter er C_n H_2n+2 . Metan har kun ét kulstofatom, så dens kemiske formel er CH₄ . Kemikere beskriver denne form som et tetraeder.

Metan er en farveløs, lugtfri, brændbar gas, der produceres ved bakteriel nedbrydning af plante- og dyrestoffer. Det dannes i en proces, der deles af alle fossile brændstoffer. Først dør marine planter og dyr og falder til havbunden. Dernæst dækker mudder og andre havbundsedimenter de nedbrydende organismer. Sedimenterne lægger et stort pres på det organiske stof og begynder at komprimere det. Denne kompression, kombineret med høje temperaturer, nedbryder kulstofbindingerne i det organiske stof og omdanner det til olie og naturgas.

Generelt er denne metan - hvad geologer beskriver som "konventionel" metan - placeret under jordens overflade. For at komme til det skal arbejderne bore gennem sten og sediment og tappe ind i metanaflejringerne for at frigive gassen. Så pumper de det op til overfladen, hvor det bliver transporteret gennem rør over hele landet.

Metan kan også dannes ukonventionelt, hvis sedimenterne, der producerer det, er placeret omkring 1.640 fod (500 meter) under havets overflade. Temperaturerne nær frysepunktet og det høje tryk af disse forhold får metanen til at blive indkapslet i is. Metanen binder sig ikke kemisk til vandet. I stedet sidder hvert tetraedrisk metanmolekyle inde i en krystallinsk skal lavet af is. Dette unikke stof er kendt som methanhydrat , og så snart den når varmere temperaturer og lavere tryk, smelter isen væk og efterlader ren metan.

Geologer opdagede naturligt forekommende metanhydrat først for nylig, men kemikere har kendt til det i årevis, som vi vil se i næste afsnit.

Metanhydrat er et klatrat , et kemisk stof lavet af en forbindelse indlejret inde i en anden. Ordet kommer fra det latinske clatratus , hvilket betyder "stænger" eller "gitter". Den ene sammensætning tjener som vært, den anden som gæst. I tilfælde af metanhydrat er vand værten, og metan er gæsten. Af denne grund omtaler kemikere nogle gange clathrater som vært-gæstekomplekser .

En kort historie om metanhydrat

Historien om gashydrater kan spores tilbage til Humphrey Davy, en kemiker fra Cornwall, England, som identificerede klor som et grundstof i 1810.

Davy og hans assistent, Michael Faraday, fortsatte med at arbejde med klor gennem det tidlige 1800-tal, blandede den grønne gas med vand og afkølede blandingen til lave temperaturer.

Det er meget sandsynligt, at Davy observerede det mærkelige faste stof, der resulterede i, at kloratomer blev indkapslet i iskrystaller, men Faraday får officiel kredit for opdagelsen. I 1823 udsendte Faraday en rapport, der beskrev det mærkelige stof og kaldte det klor-clathrathydrat. Andre typer clathrater, der hver involverer en gæsteforbindelse låst inde i en værts gitterstruktur, blev hurtigt opdaget, men de forblev en laboratorie-kuriositet.

Så, i 1930'erne, begyndte naturgasminearbejdere at klage over et islignende materiale, der tilstoppede rørledninger udsat for kolde temperaturer. Forskere fastslog, at dette materiale ikke var ren is, men is viklet omkring metan. De spildte ingen tid på at forsøge at finde måder at forhindre hydrater i at danne og henvendte sig primært til kemikalier, såsom methanol eller monoethylenglycol. Siden da har mineselskaber tilføjet disse materialer til deres naturgasrørledninger for at forhindre hydratdannelse.

I 1960'erne opdagede videnskabsmænd, at metanhydrat eller "fast naturgas" eksisterede i Messoyakha-gasfeltet i det vestlige Sibirien. Dette var vigtigt, fordi naturligt forekommende gashydrater aldrig var blevet fundet før. Geologer og kemikere ankom til det store bassin og begyndte at studere de forhold, hvorunder hydraterne dannedes. De fandt ud af, at sub-permafrost-sedimenter var rige på hydrater og begyndte at lede efter lignende aflejringer i andre højbreddegrader. Snart fandt et andet team af forskere metanhydrat i sedimenter begravet dybt under Alaskas nordskråning.

