Um hidrato de metano (ou clatrato de metano ) é um composto original orgânico naturalmente presente no fundo do mar, em algumas encostas continentais e no permafrost das regiões polares .
A formação desses hidratos é um dos sumidouros de carbono do planeta, mas eles são muito instáveis quando sua temperatura ultrapassa um determinado limite.
Os hidratos de metano são uma fonte potencial de combustível fóssil para substituir o petróleo ; eles são conhecidos por estarem presentes em grandes quantidades, especialmente no fundo do mar , mas são difíceis de explorar. Eles continuam sendo uma fonte direta ou indireta de dióxido de carbono , dois poderosos gases de efeito estufa .
Coloquialmente referido como "gelo em chamas" ou "gelo de metano", esse composto gelado é inflamável assim que derrete na presença de oxigênio ou de um oxidante . No nível molecular, um clatrato de metano é na verdade composto de uma "gaiola" fina de gelo na qual está aprisionado metano a priori resultante da decomposição de matéria orgânica relativamente recente (em comparação com aquela que gerou o petróleo e o gás natural) e realizado por microrganismos anaeróbicos e metanogênicos .
Durante a produção de gás natural, outros hidratos podem ser formados ( etano e propano ). Quanto mais aumenta o comprimento da molécula de hidrocarboneto ( butano , pentano , etc. ), menos estáveis são os hidratos formados.
Hidratos de gases naturais ( gás natural hidratado ou NGH inglês) são caracterizados por uma pressão mais baixa ( 25 megapascais , compressão 1/170) e uma temperatura mais alta ( 0 ° C ) do gás natural liquefeito ( gás natural liquefeito , GNL) ou gás natural para veículos ( gás natural comprimido , GNV, gás natural comprimido).
Em Julho de 1996, no Oceano Pacífico , o navio de pesquisas RV Sonne sobe, de uma profundidade de 785 m , 500 kg de hidrato de metano.
O hidrato de metano é formado por moléculas de água formando gaiolas que prendem moléculas de gás como metano ou sulfeto de hidrogênio (ambos os gases presentes no hidrato trazido pelo navio Sonne). Essas gaiolas podem armazenar quantidades consideráveis de gás (por exemplo 164 cm 3 de metano em 1 cm 3 de hidrato).
Especificamente, a estrutura básica do hidrato de metano corresponde à estrutura do tipo I de estruturas de clatrato de gás (in) : esta estrutura (também chamada de estrutura-Weaire Phelan ) compreende duas pequenas gaiolas e seis gaiolas de maior tamanho:
Como alguns desses vértices são comuns a duas ou mais gaiolas, o número total de moléculas de água da estrutura básica do hidrato de metano é de apenas 46 moléculas (em vez de 184).
Os hidratos de metano são estáveis em alta pressão e baixa temperatura (consulte a curva de “condições de estabilidade”; ordem de magnitude: 35 bar a 0 ° C ).
No entanto, o metano como um hidrato é sólido a temperaturas e pressões mais altas do que as necessárias para liquefazer o mesmo gás; assim, o metano puro em água pura forma hidratos de cerca de 380 m em água doce a 4 ° C ( densidade máxima da água ), cerca de 440 m em água salgada a 35 g / l ; para comparação, o metano se liquefaz a -161,5 ° C ( 111,6 K ). O gelo de água cumpre a função de uma espécie de esponja molecular do metano, que estabiliza o metano na forma sólida. Assim, é provável que os hidratos de metano se formem sob condições de temperatura e pressão naturalmente encontradas na Terra, mais precisamente, no subsolo da superfície terrestre de regiões frias, por um lado, e sob o oceano, por outro.
A presença de sal (influência do íon cloreto Cl - ) dificulta um pouco a formação do hidrato.
Outros gases da família do metano (propano, butano, etc.) são suscetíveis de formar hidratos com a água, em pressões mais elevadas.
A cinética (velocidade) de desaparecimento dos hidratos de metano é baixa . Esta é a razão pela qual vemos fotografias de blocos de hidratos obviamente em condições de laboratório.
A densidade dos hidratos sendo menor que a da água, não há hidrato no interior dos oceanos, a pressão na superfície é muito baixa para estabilizá-los. Portanto, eles estão sempre fixados na parte inferior.
O hidrato de metano é estável em baixa temperatura e alta pressão. Nos continentes, se a temperatura do solo for suficientemente baixa, o aumento da pressão em grandes profundidades favorece a estabilidade do hidrato. Este efeito compete com o gradiente geotérmico; o aumento da temperatura com a profundidade evita a formação de hidratos. Esses hidratos são, portanto, estáveis em várias profundidades. Em superfícies terrestres, em regiões frias, as condições de estabilidade do hidrato são provavelmente encontradas abaixo da superfície do permafrost , por exemplo, tipicamente entre 100 e 1600 m abaixo do permafrost.
