[Przypominam jeden z artykułów sprzed ćwierć wieku. Są u mnie w “Archiwum”. MD]

Wpisał: Mirosław Dakowski

24.11.2007.

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. Wzrost temperatury atmosfery oraz mórz i oceanów ponad pewien poziom (próg) może spowodować nagłą, lawinową dehydratyzację czyli uwalnianie metanu ze złóż hydratów. Udokumentowano, że takie zjawiska miały już miejsce w geologicznej historii Ziemi. 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 mogłyby one stanowić zagrożenie już przy niewielkim wzroście temperatury. Istnieje niebezpieczeństwo, że już wzrost o 1oC 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 w Antyku i w Internecie.

Hydraty metanu to alternatywne źródło energii, ale i potencjalne zagrożenie dla klimatu

hydraty-metanu-efekt-cieplarniany

Hydraty metanu leżą na dnie oceanów, a ich pokłady mogą być grube na setki metrów i ciągnąć się na dziesiątki kilometrów. Są one możliwą alternatywą dla konwencjonalnych źródeł węglowodorów, ale i potencjalnym zagrożeniem dla klimatu – opowiada geolog z PAN, dr hab. Maciej Bojanowski.

Stanowią one potencjalne zagrożenie dla klimatu dlatego, że zawarty w tych związkach metan znacznie silniej przyczynia się do efektu cieplarnianego niż dwutlenek węgla. Z powodu wzrostu temperatury na Ziemi prawdopodobnie już w większej niż dotąd ilości wydostaje się on z dna oceanicznego w różnych częściach świata, a przy wciąż niewystarczającej wiedzy na temat eksploatacji hydratów, metan może zacząć rozkładać się w sposób niekontrolowany i wzmagać efekt cieplarniany.

Jak przypomina dr hab. Maciej Bojanowski z Instytutu Nauk Geologicznych PAN, hydraty metanu to związki, które składają się z wody w stanie stałym i gazowego metanu, niejako “uwięzionego w klatkach” pośród tej krystalicznej struktury. Tworzą one formy przypominające lód. Spotkać je można głównie na dnie oceanów (najczęściej wzdłuż krawędzi kontynentów), ponieważ ich powstawaniu sprzyja niska temperatura i wysokie ciśnienie.

Metan jest gazem dość powszechnym, a ten zawarty w dzisiejszych hydratach powstał głównie w wyniku działalności mikroorganizmów. – Można to sobie tak wyobrazić, że kiedy zasobne w materię organiczną dno morskie po pewnym czasie zostaje przysypane przez kolejne warstwy osadów, to mikroorganizmy zaczynają rozkładać materię organiczną. Produktem ich działalności jest m.in. metan. A panujące tam odpowiednie warunki ciśnienia i temperatury pozwalają zamknąć ten gaz w obrębie powstających w osadach hydratów – tłumaczy geolog. – To nawet nie są pojedyncze bryły, ale ogromne masy, wielkie pokłady, które mają grubość nawet setek metrów i ciągną się dziesiątkami kilometrów. Badania nad hydratami metanu prowadzone są od niedawna i nie są jeszcze zaawansowane, ale wszystko wskazuje na to, że jest ich więcej, niż wszystkich konwencjonalnych zasobów złóż węglowodorów na świecie – wskazał Bojanowski.

Instalacje już są, ale wciąż nieopłacalne

Kraje takie jak Japonia, Chiny, Kanada czy USA prowadzą już projekty, które mają rozpoznać zasoby hydratów metanu u ich wybrzeży. – Japończykom udało się z sukcesem dokonać ich eksploatacji. Tak naprawdę wydobyli oni sam metan, ponieważ rozkład hydratów prowadzili na miejscu, przy dnie oceanu. Okazało się jednak, że przy złożoności potrzebnej do tego technologii ich wydobycie nie jest opłacalne, zwłaszcza przy obecnych cenach węglowodorów – powiedział geolog.

I choć o hydratach metanu mówi się jako o potencjalnej, przyszłościowej alternatywie dla konwencjonalnych złóż metanu, to – zdaniem Bojanowskiego – obecnie eksploatacja hydratów metanu nie jest opłacalna i wiąże się z potencjalnymi poważnymi zagrożeniami środowiskowymi.

