Hvordan Frosset Brændstof Virker

{h1}

Frosset brændstof kan bruges til at opvarme planeten. Lær om frosset brændstof og dets anvendelser i denne artikel.

Alt i alt er metan ikke meget spændende. Det er en farveløs, lugtfri gas og det enkleste medlem af alkan-serien af ​​carbonhydrider. Dets største krav til berømmelse er, at det som en væsentlig bestanddel af naturgas er nyttig som en energikilde.

For nylig har geologer imidlertid opdaget en type metan, der har piqued deres nysgerrighed. En del af sin usædvanlige karakter er, hvordan den eksisterer i sin naturlige tilstand - fanget inde i et isbade. Endnu mere spændende er, hvor meget af denne frosne methan synes at være låst væk i jordens skorpe. Nogle estimater indikerer, at så meget som 700 quadrillion (700 × 1015) kubikfod (20 quadrillion kubikmeter) metan er indkapslet i is og fanget i havbundssedimenter over hele verden [kilde: Tarbuck]. Det er dobbelt så meget kulstof som Jordens andre fossile brændstoffer kombineres.

Opdagelsen af ​​denne nye type metan, hvad forskere kalder methanhydrat, har ført til to vigtige spørgsmål. Den første er pragmatisk: Vil den brænde som almindelig metan? Det viser sig det vil. Hvis du tager et stykke methanhydrat - det ligner hårdpakket sne - og berør en tændt kamp, ​​vil prøven brænde med en rødlig flamme. Og hvis det er tilfældet, kan det bruges til at opvarme boliger, brændstofbiler og generelt kraftenergi-lande som Japan, USA, Indien og Kina. Nylige data tyder på, at kun 1 procent af jordens metanhydrataflejringer kunne give nok naturgas til at opfylde USAs energibehov i 170.000 år [kilde: Stone].

Det andet spørgsmål er delvis en etisk overvejelse: Skal vi som et globalt samfund forsigtigt forsøge at udvikle ren, vedvarende energi omfavne et af de fossile brændstoffer, der fik os i problemer i første omgang? Videnskaben kan ikke besvare det spørgsmål. Det kan dog afsløre de udfordringer og risici, der står over for lande, der håber at drage fordel af methanhydrat. En af de væsentligste udfordringer er at finde effektive måder at udvinde det frosne brændstof på. Mere bekymrende er potentielle katastrofer - lige fra massive undersøiske jordskred til en løbende drivhuseffekt - relateret til methan minedrift.

I denne artikel vil vi undersøge alle positive og negativer af methanhydrat. Vi vil se på dens relativt korte historie, samt hvordan det passer til nogle mulige fremtidige scenarier. Og selvfølgelig vil vi undersøge grundforskningen bag denne såkaldte "brændbar is".

Lad os starte med en vis kemi.

Hvordan frosset brændstof virker: hvordan

Brand og is: Kemien af ​​methanhydrat

Repræsentation af et methanmolekyle, med det blå kuglebetegnende carbon og de fire røde kugler, der betegner hydrogen

Repræsentation af et methanmolekyle, med det blå kuglebetegnende carbon og de fire røde kugler, der betegner hydrogen

Frosne brændstoffer er det interessante navn til en familie af stoffer kendt som gashydrater. Den pågældende gas er naturgas, en blanding af carbonhydrider, såsom methan, propan, butan og pentan. Af disse er metan langt den mest almindelige komponent og en af ​​de mest undersøgte forbindelser i kemi.

Som alle kulbrinter indeholder metan kun to elementer - kulstof og hydrogen. Det er et eksempel på a mættet carbonhydrid, eller et molekyle sammensat udelukkende af enkeltbindinger, og derfor er det maksimale antal hydrogenatomer tilladt. Den generelle formel for mættede carbonhydrider er CnH2n + 2. Metan har kun et carbonatom, så dets kemiske formel er CH4. Kemister beskriver denne form som en tetrahedron.

Metan er en farveløs, lugtfri, brændbar gas produceret ved bakteriel nedbrydning af plante- og dyremateriale. Det danner en proces, der deles af alle fossile brændstoffer. For det første dør marine planter og dyr og falder til havbunden. Dernæst dækker mudder og andre havbundssedimenter de nedbrydende organismer. Sedimenterne lægger stor pres på det organiske stof og begynder at komprimere det. Denne kompression kombineret med høje temperaturer nedbryder carbonbindingerne i det organiske materiale og omdanner det til olie og naturgas.