No mar, a pressão aumenta com a profundidade, com a temperatura permanecendo essencialmente constante em grandes profundidades. No entanto, como a densidade dos hidratos é menor do que a da água, é apenas sob o fundo que esses hidratos podem ser armazenados. Também sob o fundo do mar, o gradiente geotérmico favorece a formação de hidratos em grandes profundidades e limita a extensão da zona de estabilidade de hidratos, por exemplo até 800 m abaixo do fundo do mar.
Parece que a maioria dos hidratos descobertos estão localizados nas margens continentais. A escassez de hidratos no fundo do mar parece ser devido à escassez de fontes de metano nesses locais onde seriam estáveis.
Como resultado, os hidratos de metano são encontrados em dois ambientes muito diferentes.
O metano é armazenado como hidratos de metano em sedimentos oceânicos profundos e em encostas continentais em profundidades de algumas centenas de metros.
Os hidratos de metano também são encontrados no permafrost nas regiões circumpolares da Eurásia e da América .
Desde as primeiras estimativas na década de 1970 , a quantidade de hidrato de metano no reservatório oceânico foi revisada para baixo, mas permanece considerável. De acordo com uma estimativa recente, essa quantidade estaria entre 1 e 5 × 10 15 m 3 de gás, ou entre 0,5 e 2,5 × 10 12 toneladas de carbono. A quantidade de hidratos de metano no reservatório continental é menos conhecida. A superfície relativamente pequena (10 milhões de km 2 ) ocupada pelo permafrost sugere que ela é menor do que no reservatório oceânico . Segundo Florent Dominé, do CNRS, o permafrost é o maior reservatório continental de carbono do planeta: 1,7 × 10 12 toneladas de carbono de origem vegetal ali se acumularam desde a última glaciação; isso é duas vezes mais carbono do que a atmosfera contém atualmente.
Em comparação, as reservas de petróleo conhecidas em 2005 eram de cerca de 2 × 10 11 m 3 (ver artigo Reservas de petróleo ).
Os hidratos de metano, e mais geralmente os hidrocarbonetos, são a causa de muitos incidentes em gasodutos, especialmente debaixo d'água. As condições de estabilidade do hidrato sendo cumpridas localmente, a tubulação fica obstruída sob o efeito da solidificação do fluido transportado .
As reservas de hidrato de metano são tão consideráveis que muitas empresas petrolíferas estão interessadas nele. Mas a recuperação desse composto é difícil e cara, até perigosa para o clima planetário, e as dificuldades técnicas de sua extração parecem estar longe de ser resolvidas.
Após o acidente nuclear de Fukushima , o Japão precisa urgentemente de novas fontes de energia. O governo já lançou um programa de pesquisa (2001-2008) com o objetivo de localizar e qualificar o potencial recurso submarino do Japão, então um plano de sete anos ("programa de exploração de energia marinha e recursos marinhos"), Votado emMarço de 2009. Duas extrações de teste estão planejadas para 2012 e 2014 perto da mina de Nankai, no sul do país, onde recursos significativos foram detectados. O teste in situ da safra estabilizada de duas semanas começa emMarço de 2013.
Hidratos de metano já foram explorados em Messoyakha , um pequeno campo de gás raso no oeste da Sibéria localizado no limite de estabilidade dos hidratos de metano. Como resultado, sua parte inferior era um campo de gás “normal” (gás livre na areia) enquanto a parte superior era preenchida com hidratos. A exploração do gás convencional reduziu a pressão e desestabilizou os hidratos, a partir dos quais o metano poderia ser aproveitado.
Os fabricantes devem testar métodos de descompressão por hidrato no mar para recuperá-lo totalmente. É um dos projetos da japonesa JOGMEC.
Um projeto alemão chamado SUGAR (acrônimo para Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport ), lançado no verão de 2008 pelo Instituto Leibniz de Ciências Marinhas em Kiel , sob a supervisão dos ministérios federais da economia e tecnologia (BMWi) e da educação e pesquisa (BMBF) com o apoio de 30 parceiros econômicos e científicos e um orçamento inicial de quase 13 milhões de euros, visa extrair metano e armazenar CO 2 em seu lugar capturados na saída de centrais térmicas ou outras instalações industriais.
Estudos japoneses e americanos têm sido realizados desde 2001 com o objetivo de demonstrar que a impermeabilização de um sistema de abastecimento de NGH foi possível no âmbito da exploração de campos de gás natural offshore e não na exploração de depósitos de hidratos em si (uma vez que isso não foi ainda pode ser realizada de forma eficaz dentro de uma estrutura de abastecimento em escala industrial ).
