Methanhydrath

Abstract 1996 wurde Methanhydrat zum ersten Mal natürlich entdeckt. Es besteht aus 2 Stoffen, Methan und Wasser, die sich bei Temperaturen von 2-4 °C und einem Druck von 50 bar zu Methanhydrat verbinden. Das Hydrat ist nur innerhalb dieser Bedingungen stabil, ändern diese sich, beginnt es sich aufzulösen und das Methan freizugeben. In einem Liter Methanhydrat ist enorm viel Methan konzentriert, das Verhältnis beträgt

168 Liter Methan pro 1 Liter Wasser. Die weltweiten Ressourcen werden auf 9300 Billionen m³ geschätzt, ca. 60% davon liegt unter Wasser, der Rest in Permafrostgebieten. Da Methan brennbar ist, werden fieberhaft Abbaumethoden zur Gewinnung des Methans erforscht. Es existieren einige Prototypen, dennoch hat es keiner bisher zur profitablen Serienreife gebracht. Im Methanhydrat liegt aber nicht nur das Potential eines Energieträgers, auch ist Methan ein Treibhausgas und Methanhydrat an und in den Kontinentalhängen sorgt für die nötige Stabilität derselben. Sollten sie aufgrund von Abbau oder Erderwärmung schmelzen, wären Tsunamis mit fatalen Auswirkungen und eine weitere Verstärkung des Treibhauseffektes wahrscheinlich die Folge. Inhaltsverzeichnis I Brennendes Eis..........................................................................................4 II Methanhydrat...........................................................................................4 1 Eigenschaften des Methanhydrats.........................................................................4 1.1 Struktur und Bildung.........................................................................................4 1.2 Vorkommen.......................................................................................................5 2 Methanhydrat als Energiequelle............................................................................6 2.1 Gründe für und gegen die Nutzung von Methan...............................................6 2.2 Abbaumethoden................................................................................................6 3 Methanhydrat als Gefahrenquelle.........................................................................8 3.1 Gefährdung für das Klima.................................................................................8 3.2 Bedrohung durch Erdrutschungen.....................................................................9 3.3 Direkte Gefahr durch Methanaustritte...............................................................9 III Ein gefährlicher Energieträger..........................................................10 IV Literaturverzeichnis...........................................................................11 V Selbstständigkeitserklärung..................................................................12 VI Anhang.................................................................................................13 1 Abbildungen...........................................................................................................13 2 Verwendete Internetquellen.................................................................................14 I Brennendes Eis Im September 1996 machte das deutsche Forschungsschiff "Sonne" auf einer Expedition bei Newport, Oregon, einen der bedeutendsten Funde der letzten Jahre. Es holte einen ca. 50 kg schweren, schneeweißen "Eisblock" herauf. Da dieses "Eis" brennbar war, folgerte man, dass es sich um Methanhydrat handeln musste.1 Methanhydrat war zwar schon bekannt, da es in den Dreißigerjahren Ölpipelines verstopfte und auch schon natürlich gebildet 1971 im Schwarzen Meer entdeckt wurde, aber dieser Fund ließ darauf schließen, dass es weitere, noch viel größere Methanhydratvorkommen in allen Meeren der Erde geben musste.2Die Idee, Methanhydrat abzubauen und als Rohstoff zu nutzen liegt nicht fern, doch müssen dazu einige