Un hidrato de metano (o clatrato de metano ) es un compuesto original orgánico presente de forma natural en el lecho marino, algunas laderas continentales y en el permafrost de las regiones polares .
La formación de estos hidratos es uno de los sumideros de carbono planetarios, pero son muy inestables cuando su temperatura supera cierto umbral.
Los hidratos de metano son una fuente potencial de combustible fósil para reemplazar al petróleo ; se sabe que están presentes en grandes cantidades, especialmente en el lecho marino , pero son difíciles de explotar. Siguen siendo una fuente directa o indirecta de dióxido de carbono , dos poderosos gases de efecto invernadero .
Conocido coloquialmente como "hielo ardiente" o "hielo de metano", este compuesto helado es inflamable tan pronto como se derrite en presencia de oxígeno o un oxidante . A nivel molecular, un clatrato de metano está de hecho formado por una delgada "jaula" de hielo en la que está atrapado metano a priori como resultado de la descomposición de materia orgánica relativamente reciente (en comparación con la que generó el petróleo y el gas natural). y realizado por microorganismos anaeróbicos y metanogénicos .
Durante la producción de gas natural, se pueden formar otros hidratos ( etano y propano ). Cuanto más aumenta la longitud de la molécula de hidrocarburo ( butano , pentano , etc. ), menos estables son los hidratos formados.
Los hidratos de gases naturales ( hidrato de gas natural o NGH inglés) se caracterizan por una menor presión ( 25 megapascales , 1/170 de compresión) y una mayor temperatura ( 0 ° C ) el gas natural licuado ( gas natural licuado , GNL) o el gas natural para vehículos ( gas natural comprimido , GNC, gas natural comprimido).
En Julio de 1996, en el Océano Pacífico , el buque de investigación RV Sonne asciende, desde una profundidad de 785 m , 500 kg de hidrato de metano.
El hidrato de metano está formado por moléculas de agua que forman jaulas que atrapan moléculas de gas como el metano o el sulfuro de hidrógeno (ambos gases presentes en el hidrato que trae el barco Sonne). Estas jaulas pueden almacenar cantidades considerables de gas (por ejemplo, 164 cm 3 de metano en 1 cm 3 de hidrato).
En concreto, la estructura básica del hidrato de metano corresponde a la estructura de tipo I de estructuras de clatrato de gas (en) : esta estructura (también llamada estructura-Weaire Phelan ) comprende dos jaulas pequeñas y seis jaulas de mayor tamaño:
Dado que algunos de estos vértices son comunes a dos o más jaulas, el número total de moléculas de agua de la estructura básica del hidrato de metano es de solo 46 moléculas (en lugar de 184).
Los hidratos de metano son estables a alta presión y baja temperatura (ver la curva de “condiciones de estabilidad”; orden de magnitud: 35 bares a 0 ° C ).
Sin embargo, el metano como hidrato es sólido a temperaturas y presiones superiores a las necesarias para licuar el mismo gas; así, el metano puro en agua pura forma hidratos de aproximadamente 380 m en agua dulce a 4 ° C ( densidad máxima del agua ), aproximadamente 440 m en agua salada a 35 g / l ; en comparación, el metano se licua a −161,5 ° C ( 111,6 K ). El hielo de agua cumple la función de una especie de esponja molecular para el metano, que estabiliza el metano en forma sólida. Por lo tanto, es probable que los hidratos de metano se formen bajo las condiciones de temperatura y presión que se encuentran naturalmente en la Tierra, más precisamente, en el subsuelo de la superficie terrestre de las regiones frías por un lado, bajo el océano por el otro.
La presencia de sal (influencia del ion cloruro Cl - ) dificulta un poco la formación de hidratos.
Otros gases de la familia del metano (propano, butano, etc.) pueden formar hidratos con el agua, a presiones más altas.
La cinética (velocidad) de desaparición de los hidratos de metano es baja . Esta es la razón por la que vemos fotografías de bloques de hidratos en condiciones obviamente de laboratorio.
Siendo la densidad de los hidratos menor que la del agua, no hay hidrato en el interior de los océanos, siendo la presión en la superficie demasiado baja para estabilizarlos. Por lo tanto, siempre se fijan en la parte inferior.
El hidrato de metano es estable a baja temperatura y alta presión. En los continentes, si la temperatura del suelo es suficientemente fría, el aumento de presión a grandes profundidades favorece la estabilidad del hidrato. Este efecto compite con el gradiente geotérmico; el aumento de temperatura con la profundidad evita la formación de hidratos. Por lo tanto, estos hidratos son estables en un rango de profundidades. En las superficies terrestres, en las regiones frías, es probable que se encuentren condiciones de estabilidad de los hidratos debajo de la superficie del permafrost , por ejemplo, típicamente entre 100 y 1600 m debajo del permafrost.