Generelt er denne methan - hvilke geologer betegner som "konventionel" metan - placeret under jordens overflade. For at komme til det skal arbejderne bore gennem sten og sediment og tappe ind i metanaflejringerne for at frigøre gassen. Derefter pumpes det til overfladen, hvor det transporteres gennem rør over hele landet.

Metan kan også danne ukonventionelt, hvis sedimenterne producerer det, ligger omkring 1.640 fod (500 meter) under havfladen. De næsten frysende temperaturer og højt tryk af disse forhold forårsager, at metanen bliver indkapslet i is. Metan binder ikke kemisk med vandet. I stedet sættes hvert tetrahedralt methanmolekyle inde i en krystallinsk shell lavet af is. Dette unikke stof er kendt som methanhydrat, og så snart det når varmere temperaturer og lavere tryk, smelter isen væk og efterlader ren metan.

Geologer har først for nylig opdaget naturligt forekommende methanhydrat, men kemikere har kendt det i årevis, som vi vil se i næste afsnit.

Clathratforbindelser

Methanhydrat er a clathrat, et kemisk stof fremstillet af en sammensat indlejret inde i en anden. Ordet kommer fra latin clatratus, der betyder "søjler" eller "gitter". En forbindelse tjener som vært, den anden som gæst. I tilfælde af methanhydrat er vand værten, og metan er gæsten. Af denne grund henviser kemikere nogle gange til clathrates som værts-gæste komplekser.

En kort historie om methanhydrat

Gashydratbiter genvundet fra Mexicogolfen i 2002

Gashydratbiter genvundet fra Mexicogolfen i 2002

Historien om gashydrater kan spores tilbage til Humphrey Davy, en kemiker fra Cornwall, England, der identificerede klor som et element i 1810.

Davy og hans assistent, Michael Faraday, fortsatte med at arbejde med klor hele 1800'erne, blandede den grønne gas med vand og afkølet blandingen til lave temperaturer.

Det er meget sandsynligt, at Davy observerede det mærkelige faststof, der resulterede i, at chloratomer blev indkapslet i iskrystaller, men Faraday får officiel kredit for opdagelsen. I 1823 udstedte Faraday en rapport, der beskrev det mærkelige stof og kaldte det klorklatrathydrat. Andre typer af klatrater, der hver især involverede en gæsteforbindelse låst inde i gitterstrukturen hos en vært, blev snart opdaget, men de forblev et laboratorium nysgerrighed.

Derefter begyndte naturgasminearbejdere i 1930'erne at klage over et isisk materiale tilstoppende rørledninger udsat for kolde temperaturer. Forskere fastslog, at dette materiale ikke var ren is, men is indpakket omkring metan. De spildte ikke tid på at finde måder at forhindre, at hydrater dannede og hovedsagelig henvendte sig til kemikalier, såsom methanol eller monoethylenglycol. Siden da har mineselskaber tilføjet disse materialer til deres naturgasrørledninger for at hæmme hydratdannelsen.

I 1960'erne opdagede forskerne, at methanhydrat eller "fast naturgas" eksisterede i Messoyakha-gasfeltet i det vestlige Sibirien. Dette var signifikant, fordi naturligt forekommende gashydrater aldrig var blevet fundet før. Geologer og kemikere ankom i det store bassin og begyndte at studere de betingelser, hvori hydraterne dannede. De fandt ud af, at sub-permafrost-sedimenter var rige på hydrater og begyndte at søge efter lignende forekomster i andre områder med høj breddegrad. Snart fandt et andet forskergruppe methanhydrat i sedimenter nedgravet dybt under Alaska's nordlige skråning.

Baseret på disse tidlige fund gennemgik den amerikanske geologiske undersøgelse (USGS) og Energiministeriet for Energi, Energi og Energi, en omfattende undersøgelse mellem 1982 og 1992, hvilket afslørede, at methanhydrataflejringer også kunne findes i offshore-sedimenter. Pludselig, hvad der engang var en nysgerrighed og en industriel gener syntes at kunne være en betydelig ressource. I midten af ​​1990'erne tog Japan og Indien føringen i methanhydratforskning med det formål at finde flere aflejringer og udvikle måder til at udvinde den fangne ​​metan økonomisk. Forskere har siden opdaget metanhydrataflejringer på mange steder, herunder Mackenzie River Delta i Canada og Nankai Trough ud for Japans kyst.