Os estudos de viabilidade realizados para o efeito mostraram, portanto, que a utilização de sistemas de abastecimento de NGH baseados em técnicas de produção de hidrato de metano sintético era rentável no quadro de uma exploração racional de campos de gás natural de média dimensão e menos importante: a exploração de naturais os campos de gás incluem, por definição, um investimento muito significativo em tecnologias de liquefação de gás. O investimento básico e o custo de construção e comissionamento de uma unidade de liquefação tornam a exploração de depósitos de pequeno e médio porte inviável economicamente.
A exploração de hidratos de metano não se limita ao fundo do mar. Na verdade, os hidratos de metano são uma boa alternativa para transportar metano por distâncias relativamente longas. Assim, graças aos hidratos de metano, o transporte perigoso de gás natural liquefeito ou a construção de gasodutos seriam reduzidos .
Além disso, o transporte de hidratos por barco poderia ser menos caro em energia do que o gás natural liquefeito, porque as condições de temperatura e pressão seriam menos difíceis de manter do que nos atuais transportadores de GNL . Por outro lado , a quantidade final de gás livre transportado em relação ao peso da carga é em detrimento dos hidratos em termos de custo de transporte.
Se a distância permanecer inferior a 6.000 km , o sistema de entrega de NGH torna-se mais barato do que o LNG clássico. Como a produção e a regaseificação já são basicamente mais baratas com o NGH e requerem menos investimento, o sistema aqui marca sua superioridade sobre o sistema de compressão convencional por liquefação do gás natural.
Hidrato de gás natural (NGH) | Gás natural liquefeito (GNL) | |
---|---|---|
Modos de transporte e armazenamento | Sólido | Líquido |
Temperatura de transporte | −20 ° C | -162 ° C |
Densidade | 0,85 - 0,95 | 0,42 - 0,47 |
Conteúdo de 1 m 3 de produto | 170 m 3 CH 4 e 0,8 m 3 H 2 O | 600 m 3 CH 4 |
(ou seja, 13,2% em massa de metano no hidrato sólido).
Para fixar as ordens de magnitude, um cilindro de gás usado para distribuir butano ou propano chamado "13 kg " (contendo cerca de 4,8 m 3 de gás butano em temperatura e pressão normais) tem apenas um volume de 30 litros. Este volume transportaria (todos os dados neste parágrafo são arredondados e nenhuma margem de segurança é considerada) 14 kg de metano a −161 ° C a 1 bar [densidade de 0,465] (ou a −100 ° C e 30 bar). A mesma garrafa conteria 27 kg de hidrato de metano a 35 bar e 0 ° C , ou 3,6 kg de metano puro. Essas últimas condições poderiam ser descritas de forma caricaturada como “um cilindro de gás em uma geladeira”; isto é, em condições que são relativamente fáceis de obter industrialmente. Neste último caso, a garrafa conteria além de 3,6 kg de metano, cerca de 23 kg de água para formar um hidrato com o gás. Este parágrafo não pretende mostrar uma aplicação industrial real, mas sim visualizar ordens de magnitude.
A pesquisa está em desenvolvimento para:
A exploração de hidratos de metano pode representar sérios problemas em termos de efeito estufa. Por um lado, sua combustão emite CO 2da mesma forma que o gás natural (mas menos do que carvão e petróleo para a mesma quantidade de energia produzida). Por outro lado, existe o risco de que, ao explorar os hidratos submarinos instáveis, grandes quantidades de metano sejam inadvertidamente devolvidas à atmosfera: isto equivaleria a explorar o gás natural ao permitir enormes fugas. Metano de ouro (CH 4) tem um poder incômodo muito maior do que o CO 2como um gás de efeito estufa. O seu potencial de aquecimento global, medida na escala de um século da sua difusão na atmosfera, é na realidade entre 22 e 23 vezes superior ao do dióxido de carbono, tendo em conta o tempo de vida média das moléculas. De CH 4apenas uma dúzia de anos antes de sua decomposição em CO 2por UV , fenômenos de combustão ou oxidação e várias reações químicas.
Os cientistas temem que o aquecimento global , ao aumentar suficientemente a temperatura do permafrost, permita que os clatratos ali presentes derretam pelo menos parcialmente: isso teria o efeito de liberar enormes quantidades de metano na atmosfera, que viria a seus sentidos. aumentar o efeito estufa , resultando em um efeito descontrolado. Florent Dominé, do CNRS, evoca um aumento de 5 a 8 ° C na temperatura por volta de 2100.
Em 2014, pesquisadores demonstraram que a desgaseificação de hidratos de metano observada no Atlântico ao largo de Svalbard é de origem natural e começou há pelo menos 3.000 anos. Os autores, que inicialmente temiam que o fenômeno fosse devido ao aquecimento global, acreditam, entretanto, que tal mecanismo ainda seja possível, pois no longo prazo o oceano profundo também irá aquecer; entretanto, o fundo do oceano contém grandes quantidades de hidratos de metano, que irão acelerar o aquecimento em caso de desgaseificação.
