Mirosław Dakowski

Metan i jego hydraty – niechciane skarby

Bardzo dużo i często poruszany jest w prasie, również fachowej, temat potrzeby walki z emisją dwutlenku węgla (CO₂) jako głównym czynnikiem destabilizującym klimat. Podpisane zostały nawet porozumienia międzynarodowe (Szczyt w Rio 1992, Protokół z Kioto 1997) dotyczące ograniczania emisji tego gazu. Dużo mniej uwagi zwracają natomiast politycy, ich doradcy, a szczególnie dziennikarze na inne czynniki zmieniające klimat. Zwróćmy uwagę, że jednoczesny wpływ metanu i "czarnego węgla" na klimat jest porównywalny do wpływu atmosferycznego CO₂. W dostępnej obecnie technologii nie jest możliwe radykalne a tanie zmniejszenie poziomu CO₂ w atmosferze. Możemy jedynie ograniczać jego emisję poprzez zwiększanie efektywności energetycznej. Niestety znane liczne strategie poszanowania energii są w Polsce przez ostatnie 18 lat ignorowane, a poruszane tylko hasłowo, werbalnie, np. w każdej nowej wersji Energetycznej Strategii Rządowej.

            W odróżnieniu od kosztownej walki o ograniczenie emisji CO₂, zmniejszenie emisji metanu może przynieść dodatkowe korzyści klimatyczne - i dochody.

Możliwość wpływu hydratów na klimat

W latach 90-tych ubiegłego stulecia okazało się, że największe zasoby węgla pierwiastkowego blisko powierzchni Ziemi występują nie tyle w postaci węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu, lecz w postaci hydratów węglowodorów (głównie metanu). Hydrat – to (w uproszczeniu) związek chemiczny, np. metanu, z dużą ilością cząsteczek wody (t.zw. klatraty). Udokumentowane pokłady hydratów metanu zalegają w postaci złóż o ogromnej miąższości (do setek metrów) na terenach wiecznej zmarzliny (płn. Syberia, płn. Kanada) oraz w głębi mórz i oceanów (zach. wybrzeża Stanów Zjednoczonych, litoral brzegów Japonii, Morze Czarne, Morze Kaspijskie, ...). Kluczową sprawą dla ilości metanu w atmosferze, a więc dla wpływu na efekt cieplarniany są więc właściwości hydratów. Są one niestabilne w pewnych warunkach temperatur i ciśnienia. Jest to tym istotniejsze, że metan jest gazem 30-50 razy silniej wpływającym na efekt cieplarniany niż CO₂

Z hydratami metanu wiąże się niebezpieczeństwo zaistnienia silnego dodatniego sprzężenia zwrotnego wpływającego na ocieplanie się klimatu.

Przed ok. 8000 lat obsunęły się, zapewne na skutek podwyższenia temperatury oceanu i zmian położenia nurtu Golfstromu, duże obszary wybrzeży obecnej zachodniej Norwegii na wysokości miejscowości Trondheim. Wielkie masy skalne - około 5600 km³ - spłynęły na warstwie rozpływającego się lodu złożonego z hydratów na odległość 800 km od górnej krawędzi stoku kontynentalnego, do Morza Norweskiego. Oceny tej katastrofy wskazują na równoczesne uwolnienie do atmosfery wielu miliardów metrów sześciennych metanu jak również  wywołanie olbrzymich niszczących fal tsunami. Podobne zjawiska obsuwania się wybrzeży na skutek topnienia warstw hydratów udokumentowano u zachodnich wybrzeży USA.

Bardzo interesującym akwenem ze względu na występowanie hydratów gazów w dość płytkiej wodzie jest Morze Barentsa leżące poza kołem polarnym. Z powodu mroźnego klimatu klatraty są tam trwałe na stosunkowo niewielkich głębokościach. Właśnie przez to mogłuby one stanowić zagrożenie już przy niewielkim wzroście temperatury. Istnieje niebezpieczeństwo, że już wzrost o 1^oC temperatury przydennych warstw wody w morzach i oceanach wystarczyłby do wyprowadzenia hydratów ze stanu stabilności.

Hipotezy

            Dysocjacją dużych ilości hydratów można tłumaczyć duże globalne ocieplenie w późnym Paleocenie (ok. 55 mln lat temu). Doszło wtedy do katastrofalnego wzrostu temperatury oceanu o około 5-7 ^oC. Również zakończenie epok lodowych można powiązać z wpływem dysocjacji dużych ilości hydratów.

            Mechanizm powstania epok lodowych związany jest ze wzrostem dodatniego sprzężenia zwrotnego między chwilowym ochłodzeniem klimatu, spowodowanym nim wzrostem powierzchni pokrytej śniegiem i lodem, dalej większym wypromieniowaniem energii odbitego światła słonecznego - i dalszym ochładzaniem. Wynika z tego wzrost grubości i masy lodowców.