Fremover skal vi overveje, hvilken virkning methanhydrat kan have på verdens energiforsyning.

Potentialet for frosset brændstof

Større metanhydratfelter

Større metanhydratfelter

Når forskere begyndte at lede efter metanhydratindskud, blev de ikke skuffede. De fandt dem under arktisk permafrost og under havbunden, især i områder hvor en tektonisk plade glider over en anden. Disse regioner er kendt som subduktionszoner fordi kanten af ​​en plade bevæger sig under en anden. For eksempel fra kysten af ​​Washington og Oregon, Juan de Fuca plade glider under den nordamerikanske plade. Som et stykke træ, der trækkes på tværs af bladets plan, fjernes sedimenterne, herunder hydrater, fra Juan de Fuca-pladen af ​​den nordamerikanske plades stenskorpen. Dette skaber en hydratkamre, der løber parallelt med kysten.

Hydrataflejringer er også fundet i regioner, hvor store havstrømme mødes. Blake Ridge er en formation beliggende ud for South Carolina-kysten, i vand fra 6,562 til 15,748 fod (2.000 til 4.800 meter) dybt. Geologer mener ryggen dannet under Oligocene epoken, omkring 33,7 til 23,8 millioner år siden. Grønlandshavet åbnede i løbet af denne tid, så store mængder koldt, tæt vand kunne strømme sydpå langs Atlanterhavskysten. Da dette koldt vand løb langsomt ind i varmt vand, der blev transporteret nordpå på Golfstrømmen, sænkede strømmen og faldt store mængder af sediment. Organisk materiale begravet i disse sedimenter gav i sidste ende anledning til en stor mængde methanhydrat.

Hvor meget af dette frosne brændstof findes hos Blake Ridge og andre steder rundt om i verden? Nogle estimater sætter mængden af ​​methan låst væk i hydrater i alt fra 100.000 billioner til 300.000.000 billioner kubikfod (2.832 billioner til 8.495.054 billioner kubikmeter). Sammenlign det med de 13.000 billioner kubikmeter (368 billioner kubikmeter) af konventionelle naturgasreserver, der er tilbage på planeten, og du kan forstå, hvorfor kæber i det videnskabelige samfund er faldet [kilde: Collett].

Selvfølgelig er at finde hydrataflejringer en ting. Som vi ses i næste afsnit, er det en anden ting helt at få dem ud og gøre det sikkert.

Den risikable forretning af Mining Methan Hydrate

De potentielle fordele ved at frigive methan fra gashydratfelter skal afbalanceres med risiciene. Og risiciene er betydelige. Lad os først starte med udfordringer for mineselskaber og deres medarbejdere. De fleste metanhydrataflejringer er placeret i havbundssedimenter. Det betyder, at borerigger skal kunne komme ned gennem mere end 1.600 fod (500 meter) vand, og da hydrater generelt er placeret langt under jorden, endnu flere tusinde meter, før de kan begynde udvindingen. Hydrater har også tendens til at danne sig langs de nederste marginaler af kontinentale skråninger, hvor havbunden falder væk fra den relativt lave hylde mod afgrunden. Den groft skrånende havbund gør det vanskeligt at køre rørledningen.

Selvom du kan placere en rig sikkert, er metanhydrat ustabil, når den er fjernet fra det høje tryk og lave temperaturer i dybhavet.Metan begynder at undslippe, da det transporteres til overfladen. Medmindre der er en måde at forhindre denne udledning af naturgas, vil udvindingen ikke være effektiv. Det vil være lidt som at hælde godt vand ved hjælp af en spand med huller.

Tro det eller ej, denne lækage kan være den mindste af bekymringerne. Mange geologer mistanke om, at gashydrater spiller en vigtig rolle i stabiliseringen af ​​havbunden. Boring i disse oceaniske aflejringer kunne destabilisere havbunden og forårsage store afstande af sediment til at glide for miles ned på kontinentalsiden. Beviser tyder på, at sådanne undersøiske jordskred har fundet sted tidligere (se sidebar) med ødelæggende konsekvenser. Bevægelsen af ​​så meget sediment ville helt sikkert udløse massive tsunamier svarende til dem, der ses i tsunamien i Det Indiske Ocean i december 2004.

