Hoe Frozen Fuel Werkt

{h1}

Bevroren brandstof kan worden gebruikt om de planeet te verwarmen. Lees meer over bevroren brandstof en het gebruik ervan in dit artikel.

Op zichzelf is methaan niet erg spannend. Het is een kleurloos, geurloos gas en het eenvoudigste lid van de alkaanreeks koolwaterstoffen. De grootste aanspraak op roem is dat het, als het hoofdbestanddeel van aardgas, nuttig is als een bron van energie.

Onlangs hebben geologen echter een type methaan ontdekt dat hun nieuwsgierigheid heeft gewekt. Een deel van zijn ongewone karakter is hoe het in zijn natuurlijke staat bestaat - opgesloten in een kooi van ijs. Nog intrigerender is hoeveel van dit bevroren methaan lijkt te zijn opgesloten in de aardkorst. Sommige schattingen geven aan dat maar liefst 700 biljard (700 × 1015) kubieke voet (20 quadriljoen kubieke meter) methaan zijn ingekapseld in ijs en gevangen in zeebodemsedimenten over de hele wereld [bron: Tarbuck]. Dat is twee keer zoveel koolstof als de andere fossiele brandstoffen van de aarde samen.

De ontdekking van dit nieuwe type methaan, wat wetenschappers noemen methaanhydraat, heeft geleid tot twee belangrijke vragen. De eerste is pragmatisch: zal het branden als gewone methaan? Het blijkt dat het zal gebeuren. Als je een stuk methaanhydraat neemt - het ziet eruit als hardgepakte sneeuw - en een brandende lucifer aanraakt, brandt het monster met een roodachtige vlam. En als dat het geval is, kan het worden gebruikt om huizen te verwarmen, auto's te tanken en in het algemeen energie-hongerige landen zoals Japan, de Verenigde Staten, India en China te machtigen. Recente gegevens suggereren dat slechts 1 procent van de methaanhydraatafzettingen op aarde genoeg aardgas zou kunnen produceren om 170.000 jaar aan de Amerikaanse energiebehoefte te voldoen [bron: Stone].

De tweede vraag is deels een ethische overweging: moeten we als een wereldwijde gemeenschap die vurig probeert schone, hernieuwbare energie te ontwikkelen, een van de fossiele brandstoffen omarmen die ons in de problemen bracht? De wetenschap kan die vraag niet beantwoorden. Het kan echter de uitdagingen en risico's blootleggen waarmee landen worden geconfronteerd die in de hoop profijt te trekken van methaanhydraat. Een van de belangrijkste uitdagingen is het vinden van efficiënte manieren om de bevroren brandstof te extraheren. Meer verontrustend zijn potentiële catastrofes - gaande van massale onderwaterverschuivingen tot een uit de hand gelopen broeikaseffect - gerelateerd aan methaanmijnbouw.

In dit artikel zullen we alle positieve en negatieve aspecten van methaanhydraat onderzoeken. We zullen kijken naar zijn relatief korte geschiedenis, evenals hoe het past in een aantal mogelijke toekomstscenario's. En natuurlijk zullen we de fundamentele wetenschap achter dit zogenaamde "ontvlambare ijs" onderzoeken.

Laten we beginnen met wat scheikunde.

Hoe Frozen Fuel werkt: fuel

Vuur en ijs: de chemie van methaanhydraat

Vertegenwoordiging van een methaanmolecuul, waarbij de blauwe bol koolstof betekent en de vier rode bollen waterstof betekenen

Vertegenwoordiging van een methaanmolecuul, waarbij de blauwe bol koolstof betekent en de vier rode bollen waterstof betekenen

Bevroren brandstof is de pakkende naam voor een familie van stoffen die bekend staat als gashydraten. Het betreffende gas is aardgas, een mengsel van koolwaterstoffen, zoals methaan, propaan, butaan en pentaan. Van deze is methaan verreweg de meest voorkomende component en een van de meest bestudeerde verbindingen in de chemie.

Zoals alle koolwaterstoffen, bevat methaan slechts twee elementen - koolstof en waterstof. Het is een voorbeeld van een verzadigde koolwaterstofof een molecuul dat geheel uit enkelvoudige bindingen bestaat en daarom het maximaal toegestane aantal waterstofatomen. De algemene formule voor verzadigde koolwaterstoffen is CnH2n + 2. Methaan heeft slechts één koolstofatoom, dus de chemische formule is CH4. Chemici beschrijven deze vorm als een tetraëder.

