Metan i sig är inte särskilt spännande. Det är en färglös, luktfri gas och den enklaste medlemmen av alkanserien av kolväten. Dess största anspråk på berömmelse är att den, som huvudbeståndsdelen i naturgas, är användbar som energikälla.
Nyligen har dock geologer upptäckt en typ av metan som har väckt deras nyfikenhet. En del av dess ovanliga karaktär är hur den existerar i sitt naturliga tillstånd - instängd i en bur av is. Ännu mer spännande är hur mycket av denna frusna metan som verkar vara inlåst i jordskorpan. Vissa uppskattningar tyder på att så mycket som 700 kvadrillioner (700 × 10 15 ) kubikfot (20 kvadrilljoner kubikmeter) metan är inkapslade i is och fångade i havsbottensediment över hela världen [källa:Tarbuck]. Det är dubbelt så mycket kol som jordens andra fossila bränslen tillsammans.
Upptäckten av denna nya typ av metan, vad forskare kallar metanhydrat , har lett till två viktiga frågor. Det första är pragmatiskt:Kommer det att brinna som vanligt metan? Det visar sig att det kommer. Om du tar en bit metanhydrat - det ser ut som hårdpackad snö - och rör en tänd tändsticka mot den, kommer provet att brinna med en rödaktig låga. Och om så är fallet kan det användas för att värma hem, driva bilar och generellt driva energihungriga nationer som Japan, USA, Indien och Kina. Nya data tyder på att bara 1 procent av jordens metanhydratavlagringar skulle kunna ge tillräckligt med naturgas för att möta USA:s energibehov i 170 000 år [källa:Stone].
Den andra frågan är delvis ett etiskt övervägande:Ska vi, som ett globalt samhälle som ivrigt försöker utveckla ren, förnybar energi, anamma ett av de fossila bränslen som fick oss i trubbel från början? Vetenskapen kan inte svara på den frågan. Det kan dock avslöja de utmaningar och risker som länder står inför som hoppas kunna dra nytta av metanhydrat. En av de viktigaste utmaningarna är att hitta effektiva sätt att utvinna det frusna bränslet. Mer oroande är potentiella katastrofer – allt från massiva undervattensskred till en skenande växthuseffekt – relaterade till metanbrytning.
I den här artikeln kommer vi att utforska alla positiva och negativa egenskaper med metanhydrat. Vi ska titta på dess relativt korta historia, samt hur den passar in i några möjliga framtidsscenarier. Och, naturligtvis, kommer vi att undersöka den grundläggande vetenskapen bakom denna så kallade "brandfarliga is."
Låt oss börja med lite kemi.
Innehåll
Fryst bränsle är det catchy namnet på en familj av ämnen som kallas gashydrater . Gasen i fråga är naturgas, en blandning av kolväten, såsom metan, propan, butan och pentan. Av dessa är metan den överlägset vanligaste komponenten och en av de mest studerade föreningarna inom kemin.
Liksom alla kolväten innehåller metan bara två grundämnen - kol och väte. Det är ett exempel på ett mättat kolväte , eller en molekyl som helt består av enkelbindningar och därför det maximala antalet tillåtna väteatomer. Den allmänna formeln för mättade kolväten är Cn H2n+2 . Metan har bara en kolatom, så dess kemiska formel är CH4 . Kemister beskriver denna form som en tetraeder.
Metan är en färglös, luktfri, brännbar gas som produceras genom bakteriell nedbrytning av växt- och djurmaterial. Det bildas i en process som delas av alla fossila bränslen. Först dör marina växter och djur och faller till havsbotten. Därefter täcker lera och andra havsbottensediment de sönderfallande organismerna. Sedimenten sätter ett stort tryck på det organiska materialet och börjar komprimera det. Denna kompression, i kombination med höga temperaturer, bryter ner kolbindningarna i det organiska materialet och omvandlar det till olja och naturgas.
I allmänhet ligger denna metan - vad geologer beskriver som "konventionell" metan - under jordens yta. För att komma till det måste arbetare borra genom sten och sediment och knacka in i metanavlagringarna för att frigöra gasen. Sedan pumpar de upp det till ytan, där det transporteras genom rör över landet.
Metan kan också bildas på okonventionellt sätt om sedimenten som producerar det ligger cirka 1 640 fot (500 meter) under havsytan. Temperaturerna nära fryspunkten och det höga trycket av dessa förhållanden gör att metanet blir inkapslat i is. Metanet binder inte kemiskt till vattnet. Istället sitter varje tetraedrisk metanmolekyl inuti ett kristallint skal gjort av is. Denna unika substans kallas metanhydrat , och så fort den når varmare temperaturer och lägre tryck, smälter isen bort och lämnar efter sig ren metan.
Geologer upptäckte naturligt förekommande metanhydrat först nyligen, men kemister har känt till det i flera år, som vi kommer att se i nästa avsnitt.
