Un hidrat de metan (sau clatrat de metan ) este un compus părinte organic prezent în mod natural pe fundul mării, unele pante continentale și în permafrost din regiunile polare .
Formarea acestor hidrați este una dintre chiuvetele de carbon planetare, dar sunt foarte instabile atunci când temperatura lor depășește un anumit prag.
Hidrații de metan sunt o sursă potențială de combustibil fosil pentru a înlocui petrolul ; se știe că sunt prezente în cantități mari, în special pe fundul mării , dar sunt greu de exploatat. Acestea rămân o sursă directă sau indirectă de dioxid de carbon , două gaze puternice cu efect de seră .
Denumit în mod colocvial „gheață arzătoare” sau „gheață metanică”, acest compus înghețat este inflamabil imediat ce se topește în prezența oxigenului sau a unui oxidant . La nivel molecular, un clatrat de metan este de fapt alcătuit dintr-o „cușcă” subțire de gheață în care este prins metanul a priori rezultat din descompunerea materiei organice relativ recente (în comparație cu cea care a generat petrolul și gazul natural). și efectuate de microorganisme anaerobe și metanogene .
În timpul producției de gaze naturale, se pot forma alți hidrați ( etan și propan ). Cu cât crește lungimea moleculei de hidrocarburi ( butan , pentan , etc. ), cu atât mai puțin stabile hidratilor formate sunt.
Hidrații de gaze naturale ( hidrat de gaze naturale sau NGH engleză) se caracterizează printr-o presiune mai mică ( 25 megapascali , compresie 1/170) și o temperatură mai ridicată ( 0 ° C ) gazul natural lichefiat ( gaz natural lichefiat , GNL) sau gazul natural pentru vehicule ( gaz natural comprimat , GNC, gaz natural comprimat).
În Iulie 1996, în Oceanul Pacific , vasul de cercetare RV Sonne urcă, de la o adâncime de 785 m , 500 kg de hidrat de metan.
Hidratul de metan este format din molecule de apă care formează cuști care prind molecule de gaz precum metan sau hidrogen sulfurat (ambele gaze prezente în hidratul crescut de nava Sonne). Aceste cuști pot stoca cantități considerabile de gaz (de exemplu 164 cm 3 de metan în 1 cm 3 de hidrat).
În mod specific, structura de bază a hidratului de metan corespunde structurii de tip I a structurilor de clatrat de gaz (în) : această structură (numită și structură-Weaire Phelan ) cuprinde două cuști mici și șase cuști de dimensiuni mai mari:
Deoarece unele dintre aceste vârfuri sunt comune pentru două sau mai multe cuști, numărul total de molecule de apă din structura de bază a hidratului de metan este de numai 46 de molecule (în loc de 184).
Hidrații de metan sunt stabili la presiune ridicată și temperatură scăzută (a se vedea curba „condiții de stabilitate”; ordinea mărimii: 35 bari la 0 ° C ).
Cu toate acestea, metanul ca hidrat este solid la temperaturi și presiuni mai mari decât cele necesare lichefierii aceluiași gaz; astfel, metanul pur în apă pură formează hidrați de la aproximativ 380 m în apă dulce la 4 ° C ( densitatea maximă a apei ), aproximativ 440 m în apă sărată la 35 g / l ; pentru comparație, metanul lichefiază la -161,5 ° C ( 111,6 K ). Gheața de apă îndeplinește funcția unui fel de burete molecular pentru metan, care stabilizează metanul sub formă solidă. Astfel, este probabil ca hidrații de metan să se formeze în condiții de temperatură și presiune întâlnite în mod natural pe Pământ, mai precis, în subsolul suprafeței terestre a regiunilor reci, pe de o parte, sub ocean, pe de altă parte.
Prezența sării (influența ionului clorură Cl - ) îngreunează puțin formarea hidratului.
Alte gaze din familia metanului (propan, butan etc.) sunt susceptibile de a forma hidrați cu apă, la presiuni mai mari.