De acordo com David Archer (in) em 2007, os hidratos de metano já estão causando desgaseificação hoje em resposta ao aquecimento global antropogênico, por exemplo, na fronteira entre a Sibéria e o Oceano Ártico, mas a maioria dos hidratos de metano estão enterrados profundamente no solo ou no oceano sedimentos, de forma que a escala de tempo a ser considerada para que o aquecimento global atual não desencadeie sua possível desgaseificação seja contada em milhares de anos. Portanto, o autor acredita que o efeito da desgaseificação no próximo século pode ser “significativo, mas não catastrófico” .
Em 2017, uma revisão da literatura pelo Instituto de Estudos Geológicos dos Estados Unidos concluiu que a decomposição de hidratos de metano não deve causar emissão massiva de metano, comparável às emissões de gases de efeito estufa de origem antropogênica, porque a maior parte do gás não atinge a atmosfera e permanece preso em sedimentos marinhos, transformado em CO 2por micróbios ou dissolvidos no oceano. Um estudo publicado na Science avança emjaneiro de 2018corrobora essa teoria: mostra que apenas cerca de 10% do metano emitido ao nível do fundo do oceano do Mar de Beaufort chega à superfície.
Gavin Schmidt, do Goddard Institute for Space Studies ( NASA ), considera o risco associado à liberação de hidratos de metano como "baixo", enquanto o professor Tim Lenton da Universidade de Exeter e especialista em pontos de inflexão climáticos acredita que o processo de degelo do permafrost levará milhares, senão dezenas de milhares de anos. Peter Wadhams , professor da Universidade de Cambridge e autor de um artigo sobre o assunto na revista Nature em 2013, que se baseia no derretimento completo do gelo do mar Ártico no verão já em 2015 (um cenário que acabou não se materializando realizada), estima-se, pelo contrário, que a desgaseificação poderia durar apenas cerca de cinquenta anos ou até menos.
De acordo com um estudo publicado na revista Palaeoworld (en) em 2016, um degelo maciço de hidratos de metano oceânicos seria a principal causa do aquecimento global que levou à extinção Permiano-Triássica que viu o desaparecimento de 95% das espécies marinhas e 70 % das espécies continentais, 250 milhões de anos atrás. Os autores do estudo fazem a ligação com o aquecimento global atual. Outros cientistas, Peter Wadhams e Tim Palmer , descobriram, no entanto, que este estudo é excessivamente catastrófico. Além disso, pesquisadores do MIT e da Academia Chinesa de Ciências em Nanjing mostraram em 2014 que a emissão massiva de metano pode ser devido a micróbios e não ao descongelamento de hidratos de metano.
Pela primeira vez, um país conseguiu extrair metano desses hidratos sem removê-los do fundo do mar: o Japão.
Em primeiro lugar, e principalmente por causa da expansão econômica e tecnológica do Japão e do fechamento de suas usinas nucleares, as necessidades de energia são cada vez mais importantes neste país. Durante anos, o Japão procurou uma maneira de extrair metano , uma fonte promissora de renovação econômica porque limitaria as importações. O Japão importa 95% de sua energia , o hidrato de metano permitiria reduzir significativamente esse número. a12 de março de 2013, eles finalmente começaram os testes para demonstrar visualmente sua descoberta.
Uma vez que os hidratos de metano estão presentes nas encostas continentais , o Japão está muito bem abastecido com este produto porque está rodeado pelo Oceano Pacífico ; as necessidades de energia seriam, portanto, satisfeitas.
Este hidrato de metano poderia ser utilizado para produzir eletricidade, mas sobretudo para fornecer gás que atualmente tem de ser principalmente importado.
Outros problemas vêm da usina nuclear de Fukushima Daiichi, que foi fechada desde sua explosão. A notável fonte de energia elétrica nuclear é menos utilizada pelo Japão para gerar eletricidade, pois necessita de uma alternativa: o metano . As reservas mais importantes de metano são os hidratos de metano, que podem ser transportados a baixo custo.
A 80 km da costa da península de Atsumi, nas águas da prefeitura de Aichi, ao sul da ilha de Honshû, o experimento realizado na profundidade do mar de 1.000 metros é o primeiro sucesso obtido.
Este experimento consiste em causar uma queda de pressão para que o gás aprisionado escape com a água do gelo que envolve o metano misturado ao sedimento em pequenas quantidades.
O Japão, querendo explorar esta fonte quase inesgotável de energia o mais rápido possível, pretende realizar novos testes entre 2014 e 2015.
O metano de perfuração de gás ou metanização tem sido amplamente utilizado desde a primeira revolução industrial. O metano de hidratos naturais poderia, teoricamente, ser recuperado por despressurização do sedimento e / ou por seu aquecimento (in situ ou elevando-o à superfície em ambos os casos), mas ...