Methanhydrat

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Brennendes Methanhydrat (kleines Bild: Modell der Molekülstruktur)

Methanhydrat (Methanklathrat - von lat. clatratus = Käfig -, auch Methaneis oder Gaskondensat genannt) besteht aus Methan, das in erstarrtem Wasser eingelagert ist, wobei die Wassermoleküle das Methan vollständig umschließen. Man spricht daher auch von einer Einlagerungsverbindung (Klathrat). Schon in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts kam es zu Transportproblemen in Erdgasleitungen. Durch Feuchtigkeitsentzug des Erdgases ließ sich die Verstopfung beseitigen. Russische Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die Methanhydrate auf vielen Gebieten der Erde natürlich vorkommen. Erstmals wurde das reine Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Eigenschaften

Auf ein Mol Methan kommen 5,75 Mol Wasser, die Formelschreibweise lautet daher CH4 · 5,75 H2O. Die Dichte liegt bei 0,9 g/cm3. Das Methan liegt in einer hoch verdichteten Form vor, denn ein Liter festes Methanhydrat enthält eine Methanmenge, die unter Normalbedingungen 168 Liter einnimmt. Bei Raumtemperatur entweicht Methan, das angezündet werden kann – das Aussehen erinnert an „brennendes Eis“ oder Esbit.

[Bearbeiten] Kristallstruktur

Methanhydrat bildet sich aus Wasser und Methangas bei einem Druck ab ca. 20 bar; dieser Druck wird ab etwa 190 Meter Wassertiefe erreicht (19 bar Wasserdruck plus 1 bar Luftdruck) und bei Temperaturen von zwei bis vier Grad Celsius. Es wurden drei (Struktur I ist aber sehr verbreitet) Kristallstrukturen von Methanhydraten gefunden. Das Methan ist dabei in einem Käfig aus Wassermolekülen eingeschlossen. In die Hydratkäfige können auch Gase wie Dihydrogensulfid oder Kohlendioxid eingeschlossen werden.

[Bearbeiten] Vorkommen

Bekannte und vermutete Lagerstätten von Methanhydrat an den Kontinentalrändern und in Permafrostböden

Methanhydrat bildet sich in großer Menge in den Kontinentalabhängen, wo der Druck hoch und die Temperatur niedrig genug ist. Bei geschätzten zwölf Billionen Tonnen Methanhydrat ist dort möglicherweise mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten der Welt. Methanhydrat kommt gewöhnlich in Tiefen von 500 bis 1000 Metern vor. Die bekannten Methanhydratvorkommen wurden vom United States Geological Survey (USGS) aufgelistet. Der Nachweis in großen Meerestiefen erfolgt mit einem sogenannten Boden-simulierenden Reflektor (BSR). Dieser Reflektor nutzt die Schallgeschwindigkeit.

Bei Testbohrungen wurden in Alaska große Felder in Tarn[1] und Eileen an der Prudhoe Bay gefunden mit jeweils mindestens acht großen Flözen in 300 bis ca. 800 Meter Tiefe und etwa 40–60 Milliarden Kubikmeter Gashydrat.

In Kanada wurde in Mallik[2] in den Nordwest-Territorien im Delta des Mackenzie ein großes Feld gefunden, an dem Wissenschaftler aus USA, Europa, darunter auch Deutschland, Japan[3], Indien und China Abbaumethoden erarbeitet haben.

Japan untersucht die Sande des Nangkaigrabens, die etwa 20 Prozent Gashydrat enthalten.

1996 hat das deutsche Forschungsschiff „Sonne“ bei einer Forschunsfahrt unter Leitung des Kieler IFM-GEOMAR Instituts ca. 100 km westlich von Oregon erstmals große Methanhydratvorkommen entdeckt.

Schon seit 1976 wird im sibirischen Messojacha-Feld mittels Injektionsverfahren Methan aus Methanhydraten abgebaut.

Offenbar gibt es weit mehr Methanhydrat als bisher vermutet, so dass sogar im Mittelmeer auftsteigendes Methan entdeckt wurde.