Cinetica (viteza) dispariției hidraților de metan este scăzută . Acesta este motivul pentru care vedem fotografii cu blocuri de hidrați în condiții evidente de laborator.
Densitatea hidraților fiind mai mică decât cea a apei, nu există hidrat în interiorul oceanelor, presiunea la suprafață fiind prea mică pentru a le stabiliza. Prin urmare, ele sunt întotdeauna fixate pe partea inferioară.
Hidratul de metan este stabil la temperaturi scăzute și la presiune ridicată. Pe continente, dacă temperatura solului este suficient de rece, creșterea presiunii la adâncimi mari favorizează stabilitatea hidratului. Acest efect concurează cu gradientul geotermal; temperatura crescând cu adâncimea împiedică formarea de hidrați. Prin urmare, acești hidrați sunt stabili pe o gamă de adâncimi. Pe suprafețele terestre, în regiunile reci, condițiile de stabilitate a hidratului sunt probabil întâlnite sub suprafața permafrostului , de exemplu între 100 și 1600 m sub permafrost.
Pe mare, presiunea crește odată cu adâncimea, temperatura rămânând în mod constant constantă la adâncimi mari. Cu toate acestea, deoarece densitatea hidraților este mai mică decât apa, acești hidrați pot fi depozitați doar sub fund. Tot sub fundul mării, gradientul geotermic favorizează formarea hidraților către adâncimi mari și limitează extinderea zonei de stabilitate a hidraților, de exemplu până la 800 m sub fundul mării.
Se pare că majoritatea hidraților descoperiți sunt localizați pe marginile continentale. Deficitul de hidrați de sub fundul mării adânci pare a se datora deficitului de surse de metan în aceste locuri unde ar fi stabile.
Ca rezultat, hidrații de metan se întâlnesc în două medii foarte diferite.
Metanul este stocat ca hidrați de metan în sedimentele adânci ale oceanului și pe versanții continentali la adâncimi de câteva sute de metri.
Hidrații de metan se găsesc și în permafrost în regiunile circumpolare din Eurasia și America .
De la primele estimări din anii 1970 , cantitatea de hidrat de metan din rezervorul oceanic a fost revizuită în jos, dar rămâne considerabilă. Conform unei estimări recente, această cantitate ar fi cuprinsă între 1 și 5 × 10 15 m 3 de gaz sau între 0,5 și 2,5 × 10 12 tone de carbon. Cantitatea de hidrați de metan din rezervorul continental este mai puțin cunoscută. Suprafața relativ mică (10 milioane km 2 ) ocupată de permafrost sugerează că este mai mică decât în rezervorul oceanic . Potrivit lui Florent Dominé, CNRS, permafrostul este cel mai mare rezervor continental de carbon de pe planetă: 1,7 × 10 12 tone de carbon de origine vegetală s-au acumulat acolo de la ultima glaciație; este de două ori mai mult carbon decât atmosfera conține în prezent.
În comparație, rezervele de petrol cunoscute în 2005 au fost de aproximativ 2 × 10 11 m 3 (a se vedea articolul Rezerva de petrol ).
Hidrații de metan și, în general, hidrocarburile, sunt cauza multor incidente în conductele de gaz, în special sub apă. Condițiile de stabilitate a hidraților fiind îndeplinite local, conductele se înfundă sub efectul solidificării fluidului transportat .
Rezervele de hidrat de metan sunt atât de considerabile încât multe companii petroliere sunt interesate de acesta. Dar recuperarea acestui compus este dificilă și costisitoare, chiar periculoasă pentru climatul planetar, iar dificultățile tehnice în extragerea acestuia par în prezent departe de a fi soluționate.
După accidentul nuclear de la Fukushima , Japonia are mare nevoie de noi surse de energie. Guvernul a lansat deja un program de cercetare (2001-2008) care vizează localizarea și calificarea potențialei resurse submarine din Japonia, apoi un plan de șapte ani („programul de exploatare a energiei marine și a resurselor marine”), votat înMartie 2009. Două extracții de testare sunt planificate pentru 2012 și 2014 în apropierea gropii Nankai din sudul țării, unde au fost detectate resurse semnificative. Testul in situ de cultură stabilizată de două săptămâni începe înMartie 2013.
