Methan clathrate

Beilage: Clathrate-Struktur (Universität von Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).

Quelle: Geologischer USA-Überblick.]]

Methan clathrate (CH · 5.75HO), auch genannt Methan-Hydrat, Hydromethan, Methan-Eis, Feuereis, Erdgas-Hydrat oder Gashydrat ist eine feste Clathrate-Zusammensetzung (mehr spezifisch, ein clathrate Hydrat), in dem ein großer Betrag des Methans innerhalb einer Kristallstruktur von Wasser gefangen wird, einen dem Eis ähnlichen Festkörper bildend. Ursprünglich ist Gedanke, um nur in den Außengebieten des Sonnensystems vorzukommen, wo Temperaturen niedrig sind und Wassereis, allgemeine, bedeutende Ablagerungen des Methans clathrate sind unter Bodensätzen auf den Ozeanstöcken der Erde gefunden worden. Die Weltbeträge von im Gashydrat gebundenem Kohlenstoff werden zur Summe zweimal der Betrag von Kohlenstoff konservativ geschätzt, der in allen bekannten fossilen Brennstoffen auf der Erde zu finden ist.

Methan clathrates ist allgemeine Bestandteile des seichten Seegeosphere, und sie kommen sowohl in tiefen sedimentären Strukturen, als auch als Herausstehen auf dem Ozeanboden vor. Wie man glaubt, formt sich Methan-Hydrat durch die Wanderung von Benzin von der Tiefe entlang geologischen Schulden, die vom Niederschlag oder Kristallisierung auf dem Kontakt des steigenden Gasstroms mit kaltem Seewasser gefolgt sind. Methan clathrates ist auch in tiefen Antarktischen Eiskernen da, und registriert eine Geschichte von atmosphärischen Methan-Konzentrationen, zu vor 800,000 Jahren datierend. Das Eiskernmethan clathrate Aufzeichnung ist eine primäre Quelle von Daten für die Erderwärmungsforschung, zusammen mit Sauerstoff und Kohlendioxyd.

Struktur und Zusammensetzung

Das durchschnittliche Methan clathrate Hydrat-Zusammensetzung ist 1 Maulwurf des Methans für alle 5.75 Maulwürfe von Wasser, obwohl das davon abhängig ist, wie viele Methan-Moleküle in die verschiedenen Käfig-Strukturen des Wassergitters "passen". Die beobachtete Dichte ist ungefähr 0.9 g/cm. Der ein Liter des Methans clathrate fest würde deshalb, durchschnittlich, 168 Liter Methan-Benzin (an STP) enthalten.

Methan bildet eine Struktur ich hydratisiere mit zwei dodecahedral (12 Scheitelpunkte, so 12 Wassermoleküle) und sechs tetradecahedral (14 Wassermoleküle) Wasserkäfige pro Einheitszelle. Das vergleicht sich mit einer Hydratationszahl 20 für das Methan in der wässrigen Lösung. Ein Methan clathrate MAS NMR Spektrum, das an 275 K und 3.1 MPa registriert ist, zeigt eine Spitze für jeden Käfig-Typ und eine getrennte Spitze für das Gasphase-Methan. Kürzlich wurde ein Tonmethan-Hydrat intercalate synthetisiert, in dem ein Methan-Hydrat-Komplex an der Zwischenschicht eines natriumsreichen montmorillonite Tons eingeführt wurde. Die obere Temperaturstabilität dieser Phase ist dieser der Struktur ähnlich, die ich hydratisiere.

Natürliche Ablagerungen

Methan clathrates wird auf den seichten lithosphere eingeschränkt (d. h.).. Kontinentalablagerungen sind in Sibirien und Alaska im Sandstein und den siltstone Betten an weniger als 800 M Tiefe gelegen worden. Ozeanische Ablagerungen scheinen, im Festlandsockel weit verbreitet zu sein (sieh Abb.), und kann innerhalb der Bodensätze an der Tiefe oder in der Nähe von der mit dem Bodensatzwasserschnittstelle vorkommen. Sie können noch größere Ablagerungen des gasartigen Methans bedecken.

