Technologia gazówHydraty metanu

O czym to my dziś..?

• Hydraty metanu – definicja

• Właściwości fizykochemiczne

• Źródła (pochodzenie)

• Zasoby i występowanie

• Metody wydobycia

• Wpływ na środowisko

2

Definicja

Klatrat metanu (hydrat metanu, lód metanowy, wodzian metanu) –niestechiometryczna substancja krystaliczna, w której skład wchodzi metan i woda. W substancji tej cząsteczka metanu uwięziona jest w klatce utworzonej przez cząsteczki wody.

Hydraty metanu krystalizują w strukturze SI, której komórka elementarna składa się z sześciu dodecahedrali (512) i dwóch tetradecahedrali (51262).

3

Rys. 1. Rodzaje struktur (klatek) tworzonych przez

cząsteczki wody, w których może być uwięziony metan. a)

dodecahedral, b) tetradecahedral. Źródło: Sara E. Harison,

Stanford University.

Typy struktur krystalicznych

4

Rys. 2. Rodzaje sieci krystalicznych hydratów. Źródło: G. Bohrmann, M.E. Torres,

Gas Hydrates in Marine Sediments, Marine Geochemistry pp 481-512, Springer,

Berlin 2006.

metan, etan, ditlenek węgla

propan, izobutan, itp.

metan + 2,2-dimetylobutan

metan + cykloheptan

Gazy w strukturach hydratów

5

Rys. 3. Zależność pomiędzy wielkością cząsteczki gazu, a rodzajem

zajmowanej przez nią struktury hydratu.

Źródło: G. Bohrmann, M.E. Torres, Gas Hydrates in Marine

Sediments, Marine Geochemistry pp 481-512, Springer, Berlin

2006.

Właściwości fizykochemiczne

• biała bezwonna substancja, z wyglądu podobna do lodu

• w dotyku podobna do styropianu

• palna

• gęstość: 0,9 g/cm3

• skład:

1 mol CH4 + 5,75 mol H2O

15% mas. CH4 + 85% mas. H2O

• z 1 m3 hydratu można uzyskać około 163 m3 metanu

• stabilność:

pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze -80 oC

w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem 44,78 MPa

6

Stabilność hydratów metanu

7

Rys. 4. Wpływ ciśnienia i temperatury na

stabilność hydratów metanu

Źródło: www.ziemianarozdrozu.pl

Stabilność hydratów metanu

8

Rys. 4. Wpływ ciśnienia i temperatury na stabilność hydratów metanu

Źródło: Welayaturromadhona, AVO analysis of detecting submarine gas hydrate in

lower Fangliao Basin, SW Taiwan

Pochodzenie hydratów metanu

Warunki niezbędne do powstania hydratów metanu:

• obecność odpowiedniej ilości gazu ziemnego (metanu) i wody w jednym z trzech stanów skupienia

• odpowiednia temperatura i ciśnienie parcjalne gazu wchodzącego do struktury

9

Naturalne hydraty metanu na Ziemi występują głównie na szelfach kontynentalnych i w wiecznej zmarzlinie Metan pochodzi z dwóch źródeł:

• powszechnej fermentacji anaerobowej

• ekshalacji termochemicznych (mniej rozpowszechnionych)

Strefa stabilności hydratów gazu – Gas

Hydrate Stability Zone

Pochodzenie hydratów metanu

10

Rys. 5. Pochodzenie metanu wchodzącego

w skład hydratów.

Źródło: www.worldoceanreview.com

Zasoby metanu w hydratach i jego występowanie

11

• Zasoby metanu w hydratach szacowane są na 44–810 bilionów m³ metanu podczas gdy całkowite udowodnione zasoby gazu ziemnego wynoszą 171 biliony m³. • Ze względu na zasoby gazu łupkowego

Stany Zjednoczone i Kanada wstrzymały badania nad hydratami metanu

• Duże zapotrzebowanie energetyczne Chin, Indii oraz Korei Południowej stało się przyczyną rozpoczęcia przez te państwa badań nad wydobyciem gazu z hydratów.

• Stany Zjednoczone, Kanada i Japonia

jako pierwsze rozpoczęły badania nad

możliwością wydobycia metanu z

hydratów

• Instalacje pilotażowe na wybrzeżu

Południowej Karoliny, Alaski i Zatoce

Meksykańskiej od końca lat 90 XX wieku.

• Pierwsze udane wydobycie gazu z

hydratów metanu w roku 2014 u

wybrzeży Japonii (Nankai Through).

Zasoby metanu w hydratach i jego występowanie

12

Rys. 6. Występowanie hydratów metanu.

Źródło: www.worldoceanreview.com

Metody otrzymywania metanu z hydratów

13

Metody polegające na:

• Obniżeniu ciśnienia w złożu

• Ogrzewaniu złoża (gorąca woda, para wodna, ogrzewanie elektryczne, mikrofalowe)

• Wstrzykiwaniu chemicznych inhibitorów, destabilizujących strukturę hydratów poprzez przesunięcie równowagi w kierunku wyższego ciśnienia i niższej temperatury (np. metanol, glikol monoetylenowy

• Wymianie CH4 na CO2

Rys. 7. Przykładowe metody otrzymywania

metanu z hydratów

Źródło: www.worldoceanreview.com

Metody otrzymywania metanu z hydratów

14

Rys. 8. Schemat instalacji w skali laboratoryjnej

do otrzymywania metanu z hydratów z

wykorzystaniem ogrzewania elektrycznego.

Źródło: H. Minagawa et al., Journal of Natural

Gas Science and Engineering

Volume 50, February 2018, Pages 147-156

Metody otrzymywania metanu z hydratów

15

Rys. 9. Schemat instalacji w skali laboratoryjnej

do otrzymywania metanu z hydratów z

wykorzystaniem ogrzewania elektrycznego.

Źródło:Xiao-Sen Li et al., Applied Energy

Volume 172, 15 June 2016, Pages 286-322

Wpływ na środowisko

16

Rys. 10. Pęknięcia w dnie oceanicznym w obszarze złóż hydratów.

Źródło: www.ziemianarozdrozu.pl

• Pęknięcia w dnie oceanicznym

przyśpieszają penetrację temperatury

w głąb złoża oraz ułatwiają ulatnianie

się metanu.

• Jeżeli proces ucieczki metanu ulegnie

nasileniu to zmniejszy się ciśnienie w

złożu, co może spowodować jego

destabilizację.

• Do destabilizacji złoża może

doprowadzić wzrost średniej

temperatury na Ziemi

• Przy wzroście temperatury planety o

3-5°C może nastąpić wyzwolenie

1000-4000 miliardów ton metanu

• Taka ilość metanu w atmosferze może

podnieść temperaturę Ziemi o kolejne

5-7 oC

Wpływ na środowisko

17

• W przypadku szybkiego wyzwolenia się

dużego złoża do atmosfery mogłoby trafić

jednorazowo kilka miliardów ton metanu.

• Dodatkowym efektem wyzwolenia się bąbla

metanu byłoby powstanie wywołanych przez

osunięcie fal tsunami

• Przypuszczalnie wyzwolenie się hydratów

metanu było istotnym elementem szeregu

tzw. Wielkich Wymierań w historii Ziemi