Hidrații de metan au fost deja exploatați la Messoyakha , un mic câmp de gaz de mică adâncime din Siberia de Vest situat chiar la limita stabilității hidraților de metan. Ca rezultat, partea sa inferioară a fost un câmp de gaz „normal” (gaz liber în nisip) în timp ce partea superioară a fost umplută cu hidrați. Exploatarea gazelor convenționale a redus presiunea și a destabilizat hidrații, din care metanul ar putea fi apoi utilizat.
Producătorii trebuie să testeze metodele de decompresie a hidraților pe mare pentru a-l recupera complet. Este unul dintre proiectele JOGMEC japonez.
Un proiect german numit SUGAR (acronim pentru Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), lansat în vara anului 2008 de Institutul Leibniz pentru Științe Marine din Kiel , sub supravegherea ministerelor federale ale economiei și tehnologiei (BMWi) și ale educației și cercetării (BMBF), cu sprijinul a 30 de parteneri economici și științifici și un buget inițial de aproape 13 milioane de euro, își propune să extragă metan și depozitați CO 2 în locul său captate la ieșirea centralelor termice sau a altor instalații industriale.
Studiile japoneze și americane au fost efectuate din 2001 cu scopul de a demonstra că hidroizolația unui sistem de alimentare cu NGH a fost posibilă în cadrul exploatării câmpurilor de gaze naturale în larg și nu în exploatarea zăcămintelor de hidrați (deoarece acest lucru nu totuși a putut fi realizat eficient într-un cadru de aprovizionare la scară industrială ).
Studiile de fezabilitate efectuate în acest scop au arătat, prin urmare, că utilizarea sistemelor de alimentare cu NGH bazate pe tehnici sintetice de producere a hidraților de metan a fost profitabilă în cadrul unei exploatări raționale a câmpurilor de gaze naturale de dimensiuni medii și mai puțin importantă: exploatarea câmpurile de gaz include, prin definiție, o investiție foarte semnificativă în tehnologiile de lichefiere a gazelor. Investiția de bază și costul construirii și punerii în funcțiune a unei unități de lichefiere fac ca exploatarea depozitelor mici și mijlocii să nu fie viabilă din punct de vedere economic.
Exploatarea hidraților de metan nu se limitează la fundul mării. Într-adevăr, hidrații de metan sunt o alternativă bună pentru transportul metanului pe distanțe relativ mari. Astfel, datorită hidraților de metan, transportul periculos al gazului natural lichefiat sau construcția conductelor de gaz s-ar reduce .
În plus, transportul hidraților cu barca ar putea fi mai puțin costisitor din punct de vedere energetic decât cel al gazului natural lichefiat, deoarece condițiile de temperatură și presiune ar fi mai puțin dificile de întreținut decât la transportatorii actuali de GNL . În schimb , cantitatea finală de gaz gratuit transportată în raport cu greutatea încărcăturii este în detrimentul hidraților în ceea ce privește costul transportului.
Dacă distanța rămâne mai mică de 6000 km , sistemul de livrare a NGH devine atunci mai puțin costisitor decât GNL-ul clasic. Deoarece producția și regazificarea sunt practic mai puțin costisitoare cu NGH și necesită mai puține investiții, sistemul își marchează aici superioritatea față de sistemul convențional de compresie prin lichefierea gazului natural.
Hidrat de gaze naturale (NGH) | Gaz natural lichefiat (GNL) | |
---|---|---|
Moduri de transport și depozitare | Solid | Lichid |
Temperatura de transport | −20 ° C | −162 ° C |
Densitate | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Conținut de 1 m 3 de produs | 170 m 3 CH 4 și 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CH 4 |
(adică 13,2% în masă de metan în hidratul solid).