Ozeanisch

Es gibt zwei verschiedene Typen der ozeanischen Ablagerung. Das allgemeinste wird (> 99 %) durch das Methan beherrscht, das in einer Struktur I clathrate enthalten ist, und hat allgemein an der Tiefe im Bodensatz gefunden. Hier ist das Methan isotopically Licht (δC]]. Wie man denkt, haben sich die clathrates in diesen tiefen Ablagerungen in situ vom mikrobisch erzeugten Methan geformt, weil die δC Werte von clathrate und Umgebung des aufgelösten Methans ähnlich sind. Jedoch wird es auch gedacht, dass sich Süßwasser, das in der Druckbeaufschlagung von Öl- und Gasbohrlöchern im Permafrostboden und entlang den Festlandsockeln weltweit verwendet ist, mit dem natürlichen Methan verbinden Sie, um clatherate an der Tiefe und dem Druck zu bilden, da sich Methan-Hydrat am Anfang in Salz-Wasser nicht formen kann. Lokale Schwankungen können als die Tat des sich formenden Hydrats sehr üblich sein, welche Extrakte reines Wasser von Salzbildungswasser, häufig zu lokalen und potenziell bedeutenden Zunahmen im Bildungswassersalzgehalt führen kann. Hydrat schließt normalerweise das Salz in der Porenflüssigkeit aus, von der es sich formt, und so sie hohen elektrischen spezifischen Widerstand ebenso das Eis haben und Bodensätze, die Hydrat enthalten, einen höheren spezifischen Widerstand im Vergleich zu Bodensätzen ohne Gashydrat (Richter [67]) haben.

Diese Ablagerungen werden innerhalb einer Mitte ungefähr 300-500 M dicke Tiefe-Zone in den Bodensätzen gelegen (die Gashydrat-Stabilitätszone oder GHSZ), wo sie mit dem Methan koexistieren, das im frischen, nicht Salz, Porenwasser aufgelöst ist. Über diesem Zonenmethan ist nur in seiner aufgelösten Form bei Konzentrationen da, die zur Bodensatz-Oberfläche abnehmen. Darunter ist Methan gasartig. An Blake Ridge auf dem Atlantischen Kontinentalanstieg hat der GHSZ an 190-M-Tiefe angefangen und hat zu 450 M weitergegangen, wo es Gleichgewicht mit der gasartigen Phase erreicht hat. Maße haben angezeigt, dass Methan 0-9 % durch das Volumen im GHSZ und ~12 % in der gasartigen Zone besetzt hat.

Im weniger allgemeinen zweiten in der Nähe von der Bodensatz-Oberfläche gefundenen Typ haben einige Proben ein höheres Verhältnis von Kohlenwasserstoffen der längeren Kette (C]] ist-29 zu-57 %), und wird gedacht, aufwärts von tiefen Bodensätzen abgewandert zu sein, wo Methan durch die Thermalzergliederung der organischen Sache gebildet wurde. Beispiele dieses Typs der Ablagerung sind im Golf Mexikos und dem Kaspischen Meer gefunden worden.

Einige Ablagerungen haben Eigenschaft-Zwischenglied zwischen mikrobisch und thermisch sourced Typen und werden betrachtet, von einer Mischung der zwei gebildet zu werden.

Das Methan im Gashydrat wird von mikrobischen Konsortien dominierend erzeugt, die organische Sache in niedrigen Sauerstoff-Umgebungen mit dem Methan selbst erniedrigen, das durch methanogenic archaea erzeugt ist. Die organische Sache in den obersten wenigen Zentimeter Bodensätze wird zuerst von aerobic Bakterien angegriffen, CO erzeugend, der den Bodensätzen in die Wassersäule entflieht. Unter diesem Gebiet der aerobic Tätigkeit, anaerobic Prozesse, übernehmen einschließlich, nacheinander mit der Tiefe, der mikrobischen Verminderung von nitrite/nitrate, Metalloxyden, und dann werden Sulfate auf Sulfide reduziert. Schließlich, sobald Sulfat verbraucht wird, wird methanogenesis ein dominierender Pfad für organischen Kohlenstoff remineralization.