Baseret på disse tidlige fund udførte U.S. Geological Survey (USGS) og Department of Energy National Energy Technology Laboratory omfattende forskning mellem 1982 og 1992, der afslørede, at methanhydrataflejringer også kunne findes i offshore-sedimenter. Pludselig så det, der engang havde været en kuriosum og en industriel gene, ud til at være en betydelig ressource. I midten af ​​1990'erne tog Japan og Indien føringen inden for metanhydratforskning med det mål at finde flere aflejringer og udvikle måder at udvinde den indespærrede metan på økonomisk. Forskere har siden opdaget metanhydrataflejringer adskillige steder, herunder Mackenzie River-deltaet i Canada og Nankai-truget ud for Japans kyst.

Dernæst vil vi overveje, hvilken indvirkning metanhydrat kan have på verdens energiforsyning.

Potentialet af frosset brændstof

Da forskerne begyndte at lede efter metanhydrataflejringer, blev de ikke skuffede. De fandt dem under arktisk permafrost og under havbunden, især i områder, hvor en tektonisk plade glider over en anden. Disse områder er kendt som subduktionszoner fordi kanten af ​​en plade bevæger sig under en anden. For eksempel glider Juan de Fuca-pladen ud for Washington og Oregons kyst under den nordamerikanske plade. Som et stykke træ, der trækkes hen over bladet på et fly, fjernes sedimenterne, inklusive hydrater, af Juan de Fuca-pladen af ​​den nordamerikanske plades stenede skorpe. Dette skaber en højderyg af hydrater, der løber parallelt med kysten.

Hydrataflejringer er også fundet i områder, hvor store havstrømme mødes. Blake Ridge er en formation beliggende ud for South Carolinas kyst i vand, der spænder fra 6.562 til 15.748 fod (2.000 til 4.800 meter) dybt. Geologer mener, at højderyggen blev dannet under Oligocæn-epoken, omkring 33,7 til 23,8 millioner år siden. Grønlandshavet åbnede sig i løbet af denne tid og lod enorme mængder koldt, tæt vand strømme sydpå langs Atlanterhavskysten. Da dette kolde vand løb hovedkulds ind i varmt vand, der blev ført nordpå på Golfstrømmen, blev strømmene bremset og tabte store mængder sediment. Organisk materiale begravet i disse sedimenter gav til sidst anledning til en stor mængde metanhydrat.

Hvor meget af dette frosne brændstof findes på Blake Ridge og andre steder rundt om i verden? Nogle skøn anslår mængden af ​​metan indespærret i hydrater på alt fra 100.000 billioner til 300.000.000 billioner kubikfod (2.832 billioner til 8.495.054 billioner kubikmeter). Sammenlign det med de 13.000 billioner kubikfod (368 billioner kubikmeter) af konventionelle naturgasreserver, der er tilbage på planeten, og du kan forstå, hvorfor kæberne i det videnskabelige samfund er faldet [kilde:Collett].

Selvfølgelig er det én ting at finde hydrataflejringerne. Som vi vil se i næste afsnit, er det en helt anden ting at få dem ud – og gøre det sikkert – helt andet.

Den risikable forretning ved at udvinde metanhydrat

De potentielle fordele ved at frigive metan fra gashydratfelter skal afbalanceres med risici. Og risiciene er betydelige. Lad os starte først med udfordringer, som mineselskaber og deres arbejdere står over for. De fleste metanhydrataflejringer er placeret i havbundens sedimenter. Det betyder, at borerigge skal være i stand til at nå ned gennem mere end 1.600 fod (500 meter) vand og derefter, fordi hydrater generelt er placeret langt under jorden, yderligere flere tusinde fod, før de kan begynde udvindingen. Hydrater har også en tendens til at dannes langs de nederste grænser af kontinentalskråninger, hvor havbunden falder væk fra den relativt lavvandede hylde mod afgrunden. Den groft skrånende havbund gør det vanskeligt at køre rørledningen.

