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Methanhydrat

Methanhydrat

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Brennendes Methanhydrat (kleines Bild: Modell der Molekülstruktur)

Methanhydrat (Methanklathrat – von lat. clatratus = Käfig –, auch Methaneis, brennbares Eis oder Gaskondensat genannt) besteht aus Methan, das in erstarrtem Wasser eingelagert ist, wobei die Wassermoleküle das Methan vollständig umschließen. Methanhydrat wird daher als Einlagerungsverbindung (Clathrat) bezeichnet. Russische Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass Methanhydrat in vielen Gebieten der Erde natürlich vorkommt. Erstmals wurde reines Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt. Die erste Bohrung zur Untersuchung von Gashydraten fand 1997 auf dem Blake Plateau statt.

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, unter Normalbedingungen entspricht 1 m³ Gashydrat dabei 164 m³ Gas und 0,8 m³ Wasser. Bei Raumtemperatur wird das Gashydrat instabil und es entweicht Methan, das entzündet werden kann – das Aussehen erinnert an „brennendes Eis“ oder Esbit.

Kristallstruktur

Methanhydrat bildet sich aus Wasser und Methangas bei einem Druck ab circa 20 bar; dieser Druck wird ab etwa 190 Meter Wassertiefe erreicht (19 bar Wasserdruck plus 1 bar Luftdruck) und bei Temperaturen von 2 bis 4 °C. Gashydrate kristallisieren im kubischen Kristallsystem, wobei die Käfigform vom eingelagerten Gasmolekül bestimmt wird. Die häufigste Form bei Einlagerung von Methan ist der Dodekaeder. Bisher wurden drei Kristallstrukturen von Methanhydraten gefunden: Typ I bei Einlagerung von Methan- und Ethanhydraten sowie bei Kohlenstoffdioxid und Dihydrogensulfid, Typ II bei Propan und Isobutan und Typ H bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen wie zum Beispiel Methylcyclohexan.

Vorkommen

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

Methanhydrat ist thermodynamisch nur unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen stabil und bildet sich daher in großer Menge an den Kontinentalabhängen, an denen der Druck hoch und die Temperatur niedrig genug ist. Weitere Vorkommen finden sich in den Permafrostböden der Polargebiete. Die minimale Bildungstiefe liegt bei circa 300 m in der Arktis und bei circa 600 m in den Tropen. Salz im Meerwasser führt zu einer Verkleinerung des Stabilitätsfeldes, da mit steigendem Salzgehalt niedrigere Temperaturen und größere Drücke notwendig werden. Langkettige Kohlenwasserstoffe in den Hydraten haben eine entgegengesetzte Wirkung. Das natürliche Vorkommen wird auf zwölf Billionen Tonnen Methanhydrat geschätzt, damit 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.

Gashydrate bilden gelbe bis graue, transparente bis durchscheinende Massen, die Porenräume des Sediments ausfüllen und zusammenhängende Ablagerungen bilden. Das Sediment wird dabei mit möglicherweise stabilisierender Wirkung zementiert. Die bekannten Methanhydratvorkommen hat das United States Geological Survey (USGS) aufgelistet. Lediglich Vermutungen des Vorkommens in großen Meerestiefen stützen sich auf den Nachweis eines sogenannten bodensimulierenden Reflektors (BSR) seismischer Wellen an der Untergrenze der Gashydratschicht – darunter wird freies Gas und flüssiges Wasser vermutet, während die Obergrenze nicht durch eine definierte Grenze festzulegen ist. Der BSR ist eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für Gashydrate. Seismische Reflektoren können unter anderem durch die Diagenese entstehen.

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

Auf der Grundlage neuster wissenschaftlicher Berechnungen nehmen Forscher an, dass sich unter der Eisschicht der Antarktis etwa 4 Milliarden Tonnen Methanhydrat befinden.[2]

In Kanada wurde in Mallik[3] in den Nordwest-Territorien im Delta des Mackenzie ein großes Feld gefunden, an dem Wissenschaftler aus USA, Europa, darunter Deutschland, Japan[4], Indien und China Abbaumethoden erarbeitet haben.[5]

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

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

1997 wurde der erste Nachweis von Methanhydrat in den Sedimenten des russischen Baikalsees erbracht. Im Zuge des "Baikal-Drilling" Projektes wurde in dem Sedimentkern BDP-97 das Hydrat nachgewiesen.[6] Bereits 1980 erschien eine Veröffentlichung in der vermutet wurde, dass es Gashydratvorkommen in den tiefen Sedimentschichten des Baikalsees geben könnte.[7]

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

Offenbar gibt es weit mehr Methanhydrat als bisher vermutet. Auch im Mittelmeer wurde aufsteigendes Methan entdeckt.