Wenn die Ablagerungsrate niedrig ist (ungefähr 1 cm/kyr), ist der organische Kohlenstoff-Inhalt niedrig (ungefähr 1 %), und Sauerstoff ist reichlich, aerobic Bakterien kann die ganze organische Sache in den Bodensätzen schneller verbrauchen, als Sauerstoff entleert wird, so werden Elektronenakzeptoren der niedrigeren Energie nicht verwendet. Aber wo Ablagerungsraten und der organische Kohlenstoff-Inhalt hoch sind, der normalerweise der Fall auf Festlandsockeln und unter dem Westgrenzstrom upwelling Zonen ist, wird das Porenwasser in den Bodensätzen anoxic an Tiefen nur einiger Zentimeter oder weniger. In solchen organisch-reichen Seebodensätzen wird Sulfat dann der wichtigste Endelektronenakzeptor wegen seiner hohen Konzentration im Meerwasser, obwohl es auch durch eine Tiefe von Zentimeter zu Metern entleert wird. Darunter wird Methan erzeugt. Diese Produktion des Methans ist ein ziemlich komplizierter Prozess, eine hoch abnehmende Umgebung (Wie-350 zu-450 mV) und ein pH zwischen 6 und 8, sowie ein Komplex syntrophic Konsortien von verschiedenen Varianten von archaea und Bakterien verlangend, obwohl es nur archaea ist, die wirklich Methan ausstrahlen.

In einigen Gebieten (z.B Golf Mexikos) kann das Methan in clathrates mindestens aus Thermaldegradierung der organischen Sache dominierend in Erdöl teilweise abgeleitet werden. Das Methan in clathrates hat normalerweise einen biogenic isotopic Unterschrift und hoch variabler δC (-40 zu-100 %) mit einem ungefähren Durchschnitt von ungefähr-65 %. Unter der Zone von festem clathrates können große Volumina des Methans als Luftblasen von freiem Benzin in den Bodensätzen vorkommen.

Die Anwesenheit von clathrates an einer gegebenen Seite kann häufig durch die Beobachtung eines "untersten Simulieren-Reflektors" (BSR) bestimmt werden, der ein seismisches Nachdenken am Bodensatz zur clathrate Stabilitätszonenschnittstelle ist, die durch die ungleichen Dichten von normalen Bodensätzen und jenen laced mit clathrates verursacht ist.

Reservoir-Größe

Die Größe des ozeanischen Methans clathrate Reservoir, ist und Schätzungen seiner Größe schlecht bekannt, die durch grob eine Größenordnung pro Jahrzehnt vermindert ist, seitdem es zuerst anerkannt wurde, dass clathrates in den Ozeanen während der 1960er Jahre und der 70er Jahre bestehen konnte. Die höchsten Schätzungen (z.B 3 M ³) haben basiert in der Annahme, dass völlig dichter clathrates den kompletten Fußboden des tiefen Ozeans unordentlich verstreuen konnte. Verbesserungen in unserem Verstehen der clathrate Chemie und sedimentology haben offenbart, dass sich Hydrat nur in einer schmalen Reihe von Tiefen (Festlandsockel) nur an einigen Positionen im Rahmen Tiefen formt, wo sie (10-30 % des GHSZ) vorkommen konnten, und normalerweise bei niedrigen Konzentrationen (0.9-1.5 % durch das Volumen) an Seiten gefunden werden, wo sie wirklich vorkommen. Neue durch die direkte Stichprobenerhebung beschränkte Schätzungen weisen darauf hin, dass der globale Warenbestand zwischen einer Million und fünf Millionen Kubikkilometern (0.24 zu 1.2 Millionen Kubikmeilen) besetzt. Diese Schätzung, entsprechend 500-2500 gigatonnes Kohlenstoff (Gt C), ist kleiner als die 5000 Gt C geschätzt für alle anderen Reserven des fossilen Brennstoffs, aber wesentlich größer als die ~230 Gt C geschätzt für andere Erdgas-Quellen. Das Permafrostboden-Reservoir ist auf ungefähr 400 Gt C in der Arktis geschätzt worden, aber keine Schätzungen sind aus möglichen Antarktischen Reservoiren gemacht worden.