Pentru a stabili ordinele de mărime, o butelie de gaz utilizată pentru distribuirea butanului sau propanului numită „13 kg ” (conținând aproximativ 4,8 m 3 gaz butan la temperatura și presiunea obișnuită) are doar un volum de 30 de litri. Acest volum ar transporta (toate datele din acest paragraf sunt rotunjite și nu se ia în considerare nicio marjă de siguranță) 14 kg de metan la -161 ° C la 1 bar [densitate de 0,465] (sau la -100 ° C și 30 de bare). Aceeași sticlă ar conține 27 kg de hidrat de metan la 35 de bare și 0 ° C , sau 3,6 kg de metan pur. Aceste condiții din urmă ar putea fi descrise într-o manieră caricaturizată ca „o butelie de gaz într-un frigider”; adică în condiții relativ ușor de realizat industrial. În acest din urmă caz, sticla ar conține pe lângă 3,6 kg metan, aproximativ 23 kg apă pentru a forma un hidrat cu gazul. Acest paragraf nu este destinat să arate o aplicație industrială reală, ci mai degrabă să vizualizeze ordinele de mărime.
Cercetările sunt în curs de dezvoltare pentru:
Exploatarea hidraților de metan ar putea pune probleme serioase în ceea ce privește efectul de seră. Pe de o parte, arderea lor emite CO 2în același mod ca și gazele naturale (dar mai puțin decât cărbunele și petrolul pentru aceeași cantitate de energie produsă). Pe de altă parte, există riscul ca prin exploatarea hidraților submarini instabili, cantități mari de metan să fie returnate în mod accidental în atmosferă: acest lucru ar fi echivalent cu exploatarea gazelor naturale permițând scurgeri enorme. Aur metan (CH 4) are o putere de neplăcere mult mai mare decât CO 2ca gaz de seră. Său potențial de încălzire globală, măsurat la scara unui secol de difuzie în atmosferă, este de fapt între 22 și 23 de ori mai mare de dioxid de carbon, luând în considerare durata de viață medie a moleculelor. De CH 4cu doar o duzină de ani înainte de descompunerea lor în CO 2prin UV , fenomene de ardere sau oxidare și diverse reacții chimice.
Oamenii de știință se tem că încălzirea globală , prin creșterea suficientă a temperaturii permafrostului, va permite clatratilor prezenți acolo să se topească cel puțin parțial: acest lucru ar avea ca efect eliberarea unor cantități enorme de metan în atmosferă, care i-ar fi venit în fire. crește efectul de seră , rezultând un efect de fugă. Florent Dominé, de la CNRS, evocă o creștere a temperaturii de la 5 la 8 ° C până în 2100.
În 2014, cercetătorii au demonstrat că degazarea hidraților de metan observată în Atlantic în largul Svalbard este de origine naturală și a început cu cel puțin 3.000 de ani în urmă. Autorii, care inițial s-au temut că fenomenul se datorează încălzirii globale, consideră totuși că un astfel de mecanism rămâne posibil, deoarece pe termen lung și oceanul adânc se va încălzi; cu toate acestea, fundul oceanului conține cantități foarte mari de hidrați de metan, care vor accelera încălzirea în caz de degazare.
Potrivit lui David Archer (în) în 2007, hidrații de metan provoacă deja degazarea astăzi ca răspuns la încălzirea globală antropică, de exemplu la granița dintre Siberia și Oceanul Arctic, dar majoritatea hidraților de metan sunt îngropați adânc în pământ sau în ocean sedimente, astfel încât scara de timp care trebuie luată în considerare pentru ca încălzirea globală actuală să nu declanșeze posibila lor degazare este numărată în mii de ani. Prin urmare, autorul consideră că efectul degazării în secolul următor ar putea fi „semnificativ, dar nu catastrofal” .
În 2017, o revizuire a literaturii efectuată de Institutul pentru Studii Geologice din Statele Unite a concluzionat că este puțin probabil ca descompunerea hidraților de metan să producă emisii masive de metan, comparabile cu emisiile de gaze cu efect de seră de origine antropogenă, deoarece cea mai mare parte a gazului nu ajunge în atmosferă și rămâne prins în sedimente marine, transformat în CO 2prin microbi sau dizolvate în ocean. Un studiu publicat în Science avansează înianuarie 2018coroborează această teorie: arată că doar aproximativ 10% din metanul emis la nivelul fundului oceanic al Mării Beaufort ajunge la suprafață.