Zagrożenia dla środowiska

Jednym z nich może być niekontrolowana emisja metanu do atmosfery. – Balans ciśnienia i temperatury, które utrzymują hydraty w swym stanie skupienia, jest dość delikatny. Nie mamy jeszcze wystarczającej wiedzy na temat ich eksploatacji, i jeśli coś pójdzie nie tak podczas wydobycia, metan może zacząć rozkładać się w sposób niekontrolowany, co spowoduje gigantyczną emisję do atmosfery. Gaz ten w hydratach jest jakby stłoczony, skompresowany. Po rozłożeniu się jeden metr sześcienny hydratu daje bowiem ponad 180 metrów sześciennych metanu. Dlatego też z jednej strony jest to łakomy kąsek dla przemysłu jako potencjalne źródło energii, ale z drugiej – przy niekontrolowanym rozkładzie – może znacząco przyczynić się do efektu cieplarnianego – tłumaczył Bojanowski.

Metan z hydratów w sposób naturalny uwalnia się do atmosfery cały czas, gdyż część hydratów ulega rozpadowi; jednocześnie powstają nowe. Przy rosnącej temperaturze na Ziemi tempo rozkładu hydratów, a co za tym idzie – emisji metanu do atmosfery – wzrasta. – Uważa się, że największe wymieranie w historii świata, na granicy permu i triasu, było częściowo spowodowane właśnie rozkładem hydratów metanu w wymiarze globalnym. Zaszło tu kilka procesów m.in. wcześniejsze ocieplenie klimatu związane częściowo z emisją dwutlenku węgla, co spowodowało wzrost temperatury na świecie na tyle, że temperatura przy dnie morskim również wzrosła, a przez to hydraty metanu przestały być stabilne – mówił. – Biorąc pod uwagę obecne szacunki ilości hydratów metanu na dnie oceanów, z modelowania naukowców wychodzi, że jest ich dziś tak dużo, że gdyby temperatura na Ziemi gwałtowanie i znacząco wzrosła, to uwolnienie się z nich metanu mogłoby spowodować tak gigantyczny efekt cieplarniany, jak ten z czasu permu i triasu – ocenił.

Ryzyko powstawania fal tsunami

Naruszanie złóż hydratów metanu może również prowadzić do destabilizacji stoków podmorskich i uruchomienia potężnych osuwisk podmorskich, co może oznaczać np. uszkodzenie podwodnych rurociągów czy powstanie fal tsunami. Nowej wiedzy dotyczącej tych kwestii mogą dostarczyć badania na temat roli hydratów metanu w przeszłości geologicznej. Właśnie tym zajmuje się w swej pracy naukowej dr hab. Bojanowski, który m.in. kieruje międzynarodowym zespołem w projekcie finansowanym przez NCN.

– Hydraty metanu nie zachowują się w zapisie kopalnym. Poszukujemy więc świadectw ich dawnego występowania. Naszym kluczem do przeszłości jest geochemia izotopowa. Okazuje się, że metan w hydratach ma bardzo specyficzny skład izotopowy węgla – i po tym możemy poznawać w historii geologicznej, że gdzieś on w skałach czy osadach istniał. Z drugiej strony hydraty metanu to cząsteczki wody, więc zawierają pierwiastek tlenu i jego skład izotopowy w hydratach jest również specyficzny. I tak jeśli skały są równocześnie wzbogacone w lekki izotop węgla i ciężki izotop tlenu, możemy podejrzewać, że w ich powstaniu brały udział hydraty metanu – tłumaczył.

Do badań naukowcy wykorzystają skały wydobyte ze środowisk zawierających współczesne hydraty metanu. Następnie sięgną do starych (liczących około 30 mln lat) skał z Polski i Włoch. – Podejrzewamy, że one również tworzyły się w ten sam sposób. Poprzez analogię będziemy starali się zrozumieć, jakie cechy starych skał przemawiają za tym, że hydraty im towarzyszyły, a jeżeli będziemy potrafili to zrobić, to może się okazać, że będziemy lepiej identyfikować takie skały w zapisie kopalnym i rozwikłamy wątpliwość, czy rozkład hydratów metanu w przeszłości geologicznej faktycznie miał taki znaczący wpływ na okresy hipercieplarniane. A jestem przekonany, że rola hydratów w przeszłości geologicznej jest nadal niedoszacowana – podsumował dr hab. Bojanowski. (PAP)