Methaan is een kleurloos, geurloos, brandbaar gas dat wordt geproduceerd door bacteriële ontbinding van plantaardige en dierlijke stoffen. Het vormt een proces dat wordt gedeeld door alle fossiele brandstoffen. Ten eerste, zeeplanten en dieren sterven en vallen op de zeebodem. Vervolgens bedekken modder en andere zeebodemsedimenten de ontbindende organismen. De sedimenten leggen een grote druk op de organische stof en beginnen deze te comprimeren. Deze compressie, gecombineerd met hoge temperaturen, breekt de koolstofbruggen in het organische materiaal af en transformeert het in olie en aardgas.

Over het algemeen bevindt dit methaan zich - wat geologen beschrijven als "conventioneel" methaan - zich onder het aardoppervlak. Om erbij te komen, moeten werknemers door rots en sediment boren en de methaanafzettingen aanboren om het gas vrij te maken. Daarna pompen ze het naar de oppervlakte, waar het door buizen door het land wordt getransporteerd.

Methaan kan zich ook onconventioneel vormen als de sedimenten die het produceren zich ongeveer 640 voet (500 meter) onder het oceaanoppervlak bevinden. De bijna vriestemperaturen en hoge druk van deze omstandigheden zorgen ervoor dat het methaan in ijs wordt ingepakt. Het methaan bindt niet chemisch met het water. In plaats daarvan zit elk tetraëdrische methaanmolecuul in een kristallijnen schaal gemaakt van ijs. Deze unieke stof staat bekend als methaanhydraaten zodra het warmere temperaturen en lagere drukken bereikt, smelt het ijs weg, waardoor pure methaan achterblijft.

Geologen hebben pas sinds kort in de natuur voorkomend methaanhydraat ontdekt, maar chemici weten dit al jaren, zoals we in de volgende sectie zullen zien.

Clathraatverbindingen

Methaanhydraat is een clathraat, een chemische substantie gemaakt van de ene verbinding genest in de andere. Het woord komt uit het Latijn clatratus, wat "balken" of "rooster" betekent. De ene verbinding dient als gastheer, de andere als gast. In het geval van methaanhydraat is water de gastheer en is methaan de gast. Om deze reden noemen chemici soms clathrates als host-gast-complexen.

Een korte geschiedenis van methaanhydraat

Gassen van gehydrateerd gas, teruggewonnen uit de Golf van Mexico in 2002

Gassen van gehydrateerd gas, teruggewonnen uit de Golf van Mexico in 2002

De geschiedenis van gashydraten is terug te voeren tot Humphrey Davy, een chemicus uit Cornwall, Engeland, die chloor als een element identificeerde in 1810.

Davy en zijn assistent, Michael Faraday, werkten aan het begin van de 19e eeuw met chloor, mengden het groene gas met water en koelden het mengsel af tot lage temperaturen.

Het is zeer waarschijnlijk dat Davy de vreemde vaste stof waarnam die resulteerde toen chlooratomen omhuld raakten in ijskristallen, maar Faraday krijgt officiële erkenning voor de ontdekking. In 1823 publiceerde Faraday een rapport met de beschrijving van de vreemde stof en noemde het chloor clathraat hydraat. Andere soorten clatraten, elk met een gastverband opgesloten binnen de roosterstructuur van een gastheer, werden al snel ontdekt, maar ze bleven een laboratoriumnieuws.

Toen, in de jaren dertig, begonnen mijnaardse mijnwerkers te klagen over een ijsachtig materiaal dat pijpleidingen blokkeerde die blootgesteld waren aan koude temperaturen. Wetenschappers hebben vastgesteld dat dit materiaal geen puur ijs is, maar ijs dat rond methaan is gewikkeld. Ze verspilden geen tijd om manieren te vinden om te voorkomen dat hydraten zich zouden vormen en ze zouden vooral chemicaliën worden, zoals methanol of monoethyleenglycol. Sindsdien hebben mijnbouwbedrijven deze materialen toegevoegd aan hun aardgaspijpleidingen om hydraatvorming te remmen.