En el mar, la presión aumenta con la profundidad, y la temperatura permanece esencialmente constante a grandes profundidades. Sin embargo, dado que la densidad de los hidratos es menor que la del agua, solo debajo del fondo se pueden almacenar estos hidratos. También bajo el lecho marino, el gradiente geotérmico favorece la formación de hidratos hacia grandes profundidades y limita la extensión de la zona de estabilidad de hidratos, por ejemplo hasta 800 m por debajo del lecho marino.
Parece que la mayoría de los hidratos descubiertos se encuentran en los márgenes continentales. La escasez de hidratos bajo los fondos marinos profundos parece deberse a la escasez de fuentes de metano en estos lugares donde serían estables.
Como resultado, los hidratos de metano se encuentran en dos entornos muy diferentes.
El metano se almacena en forma de hidratos de metano en sedimentos oceánicos profundos y en laderas continentales a profundidades de unos pocos cientos de metros.
Los hidratos de metano también se encuentran en el permafrost en las regiones circumpolares de Eurasia y América .
Desde las primeras estimaciones en la década de 1970 , la cantidad de hidrato de metano en el reservorio oceánico se ha revisado a la baja, pero sigue siendo considerable. Según una estimación reciente, esta cantidad estaría entre 1 y 5 × 10 15 m 3 de gas, o entre 0,5 y 2,5 × 10 12 toneladas de carbono. La cantidad de hidratos de metano en el embalse continental es menos conocida. La superficie relativamente pequeña (10 millones de km 2 ) ocupada por el permafrost sugiere que es menor que en el reservorio oceánico . Según Florent Dominé, del CNRS, el permafrost es el mayor reservorio continental de carbono del planeta: allí se han acumulado 1,7 × 10 12 toneladas de carbono de origen vegetal desde la última glaciación; eso es el doble de carbono que la atmósfera contiene actualmente.
En comparación, las reservas de petróleo conocidas en 2005 eran de aproximadamente 2 × 10 11 m 3 (ver artículo Reserva de petróleo ).
Los hidratos de metano, y más generalmente los hidrocarburos, son la causa de muchos incidentes en los gasoductos, especialmente bajo el agua. Cumplidas localmente las condiciones de estabilidad de los hidratos, la tubería se obstruye por efecto de la solidificación del fluido transportado .
Las reservas de hidrato de metano son tan considerables que muchas empresas petroleras están interesadas en él. Pero la recuperación de este compuesto es difícil y costosa, incluso peligrosa para el clima planetario, y las dificultades técnicas en su extracción parecen estar lejos de resolverse actualmente.
Después del accidente nuclear de Fukushima , Japón necesita urgentemente nuevas fuentes de energía. El gobierno ya ha lanzado un programa de investigación (2001-2008) destinado a localizar y calificar el potencial recurso submarino de Japón, luego un plan de siete años ("programa sobre la explotación de energía marina y recursos marinos"), Votado enMarzo de 2009. Están previstas dos extracciones de prueba para 2012 y 2014 cerca del tajo Nankai en el sur del país, donde se han detectado recursos importantes. La prueba de cultivo in situ estabilizado de dos semanas comienza enmarzo 2013.
Los hidratos de metano ya se han explotado en Messoyakha , un pequeño campo de gas poco profundo en Siberia occidental ubicado justo en el límite de estabilidad de los hidratos de metano. Como resultado, su parte inferior era un campo de gas "normal" (gas libre en arena) mientras que la superior estaba llena de hidratos. La explotación de gas convencional redujo la presión y desestabilizó los hidratos, a partir de los cuales se pudo utilizar el metano.
Los fabricantes deben probar los métodos de descompresión de hidratos en el mar para recuperarlos por completo. Es uno de los proyectos del JOGMEC japonés.
Un proyecto alemán llamado SUGAR (acrónimo de Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), lanzado en el verano de 2008 por el Instituto Leibniz de Ciencias Marinas en Kiel , bajo la supervisión de los ministerios federales de economía y tecnología (BMWi) y de educación e investigación (BMBF) con el apoyo de 30 socios económicos y científicos y un presupuesto inicial de casi 13 millones de euros, tiene como objetivo extraer metano y almacenar CO 2 en su lugar capturados a la salida de centrales térmicas u otras instalaciones industriales.
Desde 2001 se han realizado estudios japoneses y estadounidenses con el objetivo de demostrar que la impermeabilización de un sistema de suministro de NGH era posible en el marco de la explotación de campos de gas natural costa afuera y no en la explotación de los yacimientos de hidratos en sí (ya que esto no ha sido posible). aún se ha podido llevar a cabo de manera efectiva dentro de un marco de suministro a escala industrial ).