Selvom du kan placere en rig sikkert, er metanhydrat ustabilt, når det først er fjernet fra dybhavets høje tryk og lave temperaturer. Metan begynder at undslippe, selvom det bliver transporteret til overfladen. Medmindre der er en måde at forhindre denne lækage af naturgas på, vil udvindingen ikke være effektiv. Det vil være lidt som at trække brøndvand op ved hjælp af en spand fyldt med huller.

Tro det eller ej, denne lækage kan være den mindste bekymring. Mange geologer har mistanke om, at gashydrater spiller en vigtig rolle i at stabilisere havbunden. Boring i disse oceaniske aflejringer kan destabilisere havbunden, hvilket får store dele af sediment til at glide kilometervis ned ad kontinentalskråningen. Beviser tyder på, at sådanne undervandsskred har fundet sted tidligere (se sidebjælke), med ødelæggende konsekvenser. Bevægelsen af ​​så meget sediment ville helt sikkert udløse massive tsunamier svarende til dem, der blev set i tsunamien i Det Indiske Ocean i december 2004.

Men måske den største bekymring er, hvordan udvinding af metanhydrat kan påvirke den globale opvarmning. Forskere ved allerede, at hydrataflejringer naturligt frigiver små mængder metan. Gassen arbejder sig selv mod himlen - enten bobler op gennem permafrost eller havvand - indtil den slippes ud i atmosfæren. Når først metan er i atmosfæren, bliver det en drivhusgas, der er endnu mere effektiv end kuldioxid til at fange solstråling. Nogle eksperter frygter, at boring i hydrataflejringer kan forårsage katastrofale udslip af metan, som i høj grad ville fremskynde den globale opvarmning.

Gør det, at metan fra hydratfelter ikke er tilladt? Dette er spørgsmålet, videnskabsmænd fra hele verden forsøger at besvare.

Et af de største jordskred i historien skete ikke på land, men under vandet, lige ud for Norges kyst. Det forekom heller ikke i nyere historie, men i Holocæn-epoken, for omkring 8.000 år siden. Begivenheden, der er kendt som Storegga Submarine Jordskred, fik enorme mængder af sedimenter til at glide omkring 497 miles (800 kilometer) ned ad kontinentalskråningen. Dette udløste igen en mega-tsunami, måske 82 fod (25 meter) høj, der ramte Norge og Skotland.

I 1998 opdagede russiske forskere et ustabilt hydratfelt nær stedet for Storegga-rutschebanen. Nu mener forskere, at en hurtig nedbrydning af hydrater, relateret til temperatur- og trykændringer, der kom i slutningen af ​​den sidste istid, destabiliserede sedimenterne og forårsagede jordskredet.

Fremtiden for frosset brændstof

I 1997 indledte det amerikanske energiministerium (DOE) et forskningsprogram, der i sidste ende ville tillade kommerciel produktion af metan fra gashydratforekomster inden 2015. Tre år senere godkendte Kongressen finansiering gennem Methane Hydrate Research and Development Act af 2000. The Interagency Coordination Committee (ICC), en koalition af seks regeringsorganer, har fremmet forskning på flere fronter. Meget af det, vi ved om den grundlæggende videnskab om metanhydrat – hvordan det dannes, hvor det dannes, og hvilken rolle det spiller, både i havbundsstabilisering og global opvarmning – er kommet fra ICC's forskning.

