science >> Wetenschap > >> Natuur

Hoe bevroren brandstof werkt

Dat is niet zomaar modder. Het is modder met methaanhydraat, ijsachtige kristallen die zich vormen bij lage temperaturen en hoge druk. En het zou een toekomstige energiebron kunnen zijn. Zie meer alternatieve brandstof foto's. AP Photo/HO, USGS

Op zich is methaan niet zo spannend. Het is een kleurloos, geurloos gas en het eenvoudigste lid van de alkaanreeks van koolwaterstoffen. De grootste claim op roem is dat het, als hoofdbestanddeel van aardgas, nuttig is als energiebron.

Onlangs hebben geologen echter een soort methaan ontdekt dat hun nieuwsgierigheid heeft gewekt. Een deel van zijn ongewone karakter is hoe het in zijn natuurlijke staat bestaat - opgesloten in een kooi van ijs. Nog intrigerender is hoeveel van dit bevroren methaan lijkt te zijn opgesloten in de aardkorst. Sommige schattingen geven aan dat maar liefst 700 biljard (700 × 10¹⁵ ) kubieke voet (20 quadriljoen kubieke meter) methaan is ingepakt in ijs en gevangen in zeebodemsedimenten over de hele wereld [bron:Tarbuck]. Dat is twee keer zoveel koolstof als de andere fossiele brandstoffen van de aarde samen.

De ontdekking van dit nieuwe type methaan, wat wetenschappers methaanhydraat noemen , heeft geleid tot twee belangrijke vragen. De eerste is pragmatisch:zal het branden als gewoon methaan? Het blijkt dat het zal gebeuren. Als je een stuk methaanhydraat neemt -- het ziet eruit als dicht opeengepakte sneeuw -- en er een brandende lucifer op aanraakt, zal het monster branden met een roodachtige vlam. En als dat het geval is, kan het worden gebruikt om huizen te verwarmen, auto's van brandstof te voorzien en in het algemeen energieverslindende landen zoals Japan, de Verenigde Staten, India en China van stroom te voorzien. Recente gegevens suggereren dat slechts 1 procent van de methaanhydraatafzettingen op aarde voldoende aardgas zou kunnen opleveren om 170.000 jaar lang aan de energiebehoeften van Amerika te voldoen [bron:Stone].

De tweede vraag is deels een ethische overweging:moeten we, als wereldwijde gemeenschap die vurig probeert om schone, hernieuwbare energie te ontwikkelen, een van de fossiele brandstoffen omarmen die ons in de eerste plaats in de problemen hebben gebracht? De wetenschap kan die vraag niet beantwoorden. Het kan echter de uitdagingen en risico's onthullen waarmee landen worden geconfronteerd die hopen te profiteren van methaanhydraat. Een van de grootste uitdagingen is het vinden van efficiënte manieren om de bevroren brandstof te extraheren. Verontrustender zijn mogelijke catastrofes -- variërend van enorme aardverschuivingen onder water tot een op hol geslagen broeikaseffect -- gerelateerd aan methaanwinning.

In dit artikel zullen we alle positieve en negatieve kanten van methaanhydraat onderzoeken. We zullen kijken naar de relatief korte geschiedenis en hoe het past in enkele mogelijke toekomstige scenario's. En natuurlijk zullen we de basiswetenschap achter dit zogenaamde "brandbare ijs" onderzoeken.

Laten we beginnen met wat scheikunde.

Inhoud

Vuur en ijs:de chemie van methaanhydraat
Een korte geschiedenis van methaanhydraat
Het potentieel van bevroren brandstof
De riskante onderneming van het mijnen van methaanhydraat
De toekomst van bevroren brandstof

Vuur en ijs:de chemie van methaanhydraat

Weergave van een methaanmolecuul, waarbij de blauwe bol koolstof voorstelt en de vier rode bolletjes waterstof © iStockphoto .com/JC559

Bevroren brandstof is de pakkende naam voor een familie van stoffen die bekend staat als gashydraten . Het gaat om aardgas, een mengsel van koolwaterstoffen, zoals methaan, propaan, butaan en pentaan. Hiervan is methaan verreweg de meest voorkomende component en een van de meest bestudeerde verbindingen in de chemie.