Gavin Schmidt de la Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) consideră riscul asociat cu degazarea hidraților de metan ca fiind „scăzut”, în timp ce profesorul Tim Lenton de la Universitatea din Exeter și specialist în punctele de depășire a climei consideră că procesul de dezghețare a permafrostului va dura mii, dacă nu zeci de mii de ani. Peter Wadhams , profesor la Universitatea din Cambridge și autor al unui articol pe această temă în revista Nature în 2013, care se bazează pe topirea completă a gheții marine arctice în vară încă din 2015 (un scenariu care în cele din urmă nu s-a concretizat ) efectuată), estimează dimpotrivă că degazarea ar putea dura doar aproximativ cincizeci de ani sau chiar mai puțin.
Potrivit unui studiu publicat în revista Palaeoworld (ro) în 2016, un dezgheț masiv de hidrați de metan oceanici ar fi principala cauză a încălzirii globale care a dus la dispariția permian-triasică, care a văzut dispariția a 95% din speciile marine și 70 % din speciile continentale, acum 250 de milioane de ani. Autorii studiului fac legătura cu încălzirea globală actuală. Alți oameni de știință, Peter Wadhams și Tim Palmer , descoperă, totuși, că acest studiu este excesiv de catastrofal. În plus, cercetătorii de la MIT și Academia Chineză de Științe din Nanjing au arătat în 2014 că emisia masivă de metan s-ar putea datora microbilor și nu dezghețării hidraților de metan.
Pentru prima dată, o țară a reușit să extragă metan din acești hidrați fără a-i scoate din fundul mării: Japonia.
În primul rând, și mai ales din cauza expansiunii economice și tehnologice a Japoniei și a opririi centralelor sale nucleare, nevoile de energie sunt din ce în ce mai importante în această țară. De ani de zile, Japonia căuta o modalitate de a extrage metanul , o sursă promițătoare de reînnoire economică, deoarece ar limita importurile. În Japonia importurile 95% din ei energie , hidrat de metan ar permite să reducă în mod semnificativ numărul respectiv . 12 martie 2013, au început în cele din urmă teste pentru a demonstra vizual descoperirea lor.
Deoarece hidrații de metan sunt prezenți pe versanții continentali , Japonia este, prin urmare, foarte bine alimentată cu acest produs, deoarece este înconjurată de Oceanul Pacific ; nevoile de energie ar fi, prin urmare, satisfăcute.
Acest hidrat de metan ar putea fi utilizat pentru a produce electricitate, dar mai ales pentru a furniza gaz care în prezent trebuie importat în principal.
Alte probleme provin de la centrala nucleară Fukushima Daiichi, care a fost închisă de la explozia sa. Sursa nucleară notabilă de energie electrică este mai puțin utilizată de Japonia pentru a genera electricitate, are nevoie de o alternativă: metanul . Cele mai importante rezerve de metan sunt hidrații de metan care pot fi transportați la un cost redus.
La 80 km de coasta peninsulei Atsumi, în apele prefecturii Aichi, la sud de insula Honshû, experimentul realizat la o adâncime a mării de 1.000 de metri este primul succes obținut.
Acest experiment constă în provocarea unei scăderi de presiune, astfel încât gazul prins să scape cu apa din gheața care înconjoară metanul amestecat cu sediment în cantități mici.
Japonia, dorind să exploateze această sursă de energie aproape inepuizabilă cât mai curând posibil, intenționează să efectueze teste suplimentare între 2014 și 2015.
Metanul din forarea sau metanizarea gazelor a fost utilizat pe scară largă de la prima revoluție industrială. Metanul din hidrații naturali ar putea fi recuperat teoretic prin depresurizarea sedimentului și / sau prin încălzirea acestuia (in situ sau ridicându-l la suprafață în ambele cazuri), dar ...