KlatratföreningarMetanhydrat är ett klatrat , en kemisk substans gjord av en förening som är kapslad inuti en annan. Ordet kommer från latinets clatratus , vilket betyder "stänger" eller "galler". Den ena föreningen fungerar som värd, den andra som gäst. När det gäller metanhydrat är vatten värden och metan är gäst. Av denna anledning hänvisar kemister ibland till klatrater som värd-gästkomplex .
Historien om gashydrater kan spåras tillbaka till Humphrey Davy, en kemist från Cornwall, England, som identifierade klor som ett grundämne 1810.
Davy och hans assistent, Michael Faraday, fortsatte att arbeta med klor under hela början av 1800-talet, blandade den gröna gasen med vatten och kylde blandningen till låga temperaturer.
Det är mycket troligt att Davy observerade det märkliga fasta ämnet som resulterade när kloratomer blev inkapslade i iskristaller, men Faraday får officiell kredit för upptäckten. År 1823 utfärdade Faraday en rapport som beskrev det märkliga ämnet och kallade det klorklatrathydrat. Andra typer av klatrater, var och en involverade en gästförening låst inuti en värds gitterstruktur, upptäcktes snart, men de förblev en laboratoriekuriosa.
Sedan, på 1930-talet, började naturgasgruvarbetare klaga över ett isliknande material som täppte till rörledningar utsatta för kalla temperaturer. Forskare fastställde att detta material inte var ren is, utan is lindad runt metan. De slösade ingen tid på att försöka hitta sätt att förhindra att hydrater bildas och vände sig främst till kemikalier, som metanol eller monoetylenglykol. Sedan dess har gruvföretag lagt till dessa material till sina naturgasledningar för att förhindra hydratbildning.
På 1960-talet upptäckte forskare att metanhydrat, eller "fast naturgas", fanns i gasfältet Messoyakha i västra Sibirien. Detta var betydelsefullt eftersom naturligt förekommande gashydrater aldrig hade hittats tidigare. Geologer och kemister anlände till den enorma bassängen och började studera förhållanden under vilka hydraterna bildades. De fann att subpermafrostsediment var rika på hydrater och började leta efter liknande avlagringar i andra höglatitudregioner. Snart hittade ett annat team av forskare metanhydrat i sediment begravda djupt under Alaskas norra sluttning.
Baserat på dessa tidiga fynd genomförde U.S. Geological Survey (USGS) och Department of Energy National Energy Technology Laboratory omfattande forskning mellan 1982 och 1992, och avslöjade att metanhydratavlagringar också kunde hittas i offshoresediment. Plötsligt såg det som en gång varit en kuriosa och en industriell olägenhet ut att kunna vara en betydande resurs. I mitten av 1990-talet tog Japan och Indien ledningen i metanhydratforskningen, med målet att hitta fler fyndigheter och utveckla sätt att utvinna det fångade metanet ekonomiskt. Forskare har sedan dess upptäckt metanhydratavlagringar på många platser, inklusive Mackenzie River-deltat i Kanada och Nankai-tråget utanför Japans kust.
Härnäst ska vi överväga vilken inverkan metanhydrat kan ha på världens energiförsörjning.
När forskare började leta efter metanhydratavlagringar blev de inte besvikna. De hittade dem under arktisk permafrost och under havsbotten, särskilt i områden där en tektonisk platta glider över en annan. Dessa områden är kända som subduktionszoner eftersom kanten på en platta rör sig under en annan. Till exempel, utanför Washingtons och Oregons kust, glider Juan de Fuca-plattan under den nordamerikanska plattan. Som en träbit som dras över bladet på ett plan, avlägsnas sedimenten, inklusive hydrater, från Juan de Fuca-plattan av den steniga skorpan på den nordamerikanska plattan. Detta skapar en ås av hydrater som löper parallellt med kusten.
Hydratavlagringar har också hittats i regioner där stora havsströmmar möts. Blake Ridge är en formation som ligger utanför South Carolinas kust, i vatten som sträcker sig från 6 562 till 15 748 fot (2 000 till 4 800 meter) djupt. Geologer tror att åsen bildades under oligocen-epoken, för cirka 33,7 till 23,8 miljoner år sedan. Grönlandshavet öppnade sig under denna tid och lät enorma mängder kallt, tätt vatten strömma söderut längs Atlantkusten. När detta kalla vatten rann handlöst in i varmt vatten som fördes norrut på Golfströmmen, saktade strömmarna ner och tappade stora mängder sediment. Organiskt material begravt i dessa sediment gav så småningom upphov till en stor mängd metanhydrat.
Hur mycket av detta frusna bränsle finns på Blake Ridge och andra platser runt om i världen? Vissa uppskattningar visar att mängden metan som är inlåst i hydrater är allt från 100 000 biljoner till 300 000 000 biljoner kubikfot (2 832 biljoner till 8 495 054 biljoner kubikmeter). Jämför det med de 13 000 biljoner kubikfot (368 biljoner kubikmeter) av konventionella naturgasreserver som finns kvar på planeten, och du kan förstå varför käftarna i det vetenskapliga samfundet har tappat [källa:Collett].
