Ropa a plyn

Methan hydrát



Největší zdroj zemního plynu na světě je uvězněn pod permafrostem a oceánskými sedimenty.


Hydrát methanu: Vlevo je model metanu hydrátu typu „míč a hůl“ ukazující střední molekulu metanu obklopenou „klecí“ molekul vody. Ostatní uhlovodíkové molekuly, jako je pentan a ethan, mohou zaujímat centrální polohu v této struktuře. (Obrázek Ministerstva energetiky Spojených států). Vpravo je hořící vzorek ledu s metanem (obrázek Geologického průzkumu Spojených států).

Methan hydrát "cement" v konglomerátu ?: Tato fotografie ukazuje základní vzorek metanhydrátové zóny v testovací jamce Mallik. Tato studna proniká permafrostovými depozity v kanadské oblasti Mackenzie River Delta. Tato část jádra ukazuje štěrky cementované do „konglomerátu“ ledem hydrátu metanu. Klikněte pro zvětšení obrázku.

Další energetický „Game Changer“?

Jak se zemní plyn z břidlic stává globálním energetickým „měničem her“, vědci v oblasti ropy a zemního plynu pracují na vývoji nových technologií na výrobu zemního plynu z depozitů metanu. Tento výzkum je důležitý, protože ložiska hydrátu metanu jsou považována za větší uhlovodíkový zdroj než všechny světové zdroje ropy, zemního plynu a uhlí společně. 1 Pokud lze tyto usazeniny efektivně a ekonomicky rozvíjet, mohl by se hydrát metanu stát dalším měničem energetické hry.

Obrovské množství hydrátu methanu bylo nalezeno pod polárním permafrostem, pod antarktickým ledem a v sedimentárních ložiskách podél kontinentálních okrajů po celém světě. V některých částech světa jsou mnohem blíže k oblastem s vysokou populací než jakékoli pole zemního plynu. Tato ložiska v okolí by mohla zemím, které v současnosti dovážejí zemní plyn, umožnit, aby se stali soběstačnými. Současnou výzvou je inventarizovat tento zdroj a najít bezpečné a ekonomické způsoby jeho rozvoje.

Tabulka stability hydrátu methanolu: Tento fázový diagram ukazuje hloubku vody (tlak) na svislé ose a teplotu na vodorovné ose. Čárkované čáry oddělují pole stability vody, vodního ledu, plynu a hydrátu plynu. Linka označená „Přechod hydrátu na plyn“ je významná. Pod touto čarou se vyskytují podmínky pro tvorbu hydrátu methanu. Nad touto čarou se nebude tvořit hydrát methanu. Červená čára sleduje geotermu (změna teploty s hloubkou na konkrétním místě). Všimněte si, jak se při zvyšování hloubky protíná geotermální přechodová linie z hydrátu na plyn. To znamená, že hydrát plynu v sedimentech obvykle překrývá volný plyn. Graf upraven po NOAA. 4

Co je methan hydrát?

Hydrát metanu je krystalická pevná látka, která se skládá z molekuly metanu obklopené klecí vzájemně propojených molekul vody (viz obrázek v horní části této stránky). Hydrát metanu je „led“, který se přirozeně vyskytuje pouze v podpovrchových ložiscích, kde jsou podmínky jeho teploty a tlaku příznivé. Tyto podmínky jsou znázorněny ve fázovém diagramu na této stránce.

Pokud se z tohoto prostředí / tlaku odstraní led, stane se nestabilním. Z tohoto důvodu je obtížné studovat vklady hydrátu methanu. Nemohou být vrtány a zpracovávány pro studium jako jiné povrchové materiály, protože jak jsou přivedeny na povrch, tlak je snížen a teplota stoupá. To způsobí, že se led roztaví a metan unikne.

Pro hydrát metanu se běžně používá několik dalších jmen. Mezi ně patří: methan klatrát, hydromethan, metanový led, požární led, hydrát zemního plynu a hydrát plynu. Většina depozitů hydrátu methanu také obsahuje malá množství jiných hydrátů uhlovodíků. Mezi ně patří hydrát propanu a hydrát etanu.