Obniżenie poziomów oceanów (o kilkadziesiąt metrów!) obniża też o parę atmosfer ciśnienie w podmorskich (uprzednio) złożach hydratów, co powoduje lawinową ich destabilizację i przejście metanu do atmosfery. Zwiększona zawartość metanu w atmosferze prowadzi do dalszego wzrostu temperatury atmosfery, co intensyfikuje proces dehydratyzacji. Ponieważ ilość hydratów jest ogromna, to taki proces może bardzo mocno podnieść temperaturę planety. Przybiera to postać kataklizmu i może doprowadzić do odwrócenia tendencji, czyli do zakończenia epoki lodowej.

Występowanie na Ziemi ogromnych złóż hydratów może zostać wykorzystane do zaspokojenia rosnących potrzeb energetycznych. Należy możliwie szybko rozpocząć korzystanie z energii zgromadzonych w postaci hydratów metanu. Jest to bardzo duże i praktycznie nietknięte źródło energii. Dehydratyzacja i spalanie metanu jest procesem, w którym oprócz energii powstaje jedynie woda i CO₂ .

Pozwalając na dehydratyzację naturalną tracimy nie tylko złoża doskonałego nośnika energii, ale narażamy się na dalszą destabilizację klimatu. Spalenie metanu ze złóż, które inaczej w naturalny a niekontrolowany sposób mogłyby ulec uwolnieniu, zmniejsza potencjał gazów cieplarnianych, które mogłyby dostać się do atmosfery. Zastąpienie paliw kopalnych przez hydraty ma jeszcze jeden plus. Pamiętajmy, że ropa i węgiel są cennymi surowcami dla innych przemysłów (np. chemicznego), a nie tylko nośnikami energii.

O metanie

Wydzielanie metanu (CH₄) towarzyszy różnym procesom biologicznym np. rozkładowi odpadów organicznych na wysypiskach śmieci. Zastosowanie instalacji zbierających biogaz daje źródło taniej energii (prawie darmowej po zamortyzowaniu się urządzeń). Zastosowanie na szeroką skalę bio-reaktorów przerabiających odpadową biomasę różnego pochodzenia, może wpłynąć pozytywnie tak  na klimat, jak i na gospodarkę. Innym znacznym źródłem metanu związanym z gospodarką ludzką jest uprawa ryżu. Wymiana odmian ryżu i warunków ich uprawy pozwoliłoby na kilkakrotną redukcję tych emisji. Znaczący ułamek antropogennych emisji metanu pochodzi z hodowli bydła. Jedna krowa przy standardowym żywieniu emituje blisko 1 m³ biogazu na dobę. Opracowane są zmiany diety bydła zmniejszające emisje o 30-70%. Sumaryczna ilość CH₄ produkowana przez bydło jest ogromna i porównywalna z ilością możliwa do wydobycia z kopalni węgla.

 Tak zwane "metanowe" kopalnie węgla na przełomie lat 80/90 zeszłego wieku jedynie w Polsce emitowały do atmosfery 2-3 mld m³ metanu rocznie. O skali zjawiska świadczy fakt, że całe roczne zużycie gazu w Polsce wynosiło wtedy ok. 11 mld m³. Metan z kopalń węgla można użyć, choćby jako dodatek dla kotłów energetycznych.

 Ostatnio spalono w wybuchu metanu ok. stu górników w Zagłębiu Donieckim na Ukrainie. Wiele tysięcy ginie rocznie w kopalniach w Chinach.

Zmiany strategiczne trudno jest przeprowadzić przy dominującym na świecie systemie BAU (Business As Usual), bo zysk - ogromny - byłby globalny, ale wkład finansowy - lokalny. Brak jest mechanizmów do działań altruistycznych.

Obserwowana obecnie ilość CO₂ jak i metanu w atmosferze jest porównywalna do maksymalnych wartości dla tych gazów w ostatnich 160 tys. lat. Podkreślmy, że zawartość CO₂ w atmosferze była wiele razy w historii Ziemi dużo większa niż obecnie. Sytuacja taka miała miejsce m. inn. w okresie ponad 300 mln lat temu, przed erą karbonu. Obecne poziomy nie są więc nienaturalnie wysokie. Wydaje się, że ekosystem jest w stanie poradzić sobie z nimi.

Szerzej, z odnośnikami do literatury, opisaliśmy tę sprawę z A. Wysokińskim w literaturze naukowej, a artykuł dostępny jest na stronie www.Dakowski.pl (pod Energetyka). A powiązania promocji „efektu cieplarnianego z absurdalnym, dławiącym gospodarki wielu krajów, podnoszeniem cen ropy, a za tym i pozostałych nośników energii, opisałem (z St. Wiąckowskim) w książce O energetyce dla użytkowników i sceptyków. W księgarniach blokada, książka dostępna pod dakowy@tlen.pl , a w internecie: www.oficyna-aurora.pl