Methanhydrat

  Methanhydrat (Methanklathrat, auch genannt Methaneis) besteht aus Methan, das in gefrorenem Wasser eingelagert ist, wobei die Wassermoleküle das Methan vollständig umschließen. Man spricht daher auch von einer Einlagerungsverbindung (Klathrat). Erstmals wurde Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt.

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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 konzentrierten 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“.

Kristallstruktur

Methanhydrat bildet sich aus Wasser und Methangas beim 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. Methanhydrat bildet eine kubische Kristallstruktur (Raumgruppe Pm3n) mit einer Gitterkonstanten von zwölf Ångström (1,2 Nanometern). Die Elementarzelle besteht dabei aus 46 Wassermolekülen und acht Methanmolekülen. Die Wassermoleküle sind wie im Eis über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden und bilden acht Eiskäfige, in denen jeweils ein Methanmolekül eingelagert ist. Das Methanmolekül besetzt dabei eine Mittelposition in den Käfigen.

Vorkommen

  Methanhydrat bildet sich in überraschend 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.

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“ an der Küste 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.

Entstehung

Der geringe Anteil an Kohlenstoff 13 legt eine mikrobielle Entstehung nahe. Organische Substanz im Meer kann von Mikroorganismen im Kontakt mit Sulfat und Kohlenstoff zu Methan und weiter zu Hydraten abgebaut werden. 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 im Paläozän - dessen Klima durch den Treibhauseffekt wieder zurückbringen könnte.

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 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 dieser Zeit finden Geologen heute Belege für einen schnellen Anstieg des Methangehaltes der Luft. Es besteht die Gefahr, 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 katastrophalen Folgen.

Das Vorhandensein von großen Mengen Methanhydrat im Bermudadreieck wird seit Jahren als wichtigster Erklärungsansatz für die dort angeblich auftretenden Phänomene herangezogen. Näheres dazu bei Bermudadreieck - Methangas-Vorkommen. 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.^[4]

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.

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 wurde die Erwartungen am kanadischen Bohrplatz Mallik weit übertroffen, weil 80 bis 90% der Zwischenräume in Sanden und Kiesen mit Methanhydrat gefüllt waren.

Literatur und Filme

• Der Schwarm, ein Ökothriller von Frank Schätzing, Köln 2004, u. a. Ausführliches über Methanhydrat, besonders im Kapitel 6. April (S. 123 (Taschenbuchausgabe) oder S. 126 (gebundene Ausgabe))
• Tsunami, Spielfilm, Deutschland 2004

Siehe auch

• Energiequelle#Methanhydrat

Videos

• RealVideo: Was ist Methanhydrat? (aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

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. ↑ US Geological Survey, Woods Hole Science Center: Bermuda Triangle, 25. September 2006