Mapa hydrátu metanu: Tato mapa je generalizovanou verzí umístění v globální inventuře databáze výskytu hydrátu zemního plynu USGS. 2

Mapa hydrátu plynu: Jedním z nejvíce studovaných ložisek hydrátu plynu je Blake Ridge, offshore Severní Karolína a Jižní Karolína. Výzvy při výrobě metanu z tohoto ložiska jsou vysoký obsah jílu a nízká koncentrace metanu. 3 Tato mapa je příkladem blízkosti kontinentálních maržových vkladů k potenciálním trhům se zemním plynem. Obrázek NOAA. 4

Laboratoř plynových hydrátů USGS: Toto video vás vezme na návštěvu do laboratoře USGS Gas Hydrates Lab, kde vědci provádějí experimenty se vzorky hydrátů plynu odebraných z polárních a kontinentálních okrajových oblastí. Vytvářejí také hydráty syntetických plynů a provádějí experimenty s cílem určit jejich chemické a fyzikální vlastnosti.

Kde jsou vklady hydrátu methanu?

Čtyři prostředí Země mají podmínky teploty a tlaku vhodné pro tvorbu a stabilitu hydrátu metanu. Jedná se o: 1) sediment a sedimentární skalní jednotky pod polárním permafrostem; 2) sedimentární ložiska podél kontinentálních okrajů; 3) hlubinné sedimenty vnitrozemských jezer a moří; a 4) pod antarktickým ledem. 10. S výjimkou antarktických depozit nejsou akumulace hydrátu metanu příliš hluboko pod zemským povrchem. Ve většině situací je hydrát metanu ve vzdálenosti několika set metrů od povrchu sedimentu.

Modely depozitů methan hydrátu: Modely depozitů pro vklady hydrátu metanu na kontinentálních okrajích a pod permafrostem. 7

V těchto prostředích se hydrát metanu vyskytuje v sedimentu jako vrstvy, uzly a intergranulární cementy. Vklady jsou často tak husté a příčně perzistentní, že vytvářejí nepropustnou vrstvu, která zachycuje zemní plyn pohybující se zdola nahoru.

V roce 2008 Geologický průzkum Spojených států odhadl celkový neobjevený zdroj hydrátu plynu pro oblast severního svahu Aljašky. Odhadují, že celkový neobjevený zdroj zemního plynu ve formě hydrátu plynu se pohybuje mezi 25,2 a 157,8 bilionů kubických stop. Protože prostřednictvím akumulace hydrátu plynu bylo vyvrtáno velmi málo vrtů, mají odhady velmi vysokou míru nejistoty. 5

Laboratoř plynových hydrátů USGS: Toto video vás vezme na návštěvu do laboratoře USGS Gas Hydrates Lab, kde vědci provádějí experimenty se vzorky hydrátů plynu odebraných z polárních a kontinentálních okrajových oblastí. Vytvářejí také hydráty syntetických plynů a provádějí experimenty s cílem určit jejich chemické a fyzikální vlastnosti.

Plynový hydrát dobře: Ignik Sikumi # 1 plyn dobře hydratuje na severním svahu Aljašky. Hodnocení zdroje hydrátu plynu USGS určilo, že v severním svahu je rozsáhlý zdroj hydrátu plynu zachycen pod permafrostem. Ministerstvo energetiky fotografie.

Ignik Sikumi: Toto video vás provede při návštěvě polního pokusu o hydrátech plynu Ignik Sikumi, studny na severním svahu Aljašky, která produkovala zemní plyn z hydrátů plynu pod permafrostem. Zde se dosáhlo uvolnění metanu jeho nahrazením oxidem uhličitým - aniž by došlo k roztavení hydrátu plynu.

Kde se dnes vyrábí hydrát methanu?

K dnešnímu dni nedošlo k žádné velké komerční produkci metanu z depozitů hydrátu plynu. Veškerá produkce byla buď v malém měřítku nebo experimentální.

Na počátku roku 2012 vytvořil společný projekt mezi Spojenými státy a Japonskem stálý tok metanu vstřikováním oxidu uhličitého do akumulace hydrátu metanu. Oxid uhličitý nahradil methan v hydrátové struktuře a uvolnil metan do toku na povrch. Tento test byl významný, protože umožňoval výrobu metanu bez nestabilit spojených s hydrátem topného plynu. 6

Nejpravděpodobnější depozity hydrátu methanu, které budou vybrány pro první vývoj, budou mít následující charakteristiky: 1) vysoké koncentrace hydrátu; 2) rezervoárové horniny s vysokou propustností; a 3) místa, kde existuje stávající infrastruktura. 7 Vklady splňující tyto charakteristiky budou pravděpodobně umístěny na severním svahu Aljašky nebo v severním Rusku.

Ignik Sikumi: Toto video vás provede při návštěvě polního pokusu o hydrátech plynu Ignik Sikumi, studny na severním svahu Aljašky, která produkovala zemní plyn z hydrátů plynu pod permafrostem. Zde se dosáhlo uvolnění metanu jeho nahrazením oxidem uhličitým - aniž by došlo k roztavení hydrátu plynu.