Hindernisse überwunden und viele Gefahren beachtet werden. In meiner Facharbeit möchte ich mich mit der Nutzung des Methanhydrats als Energiequelle, und auch mit den Gefahren, die vom Methan ausgehen, beschäftigen. Im ersten Teil werden kurz die chemischen Eigenschaften von Methan und Hydraten erläutert und der Aufbau des Methanhydrats geschildert. Im zweiten Teil möchte ich mich dann ausführlich mit den verschiedenen Ansätzen zur Methanhydratnutzung auseinandersetzen. Im dritten und letzten Teil soll es dann um die Gefährdung durch das Methanhydrat gehen. II Methanhydrat 1 Eigenschaften des Methanhydrats 1.1 Struktur und Bildung Methanhydrat besteht aus zwei Teilen: Dem Kohlenwasserstoff Methan (CH4) und gefrorenem Wasser (H2O). Das Methan wird in der Verbindung vollständig von einem Käfig aus Wassermolekülen umschlossen, man spricht daher auch von einer Einlagerungsverbindung, einem so genannten Klathrat (siehe Abbildung 1). Im Methanhydrat kommen auf 1 mol Methan 5,75 mol Wasser, die Formelschreibweise lautet daher CH4 x 5,75 H2O. Methan liegt im Methanhydrat in hochkonzentrierter Form vor, 1 Liter Wasser enthält 168 Liter Methangas.3 1 I.R.: https://www.sciencecom.se/News/Methanhydrate.html (Stand 13.03.05) 2 I.R.: https://www.dieterwunderlich.de/methanhydrat.htm (Stand 13.03.05) 3 I.R.: https://de.wikipedia.org/wiki/Methanhydrat (Stand 15.03.05) Eine wichtige Eigenschaft des Methanhydrats ist, nur unter bestimmten Bedingungen stabil zu bleiben bzw. sich überhaupt zu bilden. Zum einen muss natürlich Methan vorhanden sein, das sich, am Meeresboden wie auch auf dem Land, durch die organische oder thermische Zersetzung von abgestorbenen Tieren oder Pflanzen mittels Bakterien bildet.4 Diese Vorgänge finden aber nur in Tiefen oberhalb von 3000 Metern statt, darunter fällt nicht genug zersetzbare Masse an.5 Zum zweiten müssen die Temperatur bei ca. 2-4 °C und der Druck bei ungefähr 50 bar liegen. Außerhalb dieser Werte kommt es zu keiner Verbindung zwischen anfallendem Methan und Wasser. Auch wird, sobald sich einer dieser Faktoren ändert, das Methanhydrat instabil, und Methan wird freigesetzt.6Eine weitere wichtige Eigenschaft des Methanhydrates ist, das bei der seiner Bildung, wie auch bei der Bildung von normalen Eis, das Meerwasser entsalzen wird. Dies hat Einfluss auf Meeresströmungen, wie etwa den Golfstrom. 1.2 Vorkommen Methanhydrate entstehen primär an den Kontinentalrändern und in den Permafrostgebieten, eben dort, wo der Bedingungen zur Bildung erfüllt sind. Auch bildet Methanhydrat, da es undurchlässig für Gase ist, oft die Deckschicht zu konventionellen Erdgasvorkommen. Die am besten erforschten Vorkommen das "Messoyakha-Feld" in Westsibirien und das "Blake Ridge" im Südosten der USA. An ihnen finden auch Tests zur Energiegewinnung aus Methan statt. 7Die genaue Menge des auf der Erde vorhandenen Methanhydrates lässt sich nur schätzen, da ein weltweites Datennetz zur Kartierung der Vorkommen noch fehlt. Geschätzt wird aber eine Menge von ca. 5.700 Billionen Kubikmetern in maritimen Methanhydratfeldern und ca. 3.600 Billionen Kubikmeter aus den Permafrostgebieten. Da die Wissenschaftler aber nur 30% der Vorkommen für erschließbar halten, geht man von einer gewinnbaren Methangasmenge in Höhe von 1.500 Billionen Kubikmetern aus. 4 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=6 (Stand 15.03.05) 5 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=6 (Stand 15.03.05) 6 I.R.: https://de.wikipedia.org/wiki/Methanhydrat (Stand 15.03.05) 7 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=7 (Stand 19.03.05) 2 Methanhydrat als Energiequelle 2.1 Gründe für und gegen die Nutzung von Methan Methanhydrat könnte, sofern es gelingt es wirtschaftlich zu nutzen, der fossile Energieträger der Zukunft darstellen. Dies vor allem an der Menge der Ressourcen: Mit einer abbaubaren Menge von geschätzten 1.500 Billionen Kubikmetern ist weit mehr Methan in Form von Hydraten vorhanden als konventionelles Erdgas, der Vorrat dort beläuft sich auf nur 230 Billionen Kubikmetern Gas.8 Auch liegen manche Permafrostgebiete, in denen sich Methanhydrat finden läst, in der Nähe potenzieller Abnehmer (siehe Abbildung 2).9 Allein die vorhandne Brennstoffmenge im "Blake Ridge" würde ausreichen, den Gasbedarf der USA für 30 Jahre zu decken. 