Entstehung

In Ozeanen wird Methan von einer bestimmten Gruppe der Archaeen, den Methanogenen, gebildet. Sie reduzieren zum Zweck der Energiegewinnung das gelöste Kohlenstoffdioxid oder andere C1-Verbindungen zu Methan. Dieser biochemische Prozess wird Methanogenese genannt.

Bei der Entstehung von Methanhydrat muss das Wasser mit Methan übersättigt sein, ferner müssen bestimmte Druck- und Temperaturbedingungen herrschen. Nur bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen sind Methanhydrate stabil. Bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff oder Kohlenstoffdioxid kann sich Methanhydrat schon bei niedrigeren Drücken und etwas höheren Temperaturen bilden. Große Vorkommen neben denen in Ozeanen befinden sich im Eisschild Grönlands und in der Antarktis sowie in den Permafrostböden.

Struktur eines Methanhydratbrockens aus der Subduktionszone vor Oregon

An der Subduktionszone vor Oregon wird durch Plattentektonik die ozeanische Juan-de-Fuca-Platte unter die kontinentale 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 das Stabilitätsfeld von Methanhydrat, und es bildet sich Methanhydrat im Sediment beziehungsweise an der Sedimentoberfläche. Durch diesen Prozess wird das meiste aufsteigende Methan im Sediment gebunden und nahe der Sedimentoberfläche abgelagert. An der Sedimentoberfläche können die Stellen, an denen dieses Porenwasser das Sediment verlässt (Cold Seep), am Auftreten von Bakterienmatten sowie großer Muschel- und Wurmkolonien erkannt werden. Diese Fauna nutzt das restliche im aufsteigenden Wasser vorhandene Methan und Schwefelwasserstoff, um daraus mit Hilfe spezieller methan- beziehungsweise sulfidoxidierender Bakterien Energie als Lebensgrundlage zu gewinnen, unabhängig von Licht, das im Gegensatz dazu in belichteten Lebensräumen mittels Photosynthese die primäre Energiequelle von Lebensgemeinschaften darstellt.

Der geringe Anteil an 13C legt eine mikrobielle Entstehung nahe. Organische Stoffe 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 höher waren als heute, im Meer große Mengen organischer Stoffe gebildet wurden. Diese Stoffe waren vermutlich Ausgangsstoffe der Bildung von Methanhydrat.

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 circa 5 bis 6 °C[8]. Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum wurde durch eine plötzliche Freisetzung von Methan ausgelöst. Als Quelle werden instabil gewordene Methanhydratvorkommen am Meeresgrund diskutiert.

Bedeutung

Die reine Gewinnung von Methan aus seinem Hydrat im Meeresboden ist noch nicht ökonomisch, und die großen Mengen gebundenen Methans lassen allenfalls auf einen Energieträger der Zukunft hoffen. Weil sich Methanhydrat in den höheren Wasserschichten bei geringerem Druck und höherer Temperatur zersetzt und dadurch große Mengen gasförmigen Methans entweichen, ist der Abbau der Methanhydratfelder schwierig. Die erste und einzige industriell-kommerzielle Anlage auf der Erde, in der Methanhydrat abgebaut wird, befindet sich im sibirischen Krasnojarsk. In Japan, dem norwegischen Spitzbergen und weiteren Ländern wird bereits intensiv geforscht.[9]

Methanhydrat scheint 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 Kohlenstoffdioxid über 100 Jahre gesehen (siehe Globale Erwärmung und Methanhydrat).

Methanhydratfelder im Golf von Mexiko sind der Lebensraum des Polychaeten Hesiocaeca methanicola und der mit ihm auftretenden methanotrophen Bakterien.

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.[10]

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.