Interessante ideer om, hvordan man effektivt kan udvinde metan fra hydrater, dukker også op. Nogle eksperter foreslår en teknik, hvor minearbejdere pumper varmt vand ned i et borehul for at smelte hydratet og frigive det indespærrede metan. Når metanen slipper ud, pumpes den til havbunden gennem et ledsagende borehul. Derfra fører undersøiske rørledninger naturgassen i land. Desværre ville sådanne rørledninger skulle rejse over vanskeligt undervandsterræn. En løsning er at bygge et produktionsanlæg på havbunden, så det ligger tæt på hydrataflejringerne. Da metan undslipper fra de opvarmede sedimenter, ville arbejdere i anlægget genfryse gassen for at danne "rent" metanhydrat. Ubåde ville derefter slæbe det frosne brændstof i enorme lagertanke til lavt vand, hvor metanen kunne udvindes og transporteres sikkert og effektivt.

Er alt dette nødvendigt? Vil vedvarende energikilder ikke gøre det spild af tid at forfølge et andet ikke-vedvarende fossilt brændstof så kraftigt? Realistisk set vil fossile brændstoffer stadig være en vigtig bestanddel af verdens samlede energimix i de kommende årtier. Ifølge Energy Information Administration (EIA) forventes det samlede amerikanske naturgasforbrug at stige fra omkring 22 billioner kubikfod (0,622 billioner kubikmeter) i dag til omkring 27 billioner kubikfod (0,76 billioner kubikmeter) i 2030. Global naturgas forbruget forventes at stige til 182 billioner kubikfod (5,15 billioner kubikmeter) i samme periode [kilde:EIA]. At tappe på den metan, der er indespærret i hydrater, vil naturligvis spille en nøglerolle for at imødekomme denne efterspørgsel.

Det betyder, at det frosne brændstof fra metanhydrat kan købe mere tid, når forskere søger efter alternativer til at drive vores planet. Tænk på det som et vigtigt springbræt i vores overgang til renere, grønnere energikilder.

Mange flere oplysninger

Relaterede HowStuffWorks-artikler

• Top 5 miljøvenlige erstatninger for plast
• Sådan fungerer kunstig fotosyntese
• Er der en måde at få solenergi om natten?
• 5 grønne mobilapps

Kilder

• Allison, Edith og Ray Boswell. "Methanhydrat:Fremtidig energi inden for vores rækkevidde." Kontoret for fossil energi og det nationale energiteknologilaboratorium. juni 2007. (1. maj 2009)www.fossil.energy.gov/programs/oilgas/publications/methane_hydrates/MHydrate_overview_06-2007.pdf
• Collett, Timothy. "Naturgashydrater - enorme ressourcer, usikker fremtid." U.S. Geological Survey. marts 2001. (1. maj 2009)http://pubs.usgs.gov/fs/fs021-01/
• Davies, J. Eric D. "The Golden Jubilee of Clathrates." Journal of Inclusion Phenomena and Molecular Recognition in Chemistry. 7. september 1998.
• Durham, William B. "Methane Hydrate:A Surprising Compound." Videnskab og teknologi gennemgang. marts 1999. (1. maj 2009)https://www.llnl.gov/str/Durham.html
• Energiinformationsadministration. "Verdens naturgasforbrug efter region, referencesag, 1990-2030." Energy Outlook 2006. (1. maj 2009)http://www.eia.doe.gov/oiaf/forecasting.html
• Maynard, Barbara. "Methanhydrater - Fremtidens energikilde?" Populær mekanik. april 2006. (1. maj 2009) http://www.popularmechanics.com/science/earth/2558946.html
• Nationalt F&U-program for metanhydrater. "Alt om hydrater - Blake Ridge." (1. maj 2009)http://www.netl.doe.gov/technologies/oil-gas/futuresupply/methanehydrates/about-hydrates/blake-ridge.htm
• Sten, Alex. "Ild fra is." Opdag magasinet. 29. maj 2004. (1. maj 2009) http://discovermagazine.com/2004/may/fire-from-ice/?searchterm =methane%20hydrate
• Suess, Erwin, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert og Erwin Lausch. "Brændbar is." Scientific American. november 1999.
• Tarbuck, Edward J. og Frederick K. Lutgens. Earth Science, ellevte udgave. Pearson Prentice Hall. 2006.