Zoals alle koolwaterstoffen bevat methaan slechts twee elementen:koolstof en waterstof. Het is een voorbeeld van een verzadigde koolwaterstof , of een molecuul dat volledig uit enkele bindingen bestaat en daarom het maximaal toegestane aantal waterstofatomen. De algemene formule voor verzadigde koolwaterstoffen is C_n H_2n+2 . Methaan heeft maar één koolstofatoom, dus de chemische formule is CH₄ . Chemici beschrijven deze vorm als een tetraëder.

Methaan is een kleurloos, geurloos, brandbaar gas dat wordt geproduceerd door bacteriële afbraak van plantaardig en dierlijk materiaal. Het vormt zich in een proces dat door alle fossiele brandstoffen wordt gedeeld. Ten eerste sterven mariene planten en dieren en vallen op de zeebodem. Vervolgens bedekken modder en andere zeebodemsedimenten de ontbindende organismen. De sedimenten zetten veel druk op de organische stof en beginnen deze samen te persen. Deze compressie, gecombineerd met hoge temperaturen, breekt de koolstofbindingen in de organische stof af en zet deze om in olie en aardgas.

Over het algemeen bevindt dit methaan - wat geologen beschrijven als "conventioneel" methaan - zich onder het aardoppervlak. Om er te komen, moeten arbeiders door rots en sediment boren en de methaanafzettingen aanboren om het gas vrij te maken. Daarna pompen ze het naar de oppervlakte, waar het via leidingen door het hele land wordt vervoerd.

Methaan kan zich ook onconventioneel vormen als de sedimenten die het produceren zich ongeveer 500 meter onder het oceaanoppervlak bevinden. De bijna-vriestemperaturen en de hoge druk van deze omstandigheden zorgen ervoor dat het methaan in ijs wordt ingesloten. Het methaan bindt zich niet chemisch met het water. In plaats daarvan zit elk tetraëdrisch methaanmolecuul in een kristallijne schaal gemaakt van ijs. Deze unieke stof staat bekend als methaanhydraat , en zodra het warmere temperaturen en lagere drukken bereikt, smelt het ijs weg en blijft puur methaan achter.

Geologen hebben pas onlangs het natuurlijk voorkomende methaanhydraat ontdekt, maar scheikundigen weten het al jaren, zoals we in de volgende paragraaf zullen zien.

Clathraatverbindingen

Methaanhydraat is een clathraat , een chemische stof gemaakt van de ene verbinding genest in een andere. Het woord komt van het Latijnse clatratus , wat 'staven' of 'rooster' betekent. De ene compound dient als gastheer, de andere als gast. In het geval van methaanhydraat is water de gastheer en methaan de gast. Om deze reden noemen scheikundigen clathraten soms gast-gast-complexen .

Een korte geschiedenis van methaanhydraat

Gashydraatbrokken teruggevonden in de Golf van Mexico in 2002 Foto met dank aan Bill Winters/USGS

De geschiedenis van gashydraten gaat terug tot Humphrey Davy, een chemicus uit Cornwall, Engeland, die in 1810 chloor als een element identificeerde.

Davy en zijn assistent, Michael Faraday, bleven in het begin van de 19e eeuw met chloor werken, waarbij ze het groene gas met water mengden en het mengsel tot lage temperaturen koelden.

Het is zeer waarschijnlijk dat Davy de vreemde vaste stof heeft waargenomen die ontstond toen chlooratomen werden ingesloten in ijskristallen, maar Faraday krijgt officieel de eer voor de ontdekking. In 1823 bracht Faraday een rapport uit waarin de vreemde substantie werd beschreven en noemde het chloorclathraathydraat. Andere soorten clathrates, elk met een gastcompound opgesloten in de roosterstructuur van een gastheer, werden al snel ontdekt, maar ze bleven een curiositeit in het laboratorium.

Toen, in de jaren dertig, begonnen aardgasmijnwerkers te klagen over een ijsachtig materiaal dat pijpleidingen verstopte die waren blootgesteld aan koude temperaturen. Wetenschappers hebben vastgesteld dat dit materiaal geen puur ijs was, maar ijs dat om methaan was gewikkeld. Ze verspilden geen tijd aan het zoeken naar manieren om de vorming van hydraten te voorkomen en wendden zich voornamelijk tot chemicaliën, zoals methanol of monoethyleenglycol. Sindsdien hebben mijnbouwbedrijven deze materialen toegevoegd aan hun aardgaspijpleidingen om de vorming van hydraat te remmen.