Att hitta hydratavlagringarna är förstås en sak. Som vi kommer att se i nästa avsnitt är att få ut dem – och göra det säkert – en helt annan sak.
De potentiella fördelarna med att frigöra metan från gashydratfält måste balanseras med riskerna. Och riskerna är betydande. Låt oss börja först med utmaningar som gruvföretag och deras arbetare står inför. De flesta metanhydratavlagringar finns i havsbottensediment. That means drilling rigs must be able to reach down through more than 1,600 feet (500 meters) of water and then, because hydrates are generally located far underground, another several thousand feet before they can begin extraction. Hydrates also tend to form along the lower margins of continental slopes, where the seabed falls away from the relatively shallow shelf toward the abyss. The roughly sloping seafloor makes it difficult to run pipeline.
Even if you can situate a rig safely, methane hydrate is unstable once it's removed from the high pressures and low temperatures of the deep sea. Methane begins to escape even as it's being transported to the surface. Unless there's a way to prevent this leakage of natural gas, extraction won't be efficient. It will be a bit like hauling up well water using a pail riddled with holes.
Believe it or not, this leakage may be the least of the worries. Many geologists suspect that gas hydrates play an important role in stabilizing the seafloor. Drilling in these oceanic deposits could destabilize the seabed, causing vast swaths of sediment to slide for miles down the continental slope. Evidence suggests that such underwater landslides have occurred in the past (see sidebar), with devastating consequences. The movement of so much sediment would certainly trigger massive tsunamis similar to those seen in the Indian Ocean tsunami of December 2004.
But perhaps the biggest concern is how methane hydrate mining could affect global warming. Scientists already know that hydrate deposits naturally release small amounts of methane. The gas works itself skyward -- either bubbling up through permafrost or ocean water -- until it's released into the atmosphere. Once methane is in the atmosphere, it becomes a greenhouse gas even more efficient than carbon dioxide at trapping solar radiation. Some experts fear that drilling in hydrate deposits could cause catastrophic releases of methane that would greatly accelerate global warming.
Does that make methane from hydrate fields off-limits? This is the question scientists from all over the world are trying to answer.
Moving MountainsOne of the largest landslides in history didn't occur on land, but underwater, just off the coast of Norway. It also didn't occur in recent history, but in the Holocene epoch, about 8,000 years ago. Known as the Storegga Submarine Landslide, the event caused massive amounts of sediments to slide about 497 miles (800 kilometers) down the continental slope. This in turn triggered a mega-tsunami, perhaps 82 feet (25 meters) high, that struck Norway and Scotland.
In 1998, Russian researchers discovered an unstable hydrate field near the site of the Storegga slide. Now scientists believe that a rapid decomposition of hydrates, related to temperature and pressure changes coming at the end of the last ice age, destabilized the sediments and caused the landslide.
In 1997, the U.S. Department of Energy (DOE) initiated a research program that would ultimately allow commercial production of methane from gas hydrate deposits by 2015. Three years later, Congress authorized funding through the Methane Hydrate Research and Development Act of 2000. The Interagency Coordination Committee (ICC), a coalition of six government agencies, has been advancing research on several fronts. Much of what we know about the basic science of methane hydrate -- how it forms, where it forms and what role it plays, both in seafloor stabilization and global warming -- has come from the ICC's research.
Interesting ideas about how to extract the methane from hydrates efficiently are also emerging. Some experts propose a technique in which miners pump hot water down a drill hole to melt the hydrate and release the trapped methane. As the methane escapes, it is pumped to the seafloor through a companion drill hole. From there, submarine pipelines carry the natural gas ashore. Unfortunately, such pipelines would need to travel over difficult underwater terrain. One solution is to build a production facility on the seafloor so it is situated near the hydrate deposits. As methane escapes from the heated sediments, workers in the plant would refreeze the gas to form "clean" methane hydrate. Submarines would then tow the frozen fuel in huge storage tanks to shallower waters, where the methane could be extracted and transported safely and efficiently.
Is all of this necessary? Won't renewable energy sources make it a waste of time to pursue another nonrenewable fossil fuel so vigorously? Realistically, fossil fuels will still be an important component of the world's overall energy mix for decades to come. According to the Energy Information Administration (EIA), total U.S. natural gas consumption is expected to increase from about 22 trillion cubic feet (0.622 trillion cubic meters) today to about 27 trillion cubic feet (0.76 trillion cubic meters) in 2030. Global natural gas consumption is expected to increase to 182 trillion cubic feet (5.15 trillion cubic meters) over the same period [source:EIA]. Tapping into the methane locked away in hydrates will obviously play a key role in meeting that demand.
That means the frozen fuel from methane hydrate can buy more time as scientists search for alternatives to power our planet. Think of it as an important stepping-stone in our transition to cleaner, greener energy sources.
