Klatrat metanu - Google

Klatrat metanu

Z Wikipedii

(Przekierowano z Wodzian metanu)
Skocz do: nawigacji, szukaj
Płonący klatrat metanu. W górnym lewym rogu struktura krystaliczna klatratu. Źródło: USGS
Płonący klatrat metanu. W górnym lewym rogu struktura krystaliczna klatratu. Źródło: USGS

Klatrat metanu (wodzian metanu, hydrat metanu, metanowy lód) - stała forma wody i metanu, posiadająca strukturę krystaliczną.

Klatraty metanu zostały odkryte w latach 30. XX wieku w rurociągach gazowych, w których powstawały blokując przepływ gazu. Pierwotnie przewidywano, że w warunkach naturalnych występują tylko w zewnętrznych częściach Układu Słonecznego (gdzie rozpowszechniony jest lód). W latach 60. znaleziono złoża hydratów na Syberii, a w następnym dziesięcioleciu ogromne ich ilości odkryto w warstwie dennej oceanów. Obecnie rozważane jest wykorzystanie zasobów klatratu metanu jako źródła energii, z uwzględnieniem ewentualnych zagrożeń jakie stwarzają przez możliwość wpływu na zmiany ziemskiego klimatu.

W wysokich ciśnieniach wodzian metanu pozostaje stabilny aż do temperatury 18 °C. Przyjęty uśredniony skład chemiczny: na 1 mol metanu przypada 5,75 mola wody. Gęstość wynosi ok. 0,9 g/cm3. Z tego wynika, że jeden litr wodzianu metanu, zawiera 168 litrów gazowego metanu (w warunkach normalnych)[1].

Spis treści

[edytuj] Nazewnictwo

Nazwa hydrat określa związki stechiometryczne, które przy rozpadzie dają ściśle określone ilości wody, dlatego w przypadku klatratów metanu nazwa ta nie jest zgodna z terminologią chemiczną, jednak powszechnie używa się jej w geologii surowcowej, technice oraz literaturze.

[edytuj] Właściwości

Klatrat metanu to biała, bezwonna, podobna do lodu krystaliczna substancja o niskim przewodnictwie cieplnym (z tego powodu wzięta do ręki próbka nie wydaje się zimna, w dotyku przypomina styropian) i gęstości około 900 kg/m3 (0,9 g/cm3). Jest to ciało stałe stabilne jedynie w określonych warunkach - do około 18°C przy ciśnieniu 15 MPa i około 2°C przy ciśnieniu 3,1 MPa. Masowo zawiera średnio około 85% wody i 15% metanu (ściśle, przyjęty uśredniony stosunek H2O do CH4 wynosi 5,75:1). Spala się równym, czerwonym płomieniem pozostawiając roztopioną wodę.

[edytuj] Struktura kryształu

Struktura sieci krystalicznej klatratów metanu składa się przede wszystkim z elementów (matryc) tworzonych przez 46 cząsteczek wody otaczających dwie małe i sześć średnich klatek, w których uwięzione są cząsteczki gazu, rzadziej zdarzają się elementy złożone z 136 cząsteczek wody otaczających 16 małych i osiem dużych komórek lub złożone z 34 cząsteczek otaczających trzy małe, 12 nieco większych i jedną stosunkowo dużą klatkę[2]. Prawdopodobnie występują także inne rodzaje matryc. W duże komórki mieszczą się także cząsteczki propanu lub butanu. By struktura była trwała, co najmniej 70% klatek musi być zajętych.

[edytuj] Geneza klatratów

Złoże klatratów powstaje przy spełnieniu trzech warunków:

  • obecnoÅ›ci odpowiedniej iloÅ›ci metanu i wody
  • odpowiedniej temperaturze i ciÅ›nieniu
  • przykryciu klatratów nieprzepuszczalnymi osadami

Woda jest łatwo dostępna, metan produkują bakterie w procesie fermentacji anaerebowej. Uważa się, że do powstania złóż konieczna jest głębokość większa niż 300 m, choć odnaleziono złoża występujące już na głębokości 60-100 m[3]. Gdy mieszanka wodno-gazowa krzepnie pod wysokim ciśnieniem, krystalizuje się, tworząc klatrat.

[edytuj] Złoża

Potwierdzone, przewidywane i potencjalne złoża hydratów gazowych na świecie. Źródło: USGS
Potwierdzone, przewidywane i potencjalne złoża hydratów gazowych na świecie. Źródło: USGS

Złoża klatratów występują pod osadami podmorskimi (głównie na stokach kontynentalnych) oraz na terenach wiecznej zmarzliny, a także na dnie jeziora Bajkał[4]. Największe z dotychczas odkrytych występują w głębi Blake Ridge u wybrzeży Karoliny Północnej, bogate złoża znajdują się także w Zatoce Meksykańskiej oraz rowie Nankai u wybrzeży Japonii[5].