In de jaren zestig ontdekten wetenschappers dat methaanhydraat, of 'vast aardgas', bestond in het Messoyakha-gasveld in West-Siberië. Dit was belangrijk omdat natuurlijk voorkomende gashydraten nog nooit eerder waren gevonden. Geologen en scheikundigen arriveerden in het uitgestrekte bekken en begonnen de omstandigheden te bestuderen waaronder de hydraten zich vormden. Ze ontdekten dat subpermafrost-sedimenten rijk waren aan hydraten en gingen op zoek naar vergelijkbare afzettingen in andere gebieden op hoge breedtegraden. Al snel vond een ander team van onderzoekers methaanhydraat in sedimenten die diep onder de noordhelling van Alaska waren begraven.

Op basis van deze vroege bevindingen hebben de U.S. Geological Survey (USGS) en het Department of Energy National Energy Technology Laboratory tussen 1982 en 1992 uitgebreid onderzoek gedaan, waaruit bleek dat methaanhydraatafzettingen ook in offshore sedimenten kunnen worden gevonden. Plots leek wat ooit een curiositeit en industriële overlast was geweest, een belangrijke hulpbron te zijn. Halverwege de jaren negentig namen Japan en India het voortouw in het onderzoek naar methaanhydraat, met als doel meer afzettingen te vinden en manieren te ontwikkelen om het opgesloten methaan economisch te extraheren. Sindsdien hebben wetenschappers op tal van locaties methaanhydraatafzettingen ontdekt, waaronder de Mackenzie River-delta in Canada en de Nankai-trog voor de kust van Japan.

Vervolgens bekijken we de impact die methaanhydraat kan hebben op de energievoorziening van de wereld.

Het potentieel van bevroren brandstof

Belangrijkste methaanhydraatvelden HowStuffWorks.com

Toen wetenschappers eenmaal op zoek gingen naar methaanhydraatafzettingen, werden ze niet teleurgesteld. Ze vonden ze onder Arctische permafrost en onder de zeebodem, vooral in gebieden waar de ene tektonische plaat over de andere schuift. Deze regio's staan bekend als subductiezones omdat de rand van de ene plaat onder de andere schuift. Voor de kust van Washington en Oregon schuift bijvoorbeeld de Juan de Fuca-plaat onder de Noord-Amerikaanse plaat door. Als een stuk hout dat over het blad van een vliegtuig wordt getrokken, worden de sedimenten, inclusief hydraten, van de Juan de Fuca-plaat verwijderd door de rotsachtige korst van de Noord-Amerikaanse plaat. Hierdoor ontstaat een rug van hydraten die evenwijdig aan de kust loopt.

Hydraatafzettingen zijn ook gevonden in gebieden waar grote oceaanstromingen samenkomen. Blake Ridge is een formatie gelegen voor de kust van South Carolina, in water variërend van 6.562 tot 15.748 voet (2.000 tot 4.800 meter) diep. Geologen geloven dat de bergkam gevormd is tijdens het Oligoceen, ongeveer 33,7 tot 23,8 miljoen jaar geleden. De Groenlandse Zee opende zich gedurende deze tijd, waardoor enorme hoeveelheden koud, dicht water langs de Atlantische kust naar het zuiden stroomden. Toen dit koude water halsoverkop in warm water stroomde dat door de Golfstroom naar het noorden werd gevoerd, vertraagden de stromingen en lieten grote hoeveelheden sediment vallen. Organisch materiaal begraven in deze sedimenten gaf uiteindelijk aanleiding tot een grote hoeveelheid methaanhydraat.

Hoeveel van deze bevroren brandstof is er in Blake Ridge en andere locaties over de hele wereld? Volgens sommige schattingen ligt de hoeveelheid methaan opgesloten in hydraten ergens tussen 100.000 biljoen en 300.000.000 biljoen kubieke voet (2.832 biljoen tot 8.495.054 biljoen kubieke meter). Vergelijk dat met de 13.000 biljoen kubieke voet (368 biljoen kubieke meter) conventionele aardgasreserves die nog op de planeet aanwezig zijn, en je begrijpt waarom de wetenschappelijke gemeenschap de mond heeft gesnoerd [bron:Collett].