10 Ein Problem der Methanhydratnutzung ist, dass sich der Abbau der Methanhydrate bzw. des Methans aus den Hydraten als schwierig gestaltet, da ein Großteil des Brennstoffes in der Tiefsee liegt und dort die Gewinnung sich äußerst schwierig und unwirtschaftlich gestaltet. So wird es wohl zuerst bei der Nutzung der einfach zu erschließenden Vorkommen bleiben. Ein weiterer Grund gegen die Nutzung der Vorkommen an den Kontinentalrändern resultiert daraus, dass bisher nicht näher erforscht ist, was Methanhydrate zur Stabilisierung der Sedimente beitragen und ob ein Abbau die Hänge destabilisieren könnte. Trotz aller Risiken werden die führenden Industrienationen die Forschung an Abbaumethoden zur kommerziellen Nutzung weiter vorantreiben, da die Chance auf einen Energieträger, der in solchen Größenordnungen vorhanden ist, einfach zu groß ist.112.2 Abbaumethoden Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden drei grundlegende Abbautechniken entwickelt. Sie alle basieren darauf, dass Methanhydrat nur innerhalb seiner Vorraussetzung stabil ist. Um also das Methan aus dem Hydrat zu gewinnen, reicht es, einen der Faktoren zu ändern. So wird das Methanhydrat aufgelöst und das freie Methangas kann genutzt werden. 8 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=9 (Stand 21.3.05) 9 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=9 (Stand 21.3.05) 10 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=7 (Stand 21.3.05) 11 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=9 (Stand 21.03.05) Beim Verfahren der Druckentlastung wird Druck auf dem Methanhydrat systematisch herabgesetzt. Durch eine Entlastung um Faktor 10 lässt sich so die 10-fache Gasmenge aus dem Hydrat gewinnen. Dieses Verfahren wird schon seit längerer Zeit im Messoyakha-Feld geprüft. Es eignet sich besonders für Vorkommen in Permafrostböden, da dort eine Senkung des Oberflächendruckes einfach und kostengünstig realisiert werden kann.12 Die Methode der Methanol-Injektion wird oft mit dem Verfahren der Druckentlastung kombiniert. Methanol ist ein Lösungsmittel und unterstützt somit die Zerstörung der Hydrate. "Da Methanol sehr teuer ist, ist die Injektions-Technik zwar effektiv aber leider auch sehr kostenintensiv. Um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, ist man deshalb zurzeit auf der Suche nach Substanzen, die das teure Methanol ersetzen können."13 Ein weiteres Verfahren zur Ausbeutung besonders von maritimen Vorkommen ist die Wärmezuführung. Sie gelingt bei Schichten von Methanhydrat von über 5 Metern Dicke. Dort wird ein so genanntes "Injektionsloch" gebohrt, in welches Wärme z.B. in Form von Dampf zugeführt wird. Über andere Bohrlöcher in näherer Umgebung kann dann das freigesetzte Methan gewonnen werden. Das Verhältnis von Energiegewinn und Energiezufuhr beträgt beim Verfahren der Wärmezuführung 15:1, es ist also im laufenden Betrieb sehr effizient.14Auch die beiden Prozesse der Wärmezuführung und der Druckentlastung lassen sich kombinieren. In dieser Kombination wird meist die Hydratplatte durch Wärmeinjektion in tieferen Schichten abgeschmolzen, um dann durch Druckentlastung auch die oberen Schichten zu aufzulösen.15Wo welche Abbaumethode angewandt wird, sollte anhand der lokalen geographischen Verhältnisse entschieden werden. So eignet sich das Prozedur der Druckentlastung auch sehr, wenn sich, was selbst in Permafrostböden oft der Fall ist, unter den Hydratschichten