Tavení hydrátu plynu: Při vrtání ropných vrtů přes sedimenty obsahující hydrát může teplá teplota oleje pohybujícího se nahoru přes zmrzlou hydrátovou zónu způsobit roztavení. To může mít za následek selhání. Nebezpečné jsou také teplé potrubí vedené přes zmrazené výchozy hydrátu. 8 USGS obrázek.

Nebezpečí hydrátu methanolu

Hydráty metanu jsou citlivé sedimenty. Mohou se rychle disociovat se zvýšením teploty nebo snížením tlaku. Tato disociace produkuje volný metan a vodu. Převod pevného sedimentu na kapaliny a plyny způsobí ztrátu podpory a pevnosti ve střihu. Mohou způsobit sklouznutí ponorky, sesuvy půdy nebo poklesy, které mohou poškodit výrobní zařízení a potrubí. 7

Metan je silný skleníkový plyn. Vyšší teploty v Arktidě by mohly vést k postupnému tavení hydrátů plynu pod permafrostem. Oteplování oceánů by mohlo způsobit postupné tání hydrátů plynu poblíž rozhraní sediment-voda. Ačkoli to mnoho zpráv uvádí jako potenciální katastrofu, výzkum USGS zjistil, že hydráty plynů v současné době přispívají k celkovému atmosférickému methanu a že katastrofické tání nestabilních hydrátových depozit pravděpodobně nevysílá velké množství metanu do atmosféry. 9

Věděl jsi? Hydrát metanu má velmi vysokou koncentraci metanu. Pokud roztavíte jeden kubický metr bloku hydrátu metanu, uvolní se asi 160 kubických metrů plynného metanu.
Reference na hydrát methanu
1 USGS Laboratoř plynových hydrátů: Stephen Wessells, Laura Stern, Steve Kirby; Video, 2012, multimediální galerie geologického průzkumu Spojených států.
2 Globální soupis výskytu hydrátu zemního plynu: Keith A. Kvenvolden a Thomas D. Lorenson, Pacifik Coastal & Marine Science Center, Geologický průzkum Spojených států.
3 Hydráty zemního plynu: přehled: Timothy S. Collett, Arthur H. Johnson, Camelia C. Knapp, Ray Boswell; Hydráty zemního plynu - potenciál energetických zdrojů a související geologická nebezpečí: AAPG Memoir 89, s. 146-219, 2009.
4 Plynové hydráty na moři jihovýchodní Spojené státy: Carolyn Ruppel, Gruzínský technologický institut, web NOAA Ocean Explorer, naposledy přístupný v listopadu 2016.
5 Hodnocení zdrojů hydrátu plynu na severním svahu, Aljaška, 2008: Geologický průzkum Spojených států, souhrnný přehled 2008–3073, říjen 2008.
6 USA a Japonsko dokončily úspěšnou polní zkoušku technologií výroby hydrátu metanu: Tisková zpráva Ministerstva energetiky USA, 2. května 2012.
7 Potenciál energetických zdrojů hydrátu metanu: Úvod do vědeckého a energetického potenciálu jedinečného zdroje; publikace Národní laboratoře energetických technologií, Ministerstvo energetiky USA, únor 2011.
8 Výsledky tepelné vlastnosti čisté fáze: hydrát methananu sI: Woods Hole Science Center, Geologický průzkum Spojených států, 2007.
9 Plynové hydráty a oteplování klimatu - Proč je katastrofa metanu nepravděpodobná: Carolyn Ruppel a Diane Noserale, Geologický průzkum Spojených států, Newsletter o zvukových vlnách, květen / červen 2012.
10 Studie naznačuje, že pod antarktickým ledovým štítem jsou velké zásobníky metanu: Tim Stephens, tisková zpráva, Kalifornská univerzita v Santa Cruz, 29. srpna 2012.

Obrovský potenciál

Ačkoli se akumulace hydrátu metanu nacházejí v obtížných prostředích a představují četné technické výzvy, jsou široce distribuovány a jsou největším zdrojem uhlovodíků na Zemi. Mohlo by být vyvinuto množství technologií k jejich výrobě pomocí redukce tlaku, iontové výměny a dalších procesů, které využívají jejich jedinečné chemické a fyzikální vlastnosti. Spojené státy, Kanada, Japonsko a Indie mají všechny intenzivní výzkumné programy, které pracují na objevení životaschopných technologií pro výrobu hydrátů plynu. Methan hydrát bude pravděpodobně hrát důležitou roli v našem budoucím energetickém mixu.