Ein weiterer Grund für die intensive Forschung im Bereich der Gashydrate ist die mögliche Nutzung von Kohlenstoffdioxidhydrat als Kohlenstoffdioxidspeicher. Dabei soll CO2 als Hydrat am Meeresboden gelagert werden. Gleichzeitig würde durch seine Einleitung Methan aus dem Meeresboden freigesetzt werden.

Globale Erwärmung und Methanhydrat

Die Stabilität der Methanhydratvorkommen kann infolge der durch die globale Klimaerwärmung hervorgerufenen Druck- und Temperaturveränderungen im Ozean beeinflusst werden. Mit einer Erwärmung des Bodenwassers wird die Dicke der Stabilitätszone der Methanhydrate reduziert. Bisher stabile Methanhydratvorkommen werden instabil – das Methanhydrat zerfällt, es wird Methan frei und geht teilweise in den gasförmigen Zustand über. Ab einer Temperaturerhöhung von 3 Kelvin des Umgebungswassers der Methanhydrate verringert sich die Dicke der Stabilitätszone signifikant, bei einer Temperaturerhöhung von 8 K verschwindet sie vollständig. Schon bei kleinen Temperaturänderungen kann es zu einem Entweichen des Gases in das freie Wasser kommen.[11] Mit dem Zerfall der Methanhydrate verringert sich weiterhin die Stabilität des Bodens und Hangrutschungen (Storegga-Effekt) sowie Tsunamis können die Folge sein.[12]

Sobald sich das Methanhydrat außerhalb der Stabilitätszone befindet, bildet sich freies Methan im Sediment und unterhalb der Hydratschicht. Das freie Methan kann diffusiv oder als Gas aufsteigend aus dem Meeresboden in das Ozeanwasser entweichen, unter Umständen können sich größere Mengen ansammeln, die dann schlagartig freigesetzt werden (Blowout). Herausgebrochene einzelne Methanhydratbrocken ohne Sedimentanhaftungen sind leichter als Wasser, steigen auf und zerfallen teilweise auf ihrem Weg nach oben und transportieren das Methan schnell in höhere Wasserschichten.

Es sind laut IPCC Szenarien möglich, bei denen die globale Oberflächentemperatur der Meere bis zum Jahr 2100 um 5 K über den vorindustriellen Wert steigen könnte. In einigen Regionen, wie zum Beispiel der Arktis, könnten die Temperaturen um bis zu 10 K steigen.

Ein Entweichen von Methan in großem Umfang in die Atmosphäre ist insbesondere auf langfristige Sicht eine Gefahr. Aufgrund der stabilen Temperaturschichtung und der langsamen Durchmischung der Ozeane werden sich höhere Wassertemperaturen erst im Laufe von Jahrhunderten am Meeresboden und in tieferen Sedimentschichten einstellen. Nur in gut durchmischten relativ flachen Meeresgebieten mit Hydratvorkommen im Oberflächensediment ist eine kurzfristige Freisetzung zu erwarten.

Im Zuge der globalen Erwärmung kann es durch eine chronische Methanfreisetzung über Jahrtausende hinweg zu hohen Methankonzentrationen in der Atmosphäre, zu einer sich verstärkenden Rückkopplung kommen, da das Methan den Treibhauseffekt verstärkt. Abschmelzendes Kontinentaleis, dessen Wasser den Meeresspiegel ansteigen lässt und somit den Druck auf den Meeresboden erhöht, kann die Hydratvorkommen nur in geringem Maße stabilisieren. Eine starke Freisetzung von Methan scheint vor 55 Millionen Jahren während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums und des Eocene Thermal Maximum 2 erfolgt 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. Die Konsequenzen hieraus könnten das Klima der Erde über Zehntausende Jahre beeinflussen.

Neben dem Methanhydrat im Ozean kann durch die Erwärmung das im Permafrostboden befindliche Methan freigesetzt werden, sobald der Boden auftaut.

Mögliche Folgen einer Freisetzung

Die Folgen einer Methanfreisetzung hängen ab von den Mechanismen der Ausbreitung: (i) Diffusion bzw. Freisetzung feiner Bläschen, (ii) Blowout, und außerdem von (iii) der Geschwindigkeit der Freisetzung.