Poszukiwania złóż hydratów ułatwia fakt, że fale dźwiękowe rozchodzą się w nich dwukrotnie szybciej niż w zwykłych osadach dennych.

Wielkość zasobów jest bardzo różnie szacowana, ale nie ulega wątpliwości, że znacząco przewyższają złoża gazu ziemnego. Niektóre szacunki mówią, iż ilość węgla zawartego w hydratach dwukrotnie przekracza ilość zgromadzoną w złożach pozostałych kopalin[6], ostrożniejsze szacunki mówią o ilości metanu przekraczającej od 2,5 do 10 razy złoża gazu ziemnego[7].

Znane w 2005 złoża metanu zawartego w klatratach na wodach przybrzeżnych USA ośmiokrotnie przewyższają zasoby gazu ziemnego w tym kraju[5]. Bardzo duże złoża znajdują się w Kanadzie i u jej wybrzeży. Szacowane są 44 - 810 bilionów m3 metanu[8]. Dla porównania znane światowe zasoby gazu ziemnego wynoszą 154 biliony m3.

[edytuj] Występowanie klatratów poza Ziemią

Poza Ziemią klatraty mogą występować także na księżycu Saturna - Tytanie[9]. Domniemuje się również występowanie hydratów na Marsie (w różny sposób wyjaśnia się, w jaki sposób miałyby one tam powstać; na Ziemi większość metanu jest pochodzenia organicznego; według niektórych metan mógł być przyniesiony na Marsa przez meteoryty lub być pozostałością po życiu, jakie mogło tam niegdyś istnieć[10]). Przez niektórych rozważana jest produkcja z nich paliwa rakietowego podczas załogowej wyprawy na tę planetę[11].

[edytuj] Historia

Klatraty gazowe odkrył Joseph Priestley w 1790, były to jednak związki innych gazów niż metan. Po raz pierwszy z "metanowym lodem" zetknęli się operatorzy gazociągów w latach 30. XX wieku. Substancja narastała w rurach blokując przepływ gazu i przez wiele lat była traktowana jedynie jako zanieczyszczenie. Zidentyfikowana została w 1934 przez E. G. Hammerschmidta[12]. Dopiero po trzydziestu latach okazało się, że hydraty występują również w stanie naturalnym. Odkrycia dokonano w odwiertach gazowych na Syberii. W następnym dziesięcioleciu pojawiły się pierwsze doniesienia o złożach klatratów w głębokich osadach podmorskich. W 1981 statek wiertniczy Glomar Challenger wydobył u wybrzeży Gwatemali pierwszą próbkę klatratu. W 1996 załoga niemieckiego statku badawczego FS Sonne wydobyła 50 kg hydratów z dna Pacyfiku w pobliżu Oregonu.

[edytuj] Wydobycie i zastosowanie

Złóż hydratów nie eksploatuje się obecnie na masową skalę, choć podjęto pierwsze próby. W 1997 w USA powstał Program do spraw hydratów metanowych Narodowego Laboratorium Technologii Energetycznych (NETL)[13]. W 1999 dokonano próbnego odwiertu w rowie Nankai nieopodal Japonii. W tym samym roku czasopismo "Georgian Transport System" podało informację o wynoszących 700 mld m3 złożach hydratów na południowy wschód od Baku. Wydobycie ma tam prowadzić już firma BP[14].

W 2001 międzynarodowe konsorcjum złożone z organizacji rządowych i komercyjnych z USA, Kanady, Japonii, Niemiec i Indii podjęło próbę eksploatacji złóż w delcie rzeki Mackenzie w Kanadzie, w okolicy miejscowości Mallik. Do złóż wtłoczono wodę o temperaturze 60°C i po kilku godzinach na powierzchnię zaczął wydobywać się metan. Szczegóły utajniono.

Hydraty wydobywa się obecnie przede wszystkim przez wtłaczanie do złóż gorącej wody, bo roztopić lód, oraz dokonywanie odwiertów w celu obniżenia ciśnienia. Metoda ta jest jednak mało wydajna i chaotyczna. Bardziej efektywne jest użycie w odwiercie niewielkiego palnika przy kontrolowaniu wielkości płomienia poprzez ograniczanie dopływu tlenu. Spala się wówczas 10% metanu, jednak reszta jest możliwa do wykorzystania. Za najbardziej efektywną metodę uchodzi użycie mikrofal o określonej częstotliwości w celu ogrzania hydratów[15].