Das sind große Beträge, zum Vergleich ist der Gesamtkohlenstoff in der Atmosphäre ungefähr 700 gigatons.

Diese modernen Schätzungen sind namentlich kleiner als die 10,000 bis 11,000 Gt C (2 M ³) vorgeschlagen von vorherigen Arbeitern als eine Motivation, clathrates als eine Quelle des fossilen Brennstoffs (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998) zu betrachten. Der niedrigere Überfluss an clathrates schließt ihr Wirtschaftspotenzial nicht aus, aber ein niedrigeres Gesamtvolumen und anscheinend niedrige Konzentration an den meisten Seiten weisen wirklich darauf hin, dass nur ein beschränkte Prozentsatz von Clathrates-Ablagerungen eine wirtschaftlich lebensfähige Quelle zur Verfügung stellen kann.

Festländer

Methan clathrates in Kontinentalfelsen wird in Betten des Sandsteins oder siltstone an Tiefen von weniger als 800 M gefangen. Stichprobenerhebung zeigt an, dass sie von einer Mischung thermisch gebildet werden und mikrobisch Benzin abgeleitet haben, von dem die schwereren Kohlenwasserstoffe später auswählend entfernt wurden. Diese kommen in Alaska, Sibirien sowie dem Nördlichen Kanada vor.

2008 haben kanadische und japanische Forscher einen unveränderlichen Strom von Erdgas aus einem Testprojekt am Gashydrat-Feld von Mallik im Delta von Mackenzie River herausgezogen. Das war solches Bohren an Mallik zweit: Das erste hat 2002 stattgefunden und hat Hitze verwendet, um Methan zu veröffentlichen. Im 2008-Experiment sind Forscher im Stande gewesen, Benzin herauszuziehen, indem sie den Druck ohne Heizung gesenkt haben, bedeutsam weniger Energie verlangend. Das Mallik Gashydrat-Feld wurde zuerst durch Reichsöl in 1971-1972 entdeckt.

Kommerzieller Gebrauch

Das sedimentäre Methan-Hydrat-Reservoir enthält wahrscheinlich 2-10mal die zurzeit bekannten Reserven von herkömmlichem Erdgas. Das vertritt eine potenziell wichtige zukünftige Quelle des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs. Jedoch, in der Mehrheit von Seite-Ablagerungen werden wahrscheinlich für die Wirtschaftsförderung zu verstreut. Andere Probleme, die kommerzieller Ausnutzung gegenüberstehen, sind Entdeckung von lebensfähigen Reserven; und Entwicklung der Technologie, um Methan-Benzin aus den Hydrat-Ablagerungen herauszuziehen. Bis heute hat es nur ein gewerblich erzeugtes Feld gegeben, wo, wie man denkt, etwas vom Benzin vom Methan clathrates, Messoyakha Gasfeld gewesen ist, die nahe gelegene russische Stadt Norilsk liefernd.

Ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt in Japan zielt auf Förderung der kommerziellen Skala in der Nähe von der Aichi Präfektur vor 2016. Im August 2006, chinesische bekannt gegebene Pläne, 800 Millionen yuan (US$ 100 Millionen) im Laufe der nächsten 10 Jahre auszugeben, um Erdgas-Hydrat zu studieren. Eine potenziell wirtschaftliche Reserve im Golf Mexikos kann ~10 M Benzin enthalten. Bjørn Kvamme und Arne Graue am Institut für die Physik und Technologie an der Universität von Bergen haben eine Methode entwickelt, um CO ins Hydrat einzuspritzen und den Prozess umzukehren; dadurch CH durch den direkten Austausch herausziehend. Die Universität der Methode von Bergen ist Feld, das von ConocoPhillips und JOGMEC geprüft ist, und teilweise vom amerikanischen Energieministerium gefördert ist. Das Projekt hat bereits Spritzenphase erreicht und analysiert zurzeit resultierende Daten bezüglich am 12. März 2012.