Natuurlijk is het vinden van de hydraatafzettingen één ding. Zoals we in het volgende gedeelte zullen zien, is het iets heel anders om ze eruit te krijgen -- en het veilig te doen -- iets heel anders.

De riskante onderneming van het mijnen van methaanhydraat

De potentiële voordelen van het vrijkomen van methaan uit gashydraatvelden moeten worden afgewogen tegen de risico's. En de risico's zijn aanzienlijk. Laten we eerst beginnen met de uitdagingen waarmee mijnbouwbedrijven en hun werknemers worden geconfronteerd. De meeste methaanhydraatafzettingen bevinden zich in zeebodemsedimenten. Dat betekent dat boorplatforms door meer dan 500 meter water moeten kunnen reiken en dan, omdat hydraten zich over het algemeen ver onder de grond bevinden, nog een paar duizend voet voordat ze met de winning kunnen beginnen. Hydraten hebben ook de neiging zich te vormen langs de lagere randen van continentale hellingen, waar de zeebodem wegvalt van de relatief ondiepe plank naar de afgrond. De ruw aflopende zeebodem maakt het moeilijk om de pijpleiding te laten lopen.

Zelfs als je een booreiland veilig kunt situeren, is methaanhydraat onstabiel als het eenmaal is verwijderd uit de hoge drukken en lage temperaturen van de diepzee. Methaan begint te ontsnappen terwijl het naar de oppervlakte wordt getransporteerd. Tenzij er een manier is om deze lekkage van aardgas te voorkomen, zal winning niet efficiënt zijn. Het zal een beetje zijn als het naar boven halen van bronwater met een emmer vol gaten.

Geloof het of niet, deze lekkage is misschien wel de minste van de zorgen. Veel geologen vermoeden dat gashydraten een belangrijke rol spelen bij het stabiliseren van de zeebodem. Boren in deze oceanische afzettingen zou de zeebodem kunnen destabiliseren, waardoor enorme zwaden sediment kilometers ver van de continentale helling afglijden. Er zijn aanwijzingen dat dergelijke aardverschuivingen onder water in het verleden hebben plaatsgevonden (zie kader), met verwoestende gevolgen. De beweging van zoveel sediment zou zeker massale tsunami's veroorzaken, vergelijkbaar met die in de tsunami in de Indische Oceaan van december 2004.

Maar misschien is de grootste zorg wel hoe methaanhydraatwinning de opwarming van de aarde kan beïnvloeden. Wetenschappers weten al dat hydraatafzettingen van nature kleine hoeveelheden methaan afgeven. Het gas werkt zichzelf naar de hemel - of borrelt omhoog door permafrost of oceaanwater - totdat het in de atmosfeer wordt vrijgegeven. Als methaan eenmaal in de atmosfeer is, wordt het een broeikasgas dat nog efficiënter is dan koolstofdioxide om zonnestraling op te vangen. Sommige experts vrezen dat boren in hydraatafzettingen catastrofale methaanuitstoot kan veroorzaken die de opwarming van de aarde enorm zou versnellen.

Maakt dat methaan uit hydraatvelden verboden terrein? Dit is de vraag die wetenschappers van over de hele wereld proberen te beantwoorden.

Bergen verzetten

Een van de grootste aardverschuivingen in de geschiedenis vond niet op het land plaats, maar onder water, net voor de kust van Noorwegen. Het kwam ook niet voor in de recente geschiedenis, maar in het Holoceen, ongeveer 8.000 jaar geleden. Deze gebeurtenis, bekend als de Storegga Submarine Landslide, zorgde ervoor dat enorme hoeveelheden sedimenten ongeveer 800 kilometer van de continentale helling afgleden. Dit veroorzaakte op zijn beurt een megatsunami, misschien wel 25 meter hoog, die Noorwegen en Schotland trof.

In 1998 ontdekten Russische onderzoekers een onstabiel hydraatveld nabij de plaats van de Storegga-glijbaan. Nu geloven wetenschappers dat een snelle afbraak van hydraten, gerelateerd aan temperatuur- en drukveranderingen aan het einde van de laatste ijstijd, de sedimenten destabiliseerde en de aardverschuiving veroorzaakte.