In de jaren zestig ontdekten wetenschappers dat methaanhydraat of "vast aardgas" bestond in het Messoyakha-gasveld in West-Siberië. Dit was significant omdat natuurlijk voorkomende gashydraten nog nooit eerder waren gevonden. Geologen en chemici arriveerden in het enorme stroomgebied en begonnen de omstandigheden te bestuderen waarin de hydraten zich vormden. Ze ontdekten dat sub-permafrost sedimenten rijk aan hydraten waren en gingen op zoek naar vergelijkbare afzettingen in andere regio's met hoge breedtegraden. Al snel ontdekte een ander team van onderzoekers methaanhydraat in sedimenten begraven diep onder de noordhelling van Alaska.

Op basis van deze vroege bevindingen hebben het Amerikaanse Geological Survey (USGS) en het Department of Energy National Energy Technology Laboratory uitgebreid onderzoek verricht tussen 1982 en 1992, waaruit bleek dat methaanhydraatafzettingen ook in offshore sedimenten te vinden waren. Plots leek het, wat eens een nieuwsgierigheid en een industriële overlast was geweest, een belangrijke hulpbron te zijn. Halverwege de jaren negentig namen Japan en India het voortouw in methaanhydraatonderzoek, met als doel meer afzettingen te vinden en manieren te ontwikkelen om het ingesloten methaan economisch te extraheren. Wetenschappers hebben sindsdien methaanhydraatafzettingen ontdekt op verschillende locaties, waaronder de Mackenzie River delta in Canada en de Nankai Trough voor de kust van Japan.

Vervolgens bekijken we de impact die methaanhydraat kan hebben op de energievoorziening van de wereld.

Het potentieel van bevroren brandstof

Grote methaanhydraatvelden

Grote methaanhydraatvelden

Toen wetenschappers op zoek waren naar methaanhydraatafzettingen, werden ze niet teleurgesteld. Ze vonden ze onder Arctische permafrost en onder de zeebodem, vooral in gebieden waar een tektonische plaat over een andere verschuift. Deze regio's staan ​​bekend als subductiezones omdat de rand van een plaat onder een andere beweegt. Bijvoorbeeld, voor de kust van Washington en Oregon, glijdt de Juan de Fuca-plaat onder de Noord-Amerikaanse plaat. Zoals een stuk hout over het blad van een vlak wordt getrokken, worden de sedimenten, inclusief hydraten, van de Juan de Fuca-plaat verwijderd door de rotsachtige korst van de Noord-Amerikaanse plaat. Hierdoor ontstaat een rand met hydraten die parallel loopt aan de kust.

Hydraatafzettingen zijn ook gevonden in gebieden waar grote zeestromingen samenkomen. Blake Ridge is een formatie gelegen voor de kust van South Carolina, in water variërend van 6.562 tot 15.748 voet (2.000 tot 4.800 meter) diep. Geologen geloven dat de rand gevormd tijdens het Oligoceen tijdperk, ongeveer 33,7 tot 23,8 miljoen jaar geleden. De Groenlandse Zee opende zich gedurende deze tijd, waardoor enorme hoeveelheden koud, dicht water langs de Atlantische kust naar het zuiden konden stromen. Omdat dit koude water halsoverkop in het warme water stroomde dat noordwaarts op de Golfstroom werd getransporteerd, vertraagden de stromingen en daalden grote hoeveelheden sediment. Organisch materiaal begraven in deze sedimenten gaf uiteindelijk aanleiding tot een grote hoeveelheid methaanhydraat.

Hoeveel van deze bevroren brandstof bestaat er in Blake Ridge en andere sites over de hele wereld? Sommige schattingen stellen de hoeveelheid methaan opgesloten in hydraten ergens tussen 100.000 biljoen tot 300.000.000 triljoen kubieke voet (2.832 triljoen tot 8.495.054 triljoen kubieke meter). Vergelijk dat eens met de 13.000 triljoen kubieke voet (368 triljoen kubieke meter) van conventionele aardgasreserves die op de planeet blijven en je begrijpt waarom kaken in de wetenschappelijke gemeenschap zijn weggevallen [bron: Collett].

Natuurlijk is het vinden van de hydraatafzettingen één ding. Zoals we in het volgende gedeelte zullen zien, is het helemaal iets anders om ze eruit te halen - en dat veilig te doen.