Hydrat in der Erdgas-Verarbeitung

Alltägliche Operationen

Methan clathrates (Hydrat) wird auch während Erdgas-Produktionsoperationen allgemein gebildet, wenn flüssiges Wasser in Gegenwart vom Methan am Hochdruck kondensiert wird. Es ist bekannt, dass größere Kohlenwasserstoff-Moleküle wie Äthan und Propan auch Hydrat bilden können, obwohl weil die Molekül-Länge zunimmt (Butan, pentanes), können sie nicht die Wasserkäfig-Struktur einbauen und dazu neigen, die Bildung des Hydrats zu destabilisieren.

Einmal gebildet kann Hydrat Rohrleitung und Verarbeitungsanlage blockieren. Sie werden allgemein dann entfernt, indem sie den Druck reduzieren, wenn man sie heizend, oder sie durch chemische Mittel auflösend (wird Methanol allgemein verwendet). Sorge muss genommen werden, um sicherzustellen, dass die Eliminierung des Hydrats wegen des Potenzials für das Hydrat sorgfältig kontrolliert wird, um einen Phase-Übergang vom festen Hydrat zu erleben, um gasartiges und Wassermethan an einer hohen Rate zu veröffentlichen, weil der Druck reduziert wird. Die schnelle Ausgabe von Methan-Benzin in einem geschlossenen System kann auf Eskalationen auf den Druck hinauslaufen.

Es ist allgemein vorzuziehend, Hydrat davon abzuhalten, Ausrüstung zu bilden oder zu blockieren. Das wird durch das Entfernen von Wasser, oder durch die Hinzufügung des Äthylen-Glykols (MEG) oder Methanols allgemein erreicht, die handeln, um die Temperatur niederzudrücken, bei der sich Hydrat (d. h. allgemeines Frostschutzmittel) formen wird. In den letzten Jahren, Entwicklung anderer Formen von Hydrat-Hemmstoffen, sind wie Kinetische Hydrat-Hemmstoffe entwickelt worden (die drastisch die Rate der Hydrat-Bildung verlangsamen), und Antiballungen, die das Hydrat-Formen nicht verhindern, aber sie wirklich verhindern zusammenklebend, Ausrüstung zu blockieren.

Wirkung des Hydrat-Phase-Übergangs während des tiefen Wasserbohrens

Wenn

es in Öl - und gastragende in tiefem Wasser untergetauchte Bildungen bohrt, kann das Reservoir-Benzin in gut langweilige Angelegenheit fließen und Gashydrat infolge der niedrigen Temperaturen und des während des tiefen Wasserbohrens gefundenen Hochdrucks bilden. Das Gashydrat kann dann aufwärts mit dem Bohrschlamm oder den anderen entladenen Flüssigkeiten fließen. Als sie sich erheben, trennt sich der Druck in den Ringrohr-Abnahmen und dem Hydrat in Benzin und Wasser ab. Die schnelle Gasvergrößerung vertreibt Flüssigkeit aus so, den Druck weiter reduzierend, der zu mehr Hydrat-Trennung und weiterer flüssiger Ausweisung führt. Die resultierende gewaltsame Ausweisung von Flüssigkeit vom Ringrohr ist eine potenzielle Ursache oder Mitwirkender dazu, was einen "Stoß" genannt wird. (Stöße, die Reifenpannen verursachen können, sind normalerweise mit Hydrat nicht verbunden: Sieh Reifenpanne: Bildungsstoß).

Maßnahmen, die die Gefahr der Hydrat-Bildung reduzieren, schließen ein:

  • Hohe Durchflüsse, die die Zeit für die Hydrat-Bildung in einem Volumen von Flüssigkeit beschränken, dadurch das Stoß-Potenzial reduzierend.
  • Das sorgfältige Messen der Linie fließt, um beginnende Hydrat-Verstopfung zu entdecken.
  • Die zusätzliche Sorge im Messen, wenn Gasproduktionsraten niedrig sind und die Möglichkeit der Hydrat-Bildung, ist höher als an relativ hohen Gasdurchflüssen.
  • Die Überwachung gut der Umkleidung, nachdem es in" (isoliertem) "geschlossen wird, kann Hydrat-Bildung anzeigen. Folgend "geschlossen in" die Druck-Anstiege weil verbreitet sich Benzin durch das Reservoir zum Loch der langweiligen Angelegenheit; die Rate des Druck-Anstiegs wird einen ermäßigten Preis der Zunahme ausstellen, wenn sich Hydrat formt.
  • Hinzufügungen der Energie (z.B, die veröffentlichte Energie durch das Setzen von Zement, der in gut der Vollziehung verwendet ist), können die Temperatur erheben und Hydrat zu Benzin umwandeln, einen "Stoß" erzeugend.