Zaletą hydratów jest łatwość transportowania. Ilość metanu w 1 m3 umożliwia wykorzystanie hydratów jako alternatywy dla LNG - jest odpowiednikiem około 168 m3 gazu. Mniejsze są wymagania jeśli chodzi o temperaturę transportu - musi być ona jedynie niższa od 0°C[14] (inne źródła mówią o temperaturze niższej od -20°C); dla porównania przy transporcie LNG wymagana jest temperatura -163°C.

[edytuj] Zagrożenia

W związku z ociepleniem klimatu rozpatruje się potencjalne zagrożenia, jakie stwarzają klatraty. Metan jest gazem cieplarnianym, którego zdolność zatrzymywania ciepła (potencjał cieplarniany) jest dwudziestokrotnie większa niż w przypadku dwutlenku węgla. Ulotnienie się go ze złóż hydratów, które zawierają szacunkowo 3000 razy więcej metanu niż wynosi jego ilość w atmosferze ziemskiej, znacząco podniosłoby temperaturę na ziemi. Podejrzewa się, że metan doprowadził do gwałtownego podwyższenia temperatury o 7°C w późnym paleocenie 55 mln lat temu, co doprowadziło do wyginięcia wielu gatunków organizmów morskich. Paleobiolog, dr Krzysztof Małkowski z Polskiej Akademii Nauk wysunął teorię, że klatraty metanu odpowiadają za większość gwałtownych zmian klimatu w historii Ziemi[16].

Innym zagrożeniem mogą być wywołane przez osunięcia fale tsunami. 6000 lat p.n.e. rozpad złóż klatratów doprowadził do przesunięcia się do Morza Norweskiego masy skał ze stoku kontynentalnego o objętości ocenianej na 5300 km3 o 800 km, co wywołało potężną falę. Jej efekty są do dzisiaj zauważalne na północy Anglii[4]. Zagrożone są między innymi Bahamy, które od wschodu opadają stokiem 5000 m w głąb oceanu i klatraty są w ich wypadku utrzymującym je spoiwem.

Zagrożenie wynika z ocieplenia wody oceanicznej, co może prowadzić do przekroczenia granicy stabilności. Przyczyną uwolnienia się metanu może też być zdestabilizowanie zasobów w wyniku prac wydobywczych, jednak jest to możliwe jedynie w szczególnych warunkach geologicznych.

[edytuj] Klatraty a Trójkąt Bermudzki

W 1992 kanał Channel 4 wyemitował film "Trójkąt bermudzki" przedstawiający hydraty jako wyjaśnienie tajemnicy Trójkąta Bermudzkiego. Według autora ulatniający się w wyniku gwałtownego rozkładu metan miał tworzyć pianę wodno-metanową obniżając gęstość wody do bliskiej gęstości powietrza, natomiast samoloty miały spadać z powodu turbulencji. Jednak żadna stacja sejsmiczna nie zarejestrowała żadnego gwałtownego rozkładu złoża.

Sam autor wycofał się ze swej teorii kilka lat po emisji filmu dochodząc do wniosku, że Trójkąt Bermudzki w istocie nie istnieje - częstotliwość wypadków w tym obszarze ma być według niego podobna do innych akwenów o podobnym natężeniu ruchu.

[edytuj] Klatraty w kulturze popularnej

Do klatratów metanu nawiązują:

  • Niemiecki film "Tsunami" (niem. Tsunami) w reżyserii Winfrieda Oelsnera z 2005[17]
  • Powieść Franka Schätzinga "Odwet oceanu" (niem. Der Schwarm) z 2004[19]