Men måske er den største bekymring, hvordan metanhydrat minedrift kan påvirke den globale opvarmning. Forskere ved allerede, at hydrataflejringer naturligt frigiver små mængder methan. Gassen virker selv himmelsk - enten bobler op gennem permafrost eller havvand - indtil det slippes ud i atmosfæren. Når metan er i atmosfæren bliver det en drivhusgas endnu mere effektiv end kuldioxid ved fangst af solstråling. Nogle eksperter frygter, at boring i hydrataflejringer kan forårsage katastrofale udslip af metan, der i høj grad vil fremskynde den globale opvarmning.

Gør det methan fra hydratfelter off-limits? Dette er spørgsmålet forskere fra hele verden forsøger at svare på.

Flytende bjerge

Et af de største jordskred i historien fandt ikke sted på land, men under vandet lige uden for Norges kyst. Det forekom heller ikke i nyere historie, men i Holocene-epoken omkring 8.000 år siden. Kendt som Storegga Submarine Landslide forårsagede begivenheden massive mængder af sedimenter til at glide omkring 497 miles (800 kilometer) ned på kontinentalsiden. Dette udløste igen en mega-tsunami, måske 82 meter (25 meter) høj, der ramte Norge og Skotland.

I 1998 opdagede russiske forskere et ustabilt hydratfelt i nærheden af ​​Storegga diaset. Nu tror forskere på, at en hurtig nedbrydning af hydrater relateret til temperatur- og trykændringer kommer i slutningen af ​​den sidste istid, destabiliserede sedimenterne og forårsagede jordskredet.

Fremtiden for frossen brændstof

Protestere i Sydkorea i 2006 demonstrerer mod Japans plan om at sende undersøgelsesskibe til farvande, som begge lande hævder. De omstridte farvande er et rigt fiskeriområde og blev anset for at have methanhydratindskud.

Protestere i Sydkorea i 2006 demonstrerer mod Japans plan om at sende undersøgelsesskibe til farvande, som begge lande hævder. De omstridte farvande er et rigt fiskeriområde og blev anset for at have methanhydratindskud.

I 1997 indledte US Department of Energy (DOE) et forskningsprogram, der i sidste ende ville tillade kommerciel produktion af methan fra gashydratindskud inden 2015. Tre år senere godkendte Kongressen finansiering gennem Metan Hydrate Research and Development Act fra 2000. Interagency Koordineringskomitéen (ICC), en koalition af seks statslige organer, har fremmet forskningen på flere fronter. Meget af det, vi ved om grundvidenskaben om methanhydrat - hvordan det danner, hvor det dannes og hvilken rolle det spiller, både i havbundsstabilisering og global opvarmning - er kommet fra ICC's forskning.

Interessante ideer om, hvordan man effektivt udvinder metan fra hydrater, er også i gang. Nogle eksperter foreslår en teknik, hvor minearbejdere pumper varmt vand ned i et borehul for at smelte hydratet og frigive den fangne ​​metan. Da metanen flyder, pumpes den til havbunden gennem et borehul. Derefter bærer ubådsrørledninger naturgassen i land. Desværre vil sådanne rørledninger være nødt til at rejse over vanskeligt undervands terræn. En løsning er at opbygge et produktionsanlæg på havbunden, så det ligger tæt på hydrataflejringer. Da metan undslipper fra de opvarmede sedimenter, ville arbejderne i anlægget refridere gassen for at danne "rent" methanhydrat. Ubåde ville så trække det frosne brændstof i store opbevaringstanke til lavere vand, hvor metan kunne udvindes og transporteres sikkert og effektivt.

Er alt dette nødvendigt? Vil ikke vedvarende energikilder gøre det spild af tid til at forfølge et andet ikke-genanvendeligt fossilt brændsel så kraftigt? Realistisk vil fossile brændstoffer stadig være en vigtig del af verdens samlede energimix i årtier fremover. Ifølge Energy Information Administration (EIA) forventes det samlede forbrug af naturgas i USA at stige fra ca. 22 billioner kubikmeter i dag til ca. 27 billioner kubikmeter i 2030. Global naturgas Forbruget forventes at stige til 182 billioner kubikmeter (5,15 billioner kubikmeter) i samme periode [kilde: EIA]. At tappe ind i methanen, der er låst væk i hydrater, vil naturligvis spille en central rolle i at imødekomme denne efterspørgsel.

Det betyder, at det frosne brændstof fra methanhydrat kan købe mere tid, da forskere søger alternativer til magten på vores planet. Tænk på det som en vigtig skridt i vores overgang til renere grønnere energikilder.


Video Supplement: Sådan renser du lightning og høretelefon indgang på iPhones.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com