Reifenpanne-Wiederherstellung

An genügend Tiefen, Methan-Komplexe direkt mit Wasser, um Methan-Hydrat zu bilden, wie während der Deepwater Horizont-Olkatastrophe 2010 beobachtet wurde. BP Ingenieure haben entwickelt und haben ein Subseeölwiederherstellungssystem über Öl eingesetzt, das von einer deepwater Ölquelle unter dem Meeresspiegel überläuft, um flüchtendes Öl zu gewinnen. Dieses beteiligte Stellen einer Kuppel über den größten von gut Leckstellen und Rohrleitung es zu einem Lagerungsbehälter auf der Oberfläche. Diese Auswahl hatte das Potenzial, um nicht weniger als 85 % des Auslaufen-Öls zu sammeln, aber wird vorher an solchen Tiefen ungeprüft. BP hat das System am 7-8 Mai eingesetzt, als es wegen der Zunahme des Methans clathrate innerhalb der Kuppel gescheitert hat; mit seiner niedrigen Dichte ungefähr 0.9g/cm das Methan-Hydrat hat in der Kuppel angewachsen, Ausgelassenheit hinzufügend und Fluss versperrend.

Methan clathrates und Klimaveränderung

Methan ist ein starkes Treibhausgas. Trotz seiner kurzen atmosphärischen Hälfte des Lebens von 7 Jahren hat Methan ein Erderwärmungspotenzial 62 mehr als 20 Jahre und 21 mehr als 100 Jahre (IPCC, 1996; Berner und Berner, 1996; vanLoon und Duffy, 2000). Die plötzliche Ausgabe von großen Beträgen von Erdgas vom Methan clathrate Ablagerungen ist als eine Ursache der Vergangenheit und vielleicht zukünftigen Klimaveränderungen Hypothese aufgestellt worden. Ereignisse vielleicht verbunden sind auf diese Weise das Permian-Triassic Erlöschen-Ereignis und das Paleocene-Eozän Thermalmaximum.

Klimawissenschaftler wie James E. Hansen stellen Hypothese auf, dass Methan clathrates in den Permafrostboden-Gebieten infolge der Erderwärmung veröffentlicht wird, starke Feed-Back-Kräfte loslassend, die flüchtige Klimaveränderung verursachen können, die nicht kontrolliert werden kann.

Neue Forschung ausgeführt 2008 in der sibirischen Arktis hat Millionen von Tonnen des Methans gezeigt, das mit Konzentrationen in einigen Gebieten wird veröffentlicht, die bis zu 100mal über dem normalen reichen.

Erdgas-Hydrat (NGH) gegen Liquified-Erdgas (LNG) im Transport

Seit dem Methan sind clathrates bei einer höheren Temperatur stabil als verflüssigtes Erdgas (LNG) (20 gegen 162 °C), es gibt etwas Interesse am Umwandeln von Erdgas in clathrates aber nicht liquifying es, wenn es es durch Hochseebehälter transportiert. Ein bedeutender Vorteil würde darin bestehen, dass die Produktion des Erdgas-Hydrats (NGH) von Erdgas am Terminal ein kleineres Kühlungswerk und weniger Energie verlangen würde, als LNG würde. Das für 100 Tonnen des transportierten Methans ausgleichend, würden 750 Tonnen des Methan-Hydrats transportiert werden müssen; da das ein Schiff der 7.5mal größeren Versetzung verlangen, oder mehr Schiffe verlangen würde, wird es sich kaum wirtschaftlich erweisen.

Siehe auch

  • Clathrate setzen zusammen
  • Pistole-Hypothese von Clathrate
  • Hydrat von Clathrate
  • Zukünftige Energieentwicklung
  • Langfristige Effekten der Erderwärmung

Referenzen

Links

Am 22. Februar 2009


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