Los estudios de viabilidad realizados a tal efecto han demostrado, por tanto, que el uso de sistemas de suministro de NGH basados en técnicas de producción de hidratos de metano sintéticos fue rentable en el marco de una explotación racional de campos de gas natural de tamaño medio. Y menos importante: la explotación de los recursos naturales. Los campos de gas incluyen por definición una inversión muy significativa en tecnologías de licuefacción de gas. La inversión básica y el costo de construcción y puesta en servicio de una unidad de licuefacción hacen que la explotación de yacimientos pequeños y medianos no sea económicamente viable.
La explotación de los hidratos de metano no se limita al lecho marino. De hecho, los hidratos de metano son una buena alternativa para transportar metano a distancias relativamente largas. Así, gracias a los hidratos de metano se reduciría el peligroso transporte de gas natural licuado o la construcción de gasoductos .
Además, el transporte de hidratos en barco podría ser menos costoso en energía que el del gas natural licuado, porque las condiciones de temperatura y presión serían menos difíciles de mantener que en los buques de GNL actuales. Por el contrario , la cantidad final de gas libre transportada en relación con el peso de la carga va en detrimento de los hidratos en términos de costo de transporte.
Si la distancia sigue siendo inferior a 6000 km , el sistema de suministro de NGH se vuelve menos costoso que el LNG clásico. Como la producción y regasificación ya son básicamente menos costosas con NGH y requieren menos inversión, el sistema aquí marca su superioridad sobre el sistema de compresión convencional al licuar gas natural.
Hidrato de gas natural (NGH) | Gas natural licuado (GNL) | |
---|---|---|
Modos de transporte y almacenamiento | Sólido | Líquido |
Temperatura de transporte | −20 ° C | −162 ° C |
Densidad | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Contenido de 1 m 3 de producto | 170 m 3 CH 4 y 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CH 4 |
(es decir, 13,2% en masa de metano en el hidrato sólido).
Para fijar los órdenes de magnitud, un cilindro de gas utilizado para distribuir butano o propano llamado "13 kg " (que contiene aproximadamente 4,8 m 3 de gas butano a temperatura y presión normales) tiene sólo un volumen de 30 litros. Este volumen transportaría (todos los datos de este párrafo están redondeados y no se considera ningún margen de seguridad) 14 kg de metano a −161 ° C a 1 bar [densidad de 0,465] (oa −100 ° C y 30 bares). La misma botella contendría 27 kg de hidrato de metano a 35 bares y 0 ° C , o 3,6 kg de metano puro. Estas últimas condiciones podrían describirse de manera caricaturizada como “un cilindro de gas en un refrigerador”; es decir, en condiciones relativamente fáciles de conseguir industrialmente. En este último caso, la botella contendría además de 3,6 kg de metano, unos 23 kg de agua para formar un hidrato con el gas. Este párrafo no pretende mostrar una aplicación industrial real, sino más bien visualizar órdenes de magnitud.
Se están desarrollando investigaciones para:
La explotación de hidratos de metano podría plantear graves problemas de efecto invernadero. Por un lado, su combustión emite CO 2de la misma manera que el gas natural (pero menos que el carbón y el petróleo por la misma cantidad de energía producida). Por otro lado, existe el riesgo de que al explotar hidratos submarinos inestables se devuelvan inadvertidamente grandes cantidades de metano a la atmósfera: esto equivaldría a explotar el gas natural permitiendo enormes fugas. Oro metano (CH 4) tiene un poder molesto mucho mayor que el CO 2como gas de efecto invernadero. Su potencial de calentamiento global, medido a una escala de un siglo a partir de su difusión en la atmósfera, es de hecho entre 22 y 23 veces mayor que el del dióxido de carbono, teniendo en cuenta la vida media de las moléculas. De CH 4solo una docena de años antes de su descomposición en CO 2por fenómenos ultravioleta , de combustión u oxidación y diversas reacciones químicas.
Los científicos temen que el calentamiento global , al elevar suficientemente la temperatura del permafrost, permitirá que los clatratos allí presentes se derritan al menos parcialmente: esto tendría el efecto de liberar enormes cantidades de metano a la atmósfera, que volvería a sus sentidos. aumentar el efecto invernadero , lo que resulta en un efecto desbocado. Florent Dominé, del CNRS, evoca un aumento de la temperatura de 5 a 8 ° C para el 2100.
En 2014, los investigadores demostraron que una desgasificación de los hidratos de metano observada en el Atlántico frente a Svalbard es de origen natural y comenzó hace al menos 3.000 años. Los autores, que inicialmente temieron que el fenómeno se debiera al calentamiento global, creen sin embargo que tal mecanismo sigue siendo posible, porque a largo plazo las profundidades del océano también se calentarán; sin embargo, el fondo del océano contiene cantidades muy grandes de hidratos de metano, que acelerarán el calentamiento en caso de desgasificación.