Przypisy

  1. ↑ Bhadauria, Ravi, Saha, Achis Kumar i Muralidhar, Kanchi: Extraction of Gas Hydrates (en). [dostęp 9 lipca 2007].
  2. ↑ All About Hydrates - Chemistry of Natural Methane Hydrate (en). W: National Energy Technology Laboratory [on-line]. [dostęp 9 lipca 2007].
  3. ↑ Amos, Jonathan, "Methane ices pose climate puzzle", BBC NEWS, 13 grudnia 2006 [dostÄ™p 8 lipca 2007] (en).
  4. ↑ 4,0 4,1 Kotowski, Włodzimierz. Gaz zmrożony z wodą... Przyszłość w hydratach. ENERGIA GIGAWAT. 10/2005.
  5. ↑ 5,0 5,1 Kotowski, Włodzimierz. Metan z mórz i oceanów. Czyżby nowe Klondike?. ENERGIA GIGAWAT. 08-09/2005.
  6. ↑ Uherek, Elmar: Gazy cieplarniane: Dwutlenek węgla i metan (pl). W: Environmental Science Published for Everybody Round the Earth [on-line]. [dostęp 8 lipca 2007].
  7. ↑ Forowicz, Krystyna: Gazohydraty - nowe źródło energii czy bomba ekologiczna (pl). W: Energia.org.pl [on-line]. 15 kwietnia 2005. [dostęp 8 lipca 2007].
  8. ↑ Majorowicz, Jacek i Osadetz, Kirk: Gas Hydrate Distribution and Volume in Canada (en). Lipiec 2001. [dostęp 9 lipca 2007].
  9. ↑ Supplementary Information (en). [dostęp 8 lipca 2007]. 14.
  10. ↑ Tenenbaum, David: Methane on Mars (en). Astrobiology Magasine. [dostęp 24 lipca 2007].
  11. ↑ Max, Michael D. i Clifford, Stephen M.: Methane hydrate exploration on Mars: developmnent of strategies for planetary exploration (en). [dostęp 8 lipca 2007].
  12. ↑ Lorenc, Maciej. Hydraty w transporcie gazu. RUROCIĄGI. 1/2007, 47.
  13. ↑ The National Methane Hydrates R&D Program (en). W: National Energy Technology Laboratory [on-line]. [dostęp 8 lipca 2007].
  14. ↑ 14,0 14,1 Dakowski, Mirosław: PERSPEKTYWY ENERGETYKI: Słońce, hydraty, wodór (pl). W: RUROCIĄGI [on-line]. Kwiecień 2001. [dostęp 8 lipca 2007].
  15. ↑ Nozdryn-Płotnicka, Anna: Metanowy lód – przyszłość czy zguba ludzkości? (pl). W: AutomatykaOnline [on-line]. 25 kwietnia 2005. [dostęp 8 lipca 2007].
  16. ↑ Małkowski, Krzysztof: Śmiercionośny metan utrzymuje rytm życia na Ziemi (pl). W: Biolog.pl (oryginalnie Nauka w Polsce, PAN) [on-line]. 24 listopada 2006. [dostęp 8 lipca 2007].
  17. ↑ W Krainie dreszczowców - Tsunami - TVP 1 - Program TV (pl). W: Interia.pl [on-line]. [dostęp 8 lipca 2007].
  18. ↑ Tomasz "Delphinux" Kowalski: Niecne pragnienia większej strony świata (pl). W: Wirtualna Polska [on-line]. 22 kwietnia 2004. [dostęp 8 lipca 2007].
  19. ↑ Willoughby, Ele: Der Schwarm: A Geoscientific Page-Turner (en). W: Inkling Magazine [on-line]. 1 maja 2007. [dostęp 8 lipca 2007].

[edytuj] Bibliografia

Rutkowski, Mirosław. Płonący lód z głębin. Wiedza i Życie. Listopad 2002, 815, 28-31. ISSN 0137-8929.

[edytuj] Linki zewnętrzne


Classen-Pol złożył prospekt do KNF; z emisji chce kilkadziesiąt mln zł
Classen-Pol, producent wyrobów drewnianych, złożył do Komisji Nadzoru Finansowego prospekt emisyjny. Spółka chce przeprowadzić ofertę na przełomie roku i pozyskać kilkadziesiąt mln zł - podała spółka w komunikacie.
IERiGŻ: w kolejnych miesiącach żywność będzie taniała
Wzrost produkcji artykułów żywnościowych oraz malejąca chłonność rynku wobec oczekiwanego spadku dynamiki płac powinny obniżać ceny żywności w nadchodzących miesiącach - wynika z comiesięcznej analizy Instytutu Ekonomiki Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej.
DM IDM SA obniżył wycenę akcji KGHM
Analitycy DM IDM SA w raporcie z 6 października obniżyli cenę docelową akcji KGHM z 95 zł do 52 zł, podtrzymując rekomendację "trzymaj".
DM IDM SA obniżył cenę docelową akcji Infovide Matrix
Analitycy DM IDM SA w raporcie z 6 października, obniżyli cenę docelową akcji Infovide Matrix do 16,4 zł z 23,6 zł i podtrzymali rekomendację "trzymaj".
Mewa chce osiągnąć rentowność operacyjną od I kw. 09
Mewa przeprowadza restrukturyzację, której celem jest osiągnięcie przez firmę rentowności operacyjnej od pierwszego kwartału 2009 roku - poinformowała spółka w komunikacie.
Linki: Strona g³ówna