Bei der Auflösung der Hydratstruktur wird Methan freigesetzt. Es steigt aus dem Sediment langsam in Form von kleinen Bläschen in das freie Wasser. Auf seinem Weg an die Oberfläche kann es auf zwei Arten abgebaut werden. Einerseits kann das Methan noch im Meeresboden anaerob durch Bakterien und Archaeen unter Zuhilfenahme von SO42- oxidiert werden. Andererseits kann es in der Wassersäule aerob von Bakterien oxidiert werden, wobei CO2 frei wird. Durch diese Oxidation kommt es zu einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration und das gebildete CO2 erhöht die Konzentration an Kohlensäure (H2CO3) im Ozean und trägt somit zu einer weiteren Versauerung bei (Dissoziation der Kohlensäure H2CO3 → HCO3− + H+). Langfristig ist zu erwarten, dass sich ein neues Kohlenstoffdioxid-Gleichgewicht zwischen Ozean und Atmosphäre bildet. Ungefähr ein Fünftel des im Ozean gebildeten Kohlenstoffdioxids wird in die Atmosphäre abgegeben. Die atmosphärische CO2-Konzentration würde demnach steigen und den Treibhauseffekt weiterhin verstärken.

Wenn Methan schlagartig freigesetzt wird – dies kann durch eine Destabilisierung des Methans durch eine Hangrutschung ausgelöst werden, wie sie zum Beispiel vor Norwegen vor etwa 8000 Jahren in der sogenannten Storegga-Rutschung geschah, – kann ein Großteil des gasförmigen Methans an die Meeresoberfläche steigen und die Methankonzentration in der Atmosphäre stark erhöhen. Das atmosphärische Methan wird nach einer mittleren Lebensdauer von etwa 8 Jahren zu CO2 oxidiert.

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.

Schon ohne die globale Erwärmung kann beim Abbau von Methanhydrat wie beim Abbau von Erdöl und Erdgas Methan frei gesetzt werden. Es besteht die Gefahr, dass es zu klimaschädlichen Massenfreisetzungen kommt.

Gemäß Aussagen von Timothy Collet vom US Geological Survey wurden die Erwartungen an die vorhandene und gewinnbare Menge an Methanhydrat in der Gegend von Alaska und Nordkanada weit übertroffen. Man schätzt, dass die lagernden Mengen an Gashydrat die Ressourcen von konventionell förderbarem Gas weit übertreffen.[13]

Siehe auch

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

Quellen

  1. ↑ Alaska Oil and Gas Conservation Commission: Kuparuk River Unit, Tarn Oil Pool, 11. Juli 2005.
  2. ↑ Forschung und Wissen: Große Mengen Methanhydrat unter dem antarktischen Eis, 1. September 2012.
  3. ↑ US Geological Survey: The Mallik Project
    GeoForschungsZentrum Potsdam: International Continental Scientific Drilling Program, 18. Oktober 2006.
  4. ↑ Japan Gas, Oil and Metals National Corporation, Methane Hydrate Technology Research Center: Research Consortium for Methane Hydrate Resources in Japan.
  5. ↑ Karte und Bild der Bohrung.
  6. ↑ Research History of Lake Gas Hydrates nach Kuzmin M. I., Kalmychkov G. V., Geletiy V. A., et. al.: First discovery of gas hydrates in sedimentation mass of the Baikal lake. Report RAN, 1998, t. 362, No. 4, S. 541–543
  7. ↑ Research History of Lake Gas Hydrates nach Evremova A. G., Andreeva M. V., Levshenko T. V., et. al.: On gases in Baikal lake bed sediments. Gas industry. Series: Geology and exploration of gas and gas condensate fields, 1980, No. 2, S. 15–27
  8. ↑ J. Zachos, M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas: Trends, Rhythms and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present. In: Science Bd. 292, 2001, S. 686–693.
  9. ↑ Energiequelle im Meeresboden
  10. ↑ US Geological Survey, Woods Hole Science Center: Bermuda Triangle, 25. September 2006.
  11. ↑ http://www.wbgu.de/wbgu_sn2006/wbgu_sn2006_voll_6.html
  12. ↑ http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=1856.
  13. ↑ USGS Canadian north slope gas hydrate energy ressources Online, pdf

Weblinks

Commons: Methanhydrat – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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