Het risicovolle bedrijf van methaanhydraat uit de mijnbouw

De potentiële voordelen van het vrijmaken van methaan uit gashydratevelden moeten worden afgewogen tegen de risico's. En de risico's zijn aanzienlijk. Laten we eerst beginnen met uitdagingen voor mijnbouwbedrijven en hun werknemers. De meeste methaanhydraatafzettingen bevinden zich in zeebodemsedimenten. Dat betekent dat boortorens in staat moeten zijn om via meer dan 1.600 voet (500 meter) water naar beneden te reiken en dan, omdat hydraten zich over het algemeen ver onder de grond bevinden, nog een paar duizend voet voordat ze kunnen beginnen met uittrekken. Hydraten hebben ook de neiging zich te vormen langs de lagere marges van continentale hellingen, waar de zeebodem wegvalt van de relatief ondiepe plank naar de afgrond. De ruwweg aflopende zeebodem maakt het moeilijk om een ​​pijplijn te laten lopen.

Zelfs als je een boor veilig kunt plaatsen, is methaanhydraat onstabiel zodra het wordt verwijderd uit de hoge drukken en lage temperaturen van de diepe zee.Methaan begint te ontsnappen, zelfs als het naar de oppervlakte wordt getransporteerd. Tenzij er een manier is om dit lekken van aardgas te voorkomen, zal extractie niet efficiënt zijn. Het lijkt een beetje op het ophalen van bronwater met behulp van een emmer vol gaten.

Geloof het of niet, deze lekkage is misschien wel de minste van de zorgen. Veel geologen vermoeden dat gashydraten een belangrijke rol spelen bij het stabiliseren van de zeebodem. Boren in deze oceanische afzettingen kan de zeebodem destabiliseren, waardoor grote delen van sediment over de continentale helling mijlen naar beneden glijden. Er zijn aanwijzingen dat dergelijke onderzeese aardverschuivingen in het verleden hebben plaatsgevonden (zie kader), met verwoestende gevolgen. De beweging van zo veel sediment zou zeker enorme tsunami's teweegbrengen, vergelijkbaar met die gezien in de tsunami in de Indische Oceaan van december 2004.

Maar misschien is de grootste zorg hoe methaanhydraat mijnbouw de opwarming van de aarde kan beïnvloeden. Wetenschappers weten al dat hydraatafzettingen van nature kleine hoeveelheden methaan afgeven. Het gas werkt zelf naar de hemel - of het borrelt omhoog door permafrost of oceaanwater - totdat het in de atmosfeer wordt vrijgegeven. Zodra methaan in de atmosfeer is, wordt het een broeikasgas dat zelfs efficiënter is dan kooldioxide bij het invangen van zonnestraling. Sommige deskundigen vrezen dat boren in hydraatafzettingen catastrofale hoeveelheden methaan zou kunnen veroorzaken die de opwarming van de aarde sterk zouden versnellen.

Maakt dat methaan van hydraatvelden off-limits? Dit is de vraag die wetenschappers van over de hele wereld proberen te beantwoorden.

Bergen verzetten

Een van de grootste aardverschuivingen in de geschiedenis kwam niet voor op het land, maar onder water, vlak voor de kust van Noorwegen. Het kwam ook niet voor in de recente geschiedenis, maar in het Holoceen-tijdperk, ongeveer 8.000 jaar geleden. Bekend als de Storegga onderzeeër-aardverschuiving, veroorzaakte de gebeurtenis enorme hoeveelheden sedimenten die ongeveer 497 mijl (800 kilometer) over de continentale helling gleden. Dit veroorzaakte op zijn beurt een mega-tsunami, misschien 82 voet (25 meter) hoog, die Noorwegen en Schotland trof.

In 1998 ontdekten Russische onderzoekers een onstabiel hydraatveld nabij de locatie van de Storegga-glijbaan. Nu geloven wetenschappers dat een snelle afbraak van hydraten, gerelateerd aan temperatuur- en drukveranderingen aan het einde van de laatste ijstijd, de sedimenten destabiliseerde en de aardverschuiving veroorzaakte.

De toekomst van Frozen Fuel

Demonstranten in Zuid-Korea demonstreren in 2006 tegen het plan van Japan om survey-schepen naar wateren te sturen die door beide landen worden opgeëist. De omstreden wateren zijn een rijk visgebied en er werd gedacht dat ze methaanhydraatafzettingen hadden.