weitere frei Erdgasvorkommen befinden, da dann das abgebaute Methan und sonstiges Erdgas in einem Vorgang abgepumpt werden können. Desgleichen lässt sich auch bei dem Verfahren der Wärmezufuhr durch gezielte Auswahl der Lokalitäten eine höhere Wirtschaftlichkeit erreicht werden. So wird mit zunehmender Dicke der Hydratfelder, auf denen die Methode angewandt wird, das Hydrat effizienter abgebaut, da die 12 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=8 (Stand 30.03.05) 13 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=8 (Stand 30.03.05) 14 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=8 (Stand 30.03.05) 15 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=8 (Stand 30.03.05) Wärmeverluste geringer werden16 Auch muss beachtet werden, das sich alle derzeit entwickelten Abbaumethoden noch in der Testphase befinden und, bis auf das Projekt zum Test der Druckentlastungsmethode im Messoyakha-Feld, bisher keine wirtschaftlichen Erfolge erzielt wurden. 3 Methanhydrat als Gefahrenquelle 3.1 Gefährdung für das Klima Eine der schlimmsten Bedrohungen, die vom Methanhydrat ausgehen, ist die Wirkung des Methans auf das Klima der Erde. Methan fördert den anthropogenen Treibhauseffekt ungefähr 30mal stärker als das meist erzeugte künstliche Treibhausgas Kohlenstoffdioxid.17 Eine kleine Änderung der eng gefassten Stabilitätsbedingungen, z.B. eine leichte Erwärmung der Ozeane aufgrund der durch den schon vorhanden Treibhauseffekt steigenden Temperaturen, würde ausreichen, große Mengen des Methans in die Atmosphäre entweichen zu lassen. Die Folgen für das Leben auf der Erde wären dramatisch. Die erwärmte Luft würde die Ozeane noch stärker aufheizen, noch mehr Methan würde freigesetzt und die globale Erwärmung in unkalkulierbaren Maßen weiter vorantreiben. "Welche Auswirkungen dieser \"Temperaturschock\" auf das globale Klimageschehen oder auf den schon prognostizierten Meeresspiegelanstieg hätte, ist nach dem Stand der heutigen Forschung nicht absehbar."18 Einige Ergebnisse, die die Klimawissenschaft der Analyse von Bohrkernen entnommen hat, lassen darauf schließen, dass vor ca. 55 Millionen Jahren sich so ein Szenario abgespielt haben könnte. Eine starke Hangrutschung ließ ca. 1200 bis 2000 Milliarden Tonnen Methan in die Atmosphäre entweichen. 70% der Foraminiferen, das sind Schalentiere, die alle Meeresschichten besiedeln, starben plötzlich. Auch machten die Lebewesen auf dem Land starke Veränderung ihres Lebensraumes durch, so kam es, dass sich Krokodile in der Arktis und Primaten und andere Säugetiere in Nordamerika einfanden. Erst 120.000 Jahre später hatte sich das Klima wieder auf ein normales Maß eingependelt. 1916 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=8 (Stand 30.03.05) 17 I.R.: https://de.wikipedia.org/wiki/Methanhydrat (Stand 30.03.05) 18 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=10 (Stand 30.03.05) 19 I.R.: https://www.geoscience-online.de/index.php?cmd=focus_detail2&f_id=27&rang=11 (Stand 30.03.05) Ein Problem, welches mit der Verwendung des Methanhydrats als Energieträger zusammenhängt, ist, dass mit Nutzung des Methans wieder einmal ein Kohlenwasserstoff als Brennstoff genutzt wird, der bei seiner Verbrennung CO2 erzeugt. Dies würde sich weiter schädlich auf die Temperaturkonstanz der Erde auswirken. 