[Bearbeiten] Entstehung

In Ozeanen wird Methan von Bakterien gebildet. Sie wandeln das gelöste Kohlenstoffdioxid zu Methan um oder bauen biologisches Material ab. Bei der Entstehung von Methanhydrat muss das Wasser mit Gas übersättigt sein, ferner müssen die Druck-, Temperaturbedingungen stimmen. Nur bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen sind Methanhydrate stabil. Bei Anwesenheit von Dihydrogensulfid oder Kohlendioxid kann sich Methanhydrat schon bei niedrigeren Drücken und etwas höheren Temperaturen bilden. Große Vorkommen neben den Ozeanen befinden sich im Eisschild Grönlands und in der Antarktis sowie in den Permafrostböden.

Struktur eines Methanhydratbrockens aus der Subduktionszohne vor Oregon

An der Subduktionszohne vor Oregon wird durch Plattentektonik die ozeanische Juan-de-Fuca-Platte unter der koninentalen Nordamerikanischen Platte subduziert. Dabei wird das subduzierte Sediment in größeren Tiefen ausgepresst und Porenwasser mit hohem Methangehalt wird nach oben transportiert. In der Nähe der Sedimentoberfläche kommt dieses gelöste Methan durch Abkühlung in sein Stabilitätsfeld und es bildet sich Methanhydrat im Sediment bzw. an der Sedimentoberfläche. Durch diesen Prozess wird das meiste aufsteigende Methan im Sediment gebunden und nahe der Sedimentoberfläche abgelagert. An der Sedimentoberfläche erkennt man die Stellen an denen dieses Porenwasser das Sediment verlässt (Cold Seep) am Auftreten von Bakterienmatten sowie großer Muschel- und Wurmkolonien. Diese Fauna nutzt das restliche im aufsteigenden Wasser vorhandene Methan und das Hydrogensulfid um mit Hilfe spezieller methan- bzw. sulfidreduzierender Bakterien daraus Energie als Lebendsgrundlage zu erzeugen, unabhängig von der Photosynthese.

Der geringe Anteil an 13C legt eine mikrobielle Entstehung nahe. Organische Substanzen in Meeressedimenten können von Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen unter anderem zu Methan umgesetzt werden, das mit dem umgebenden Wasser Methanhydrat bildet. Gerald Dickens, Paläogeologe an der Rice University in Houston, nimmt an, dass im Paläozän vor rund 55 Millionen Jahren, als die Temperaturen vier bis fünf Grad wärmer waren als heute, im Meer große Mengen organischer Massen gebildet wurden. Diese Massen waren vermutlich der Ursprung des Methanhydrats.

Im Hinblick auf die Vermutung, dass in den Methanhydratlagerstätten doppelt soviel Kohlenstoff enthalten sein könnte wie in allen bekannten Lagerstätten fossiler Brennstoffe (Erdgas, Erdöl, Kohle, Ölsande) zusammen, fürchten Kritiker, dass die Ausbeutung dieser Lagerstätten – entstanden vor etwa 60 Millionen Jahren im Paläozän – dessen Klima durch den Treibhauseffekt wieder zurückbringen könnte. Am Ende des Paläozän kam es zu einem weltweiten, plötzlichen Temperaturanstieg von ca. 5 bis 6 °C[4]. Das "Late Paleocene Thermal Maximum" wurde durch eine plötzliche Freisetzung von Kohlenstoff bzw. Kohlendioxid ausgelöst. Als Quelle werden instabil gewordene Methanhydratvorkommen am Meeresgrund diskutiert.

[Bearbeiten] Bedeutung

Die großen Mengen gebundenen Methans lassen auf einen Energieträger der Zukunft hoffen. Jedoch gestaltet sich der Abbau der Methanhydratfelder schwierig. Grund dafür ist, dass sich Methanhydrat in den höheren Wasserschichten bei geringerem Druck und höherer Temperatur zersetzt und große Mengen gasförmigen Methans entweichen.