Según David Archer (en) en 2007, los hidratos de metano ya están causando desgasificación hoy en día en respuesta al calentamiento global antropogénico, por ejemplo, en la frontera entre Siberia y el Océano Ártico, pero la mayoría de los hidratos de metano están enterrados profundamente en el suelo o en océanos. sedimentos, por lo que la escala de tiempo a considerar para que el calentamiento global actual no desencadene su posible desgasificación se cuenta en miles de años. Por tanto, el autor cree que el efecto de desgasificación durante el próximo siglo podría ser “significativo pero no catastrófico” .
En 2017, una revisión de la literatura realizada por el Instituto de Estudios Geológicos de los Estados Unidos concluyó que es poco probable que la descomposición de los hidratos de metano cause una emisión masiva de metano, comparable a las emisiones de gases de efecto invernadero de origen antropogénico, porque la mayor parte del gas no llega a la atmósfera y permanece atrapado en sedimentos marinos, transformado en CO 2por microbios o disuelto en el océano. Un estudio publicado en Science avanza enenero 2018corrobora esta teoría: muestra que solo alrededor del 10% del metano emitido al nivel del fondo oceánico del mar de Beaufort llega a la superficie.
Gavin Schmidt del Goddard Institute for Space Studies ( NASA ) considera que el riesgo asociado con la desgasificación de los hidratos de metano es "bajo", mientras que el profesor Tim Lenton de la Universidad de Exeter y especialista en puntos de inflexión climáticos cree que el proceso de deshielo del permafrost llevará miles, si no decenas de miles de años. Peter Wadhams , profesor de la Universidad de Cambridge y autor de un artículo sobre el tema en la revista Nature en 2013, que se basa en un derretimiento completo del hielo marino del Ártico en verano ya en 2015 (un escenario que finalmente no se materializó ) .realizado), estima por el contrario que la desgasificación podría llevar sólo unos cincuenta años o incluso menos.
Según un estudio publicado en la revista Palaeoworld (en) en 2016, un deshielo masivo de los hidratos de metano oceánicos sería la principal causa del calentamiento global que condujo a la extinción del Pérmico-Triásico que supuso la desaparición del 95% de las especies marinas y 70 % de especies continentales, hace 250 millones de años. Los autores del estudio establecen el vínculo con el calentamiento global actual. Otros científicos, Peter Wadhams y Tim Palmer , encuentran, sin embargo, que este estudio es excesivamente catastrófico. Además, investigadores del MIT y la Academia de Ciencias de China en Nanjing demostraron en 2014 que la emisión masiva de metano podría deberse a microbios y no a una descongelación de los hidratos de metano.
Por primera vez, un país ha logrado extraer metano de estos hidratos sin sacarlos del fondo marino: Japón.
En primer lugar, y especialmente debido a la expansión económica y tecnológica de Japón y al cierre de sus centrales nucleares, las necesidades energéticas son cada vez más importantes en este país. Durante años, Japón había estado buscando una forma de extraer metano , una fuente prometedora de renovación económica porque limitaría las importaciones. Las Japón importa el 95% de su energía , el hidrato de metano lo permitirían reducir significativamente ese número. la12 de marzo de 2013, finalmente comenzaron las pruebas para demostrar visualmente su descubrimiento.
Dado que los hidratos de metano están presentes en las laderas continentales , Japón está muy bien abastecido de este producto porque está rodeado por el Océano Pacífico ; por tanto, se cubrirían las necesidades energéticas.
Este hidrato de metano podría utilizarse para producir electricidad pero sobre todo para suministrar gas que actualmente tiene que ser principalmente importado.
Otros problemas provienen de la central nuclear de Fukushima Daiichi, que ha estado cerrada desde su explosión. La notable fuente de energía eléctrica nuclear es menos utilizada por Japón para generar electricidad, necesita una alternativa: el metano . Las reservas más importantes de metano son los hidratos de metano que pueden transportarse a bajo costo.
A 80 km de la costa de la península de Atsumi en aguas de la prefectura de Aichi, al sur de la isla de Honshû, el experimento realizado a una profundidad del mar de 1.000 metros es el primer éxito obtenido.
Este experimento consiste en provocar una caída de presión para que el gas atrapado se escape con el agua del hielo que rodea al metano mezclado con sedimento en pequeñas cantidades.
Japón, queriendo explotar lo antes posible esta fuente de energía casi inagotable, tiene la intención de realizar más pruebas entre 2014 y 2015.
El metano de la perforación de gas o la metanización se ha utilizado ampliamente desde la primera revolución industrial. Teóricamente, el metano de los hidratos naturales podría recuperarse mediante la despresurización del sedimento y / o su calentamiento (in situ o elevándolo a la superficie en ambos casos). pero ...