3.2 Bedrohung durch Erdrutschungen Eine weitere Gefahr ist, dass durch auflösendes Methanhydrat die Kontinentalhänge zunehmend instabil werden und ins Rutschen geraten. Hydrate durchziehen die Poren vieler Kontinentalränder der Erde wie Zemente. Sollten sie schmelzen, z.B. durch Erwärmung oder direktem Abbau, wären die Folgen nicht nur ein möglicher Anstieg des weltweiten Klimas. Auch entfaltet das im 168:1 Verhältnis komprimierte Methanhydrat eine außerordentlich große Sprengkraft, die in der Lage ist, Hänge auf der Länge mehrerer hundert Kilometer ins Rutschen zu bringen. Man spricht in solchen Fällen von einem Storegga-Effekt, benannt nach der Storegga-Rutschmasse in Südnorwegen (siehe Abbildung 3), die vor ca. 8000-7000 Jahren durch schmelzende Methanhydrate abrutschte. Sie erzeugte einen gewaltigen Tsunami, dessen Spuren sich noch heute in den norwegischen Fjorden finden lassen. Erste Hinweise darauf, dass solch ein Ereignis sich wiederholen könnte, geben erhöhte Methanaustritte an den Hängen der Antarktis und vor Grönland.20Die Folgen die ein derartiger Tsunami heute hätte, lassen sich an den Auswirkungen der Flutkatastrophe in Asien nur erahnen, da eine Rutschung in dieser Größenordung eine weitaus höhere und verheerende Flutwelle erzeugen würde. Falls diese vor Grönland entstehen sollte, wären fast alle europäischen Hafenstädte, ein großer Teil der Offshore-Industrie und somit die ganze Weltwirtschaft betroffen. Für die dort lebenden Menschen gäbe es bei solchen Wellenhöhen vermutlich keine Chance zu überleben. Eine solche Hangrutschung, wo auch immer sie sich ereignet, würde wiederum Gas in klimarelevanten Mengen freisetzen, das den Treibhauseffekt weiter fördert. 3.3 Direkte Gefahr durch Methanaustritte Eine weitere Bedrohung, die von den Methanhydraten direkt ausgeht, besteht darin, dass, in an Methanhydrat reichen Regionen, plötzlich unkontrolliert große Gasmenge freigesetzt werden können. Man bezeichnet einen solchen Vorgang als "Blow-Out", der Begriff 20 I.R.: https://www.wissenschaft.de/wissen/news/234080.html (Stand 30.03.05) stammt aus der Ölbohrindustrie, dort bezeichnet er das versehentliche Anbohren von Gasschichten, deren Druck die Plattform zerstören kann. Bei einem "Blow-Out" wird auf einen Schlag eine so große Menge an Methan frei. Die Dichte des Wassers fällt dadurch rapide; so stark, dass es nicht mehr in der Lage ist Schiffe zu tragen. Selbst größte Schiffe sinken bei einem "Blow-Out" wie ein Stein. Bei besonders heftigen Methanfreisetzungen steigt soviel brennbares Gas in große Höhe, dass es sich in Flugzeugturbinen entzündet und das Flugzeug explodiert. Durch die Endeckung dieser Phänomene konnte auch z.B. die Legende über das Bermuda-Dreieck enträtselt werden. Im Bermuda-Dreieck, folglich zwischen Miami, Puerto-Rico und den Bermudas (siehe Abbildung 4), lagert eine große Menge instabiles Methanhydrat, aus dem sich häufig große Gasmengen lösen.21III Ein gefährlicher Energieträger Im Methanhydrat liegt das Potential, die Energieversorgung der Erde auf begrenzte Zeit sicherzustellen. Es darf aber nicht außer Acht gelassen werden, dass es sich um einen fossilen Energieträger handelt, der die gleichen Nachteile mitbringt wie schon vorhandene Kohlenwasserstoffe. Auch muss, um das Hydrat wirtschaftlich zu nutzen, viel Geld in Forschung und Entwickelung der Abbauanlagen investiert werden, aber angesichts der Chance, einen Energieträger in dieser Größenordnung zu nutzen, sollte dies kein Problem darstellen. Ein Problem, was schon heute auftritt, ist, dass viele Forschungsinstitute, da sie von großen Energieversorgern finanziert werden, nur die besten Nutzungsmöglichkeiten analysieren, und sich dabei weniger mit der Bedrohung, die vom Methanhydrat ausgeht, beschäftigen. Diese ist auf keinen Fall zu unterschätzen und bedarf permanenter Beobachtung, denn ein plötzlicher Klimawechsel oder eine gigantische Hangrutschung könnte viele Leben kosten. Auch muss, wenn es soweit ist, die Abbaumethodik genau überwacht werden, da z.B. ein unkontrolliertes Schmelzen von Methanhydraten, die der Stabilität eines Kontinentalhangs dienen, wesentlich dramatischere Folgen hätte, als ein beispielsweise die Explosion einer Ölplattform. Abschließend lässt sich sagen, dass Methanhydrat durch weitere Forschung der fossile Energieträger der Zukunft darstellen könnte, aber die Gefahr, die von ihm ausgeht, nicht unterschätzt werden darf. 21 Schätzing