Demonstranten in Zuid-Korea demonstreren in 2006 tegen het plan van Japan om survey-schepen naar wateren te sturen die door beide landen worden opgeëist. De omstreden wateren zijn een rijk visgebied en er werd gedacht dat ze methaanhydraatafzettingen hadden.

In 1997 startte het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een onderzoeksprogramma dat uiteindelijk in 2015 commerciële productie van methaan uit gashydrateafzettingen mogelijk zou maken. Drie jaar later gaf het Congres toestemming voor financiering via de Methane Hydrate Research and Development Act van 2000. The Interagency Coördinatiecommissie (ICC), een coalitie van zes overheidsinstanties, heeft het onderzoek op verschillende fronten voortgezet. Veel van wat we weten over de basale wetenschap van methaanhydraat - hoe het zich vormt, waar het zich vormt en welke rol het speelt, zowel bij de stabilisatie van de zeebodem als bij het broeikaseffect - is afkomstig uit het onderzoek van ICC.

Interessante ideeën over hoe het methaan efficiënt uit hydraten kan worden geëxtraheerd, komen ook naar voren. Sommige deskundigen stellen een techniek voor waarbij mijnwerkers warm water in een boorgat pompen om het hydraat te smelten en het ingesloten methaan vrij te maken. Terwijl het methaan ontsnapt, wordt het via een bijbehorende boorgat naar de zeebodem gepompt. Van daaruit voeren onderzeese pijpleidingen het aardgas aan land aan. Helaas zouden dergelijke pijpleidingen over moeilijk onderwaterterrein moeten reizen. Een oplossing is om een ​​productiefaciliteit op de zeebodem te bouwen, zodat deze zich in de buurt van de hydraatafzettingen bevindt. Als methaan uit de verwarmde sedimenten ontsnapt, zouden werknemers in de fabriek het gas opnieuw invriezen om "schoon" methaanhydraat te vormen. Onderzeeërs sleepten de bevroren brandstof dan in enorme opslagtanks naar ondiepere wateren, waar het methaan kon worden gewonnen en veilig en efficiënt kon worden vervoerd.

Is dit alles nodig? Zullen niet hernieuwbare energiebronnen het een verspilling van tijd kosten om zo een andere niet-hernieuwbare fossiele brandstof zo krachtig te nastreven? Realistisch gezien zullen fossiele brandstoffen nog decennia lang een belangrijk onderdeel vormen van de totale energiemix van de wereld. Volgens de Energy Information Administration (EIA) zal het totale aardgasverbruik in de VS naar verwachting toenemen van ongeveer 22 biljoen kubieke voet (0.622 biljoen kubieke meter) vandaag tot ongeveer 27 triljoen kubieke voet (0.76 triljoen kubieke meter) in 2030. Mondiaal aardgas de consumptie zal naar verwachting toenemen tot 182 triljoen kubieke voet (5.15 triljoen kubieke meter) in dezelfde periode [bron: EIA]. Het aftappen van methaan dat is afgesloten met hydraten speelt uiteraard een sleutelrol bij het voldoen aan die vraag.

Dat betekent dat de bevroren brandstof uit methaanhydraat meer tijd kan kopen als wetenschappers zoeken naar alternatieven om onze planeet van stroom te voorzien. Zie het als een belangrijke opstap in onze overgang naar schonere, groenere energiebronnen.

Hoe Frozen Fuel Werkt


Video Supplement: Will Frozen Gasoline Burn?.




Onderzoek


Grotere Aardbevingen Kunnen Naar Nepal Komen
Grotere Aardbevingen Kunnen Naar Nepal Komen

Deze Kat Was Bleek: Saber-Getande Kittens Waren Muscly
Deze Kat Was Bleek: Saber-Getande Kittens Waren Muscly

Science Nieuws


Goths Vs. Grieken: Epic Ancient Battle Revealed In Newedound Text
Goths Vs. Grieken: Epic Ancient Battle Revealed In Newedound Text

Donkere Materie Kan Een Elektrische Lading Hebben
Donkere Materie Kan Een Elektrische Lading Hebben

Bizarre Te'O Hoax & The Truth About Online Love
Bizarre Te'O Hoax & The Truth About Online Love

Geslachtsverschillen Gevonden In Stamcellen
Geslachtsverschillen Gevonden In Stamcellen

Monkey Moms Help Sons Babes Te Krijgen
Monkey Moms Help Sons Babes Te Krijgen


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2024 WordsSideKick.com