Methanhydrat scheint auch großen Einfluss auf das Klima zu haben, denn Methan ist ein Treibhausgas mit – laut William Dillon vom US Geological Survey – 23-mal stärkerem Effekt als Kohlendioxid (über 100 Jahre gesehen). Wenn sich warme Meeresströmungen in Richtung Methanfelder verlagern und sie das Wasser um fünf Grad Celsius erwärmen, kann es zur Freisetzung von großen Mengen Methan kommen (sogenannter Blow-out-Effekt). Genau dies scheint vor 55 Millionen Jahren geschehen zu sein. Damals kam es zu einer weltweiten Erwärmung der Atmosphäre; in den Gesteinen jener Zeit finden Geologen heute Belege für einen schnellen Anstieg des Methangehaltes der Luft. Es besteht die Möglichkeit, dass durch den Treibhauseffekt Methanhydrate im Permafrost und im Meer freigesetzt werden und so eine sich selbst verstärkende zusätzliche Wärmefalle für den Planeten bilden, mit gravierenden Folgen.

Das Vorhandensein von großen Mengen Methanhydrat im Bermudadreieck wird neben anderem als Erklärungsansatz für die dort angeblich auftretenden Phänomene herangezogen (siehe Bermudadreieck, Abschnitt Methanhydrat-Vorkommen und Blowout). Wissenschaftler wie William Dillon halten dies für unwahrscheinlich, räumen aber ein, dass große Freisetzungen von Methan die Dichte der betroffenen Wassermassen so herabsetzen würden, dass Schiffe darauf nicht mehr schwimmen könnten.[5]

Erdgeschichtlich sind vor Norwegen und in der Karibik Methangasfreisetzungen nachgewiesen worden, die durch sinkenden Meeresspiegel (Druckabbau), Abrutschen freiliegender Hydratmassen und Tsunamis ausgelöst worden sein könnten.

[Bearbeiten] Abbaumethoden

  1. Überführung in einen gasförmigen Zustand durch Temperaturerhöhung.
  2. Druckentlastung, die sich meist schon ergeben kann, wenn das Hydrat beim Erbohren atmosphärischem Druck ausgesetzt wird oder indem künstlich Spalten und Risse erzeugt werden.
  3. Einpumpen von Kohlenstoffdioxidgas oder erwärmtem Wasser.
  4. Einspritzen des Gefrierschutzmittels Methanol in die Lagerstätte.

Es besteht die Gefahr, dass es zu klimaschädlichen Massenfreisetzungen kommt (siehe auch Blowout).

Die Kosten des Abbaus der Felder in Alaska und Kanada werden je nach Methode auf sechs bis zwölf Cent je Kubikmeter geschätzt. Gemäß Aussagen von Timothy Collet vom US Geological Survey wurden die Erwartungen am kanadischen Bohrplatz Mallik weit übertroffen, weil 80 bis 90 % der Zwischenräume in Sanden und Kiesen mit Methanhydrat gefüllt waren.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Literatur

  • G. Bohrmann: Gashydrate der Ozeane, PdN-ChiS 6/54, Jahrgang 2005, S.2 - 7
  • A. Boetius: Mikrobieller Methanumsatz im Meer, PdN-ChiS 6/54, Jahrgang 2005, S.8 - 12
  • G. Glatzel: Erdgasfahrzeuge, PdN-ChiS 6/54, Jahrgang 2005, S. 13 - 19

[Bearbeiten] Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Methanhydrat – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

[Bearbeiten] Quellen

  1. ↑ Alaska Oil and Gas Conservation Commission: Kuparuk River Unit, Tarn Oil Pool, 11. Juli 2005
  2. ↑ US Geological Survey: The Mallik Project
    GeoForschungsZentrum Potsdam: International Continental Scientific Drilling Program, 18. Oktober 2006
  3. ↑ Japan Gas, Oil and MEtals National Corporation, Methane Hydrate Technology Research Center: Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan
  4. ↑ J. Zachos, M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas (2001). Trends, Rhythms and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present. Science 292: 686–693
  5. ↑ US Geological Survey, Woods Hole Science Center: Bermuda Triangle, 25. September 2006
Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Methanhydrat“
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