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clatrato de metano

"Hielo ardiente". El metano, liberado por calentamiento, se quema; el agua gotea.
Recuadro: estructura de clatrato (Universidad de Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).
Fuente: Servicio Geológico de Estados Unidos .

El clatrato de metano (CH 4 ·5,75H 2 O) o (4CH 4 ·23H 2 O), también llamado hidrato de metano , hidrometano , hielo de metano , hielo de fuego , hidrato de gas natural , o hidrato de gas , es un compuesto de clatrato sólido (más específicamente , un clatrato hidrato ) en el que una gran cantidad de metano queda atrapada dentro de una estructura cristalina de agua, formando un sólido similar al hielo . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Originalmente se pensó que se producía sólo en las regiones exteriores del Sistema Solar , donde las temperaturas son bajas y el hielo de agua es común, se han encontrado importantes depósitos de clatrato de metano. bajo los sedimentos del fondo oceánico de la Tierra (aprox. 1100 m bajo el nivel del mar). [7] El hidrato de metano se forma cuando el agua con enlaces de hidrógeno y el gas metano entran en contacto a altas presiones y bajas temperaturas en los océanos.

Los clatratos de metano son componentes comunes de la geosfera marina poco profunda y se encuentran en estructuras sedimentarias profundas y forman afloramientos en el fondo del océano. Se cree que los hidratos de metano se forman por precipitación o cristalización de metano que migra desde las profundidades a lo largo de fallas geológicas . La precipitación se produce cuando el metano entra en contacto con el agua del fondo marino sujeta a temperatura y presión. En 2008, una investigación realizada en los núcleos de hielo de la Estación Antártica Vostok y del Domo C EPICA reveló que los clatratos de metano también estaban presentes en los núcleos de hielo antárticos profundos y registran una historia de concentraciones de metano en la atmósfera , que data de hace 800.000 años. [8] El registro de clatrato de metano del núcleo de hielo es una fuente principal de datos para la investigación del calentamiento global , junto con el oxígeno y el dióxido de carbono.

Los clatratos de metano solían considerarse una fuente potencial de cambio climático abrupto , siguiendo la hipótesis del cañón de clatratos . En este escenario, el calentamiento provoca un derretimiento y descomposición catastróficos de hidratos principalmente submarinos, lo que lleva a una liberación masiva de metano y acelera el calentamiento. Las investigaciones actuales muestran que los hidratos reaccionan muy lentamente al calentamiento y que es muy difícil que el metano llegue a la atmósfera después de la disociación. [9] [10] En cambio, algunas filtraciones activas actúan como sumideros de carbono menores , porque con la mayor parte del metano disuelto bajo el agua y alentando a las comunidades metanótrofas , el área alrededor de la filtración también se vuelve más adecuada para el fitoplancton . [11] Como resultado, los hidratos de metano ya no se consideran uno de los puntos de inflexión en el sistema climático y, según el Sexto Informe de Evaluación del IPCC , no se producirá ningún impacto "detectable" en las temperaturas globales en este siglo a través de este mecanismo. [12] Durante varios milenios, todavía se puede observar una respuesta más sustancial de 0,4 a 0,5 °C (0,72 a 0,90 °F). [13]

General

Los hidratos de metano se descubrieron en Rusia en la década de 1960 y los estudios para extraer gas de ellos surgieron a principios del siglo XXI. [14]

Estructura y composición

imagen de microscopio

La composición nominal de hidrato de clatrato de metano es (CH 4 ) 4 (H 2 O) 23 , o 1 mol de metano por cada 5,75 moles de agua, lo que corresponde a 13,4% de metano en masa, aunque la composición real depende de cuántas moléculas de metano encajar en las distintas estructuras de jaulas de la red de agua . La densidad observada es de alrededor de 0,9 g/cm 3 , lo que significa que el hidrato de metano flotará hacia la superficie del mar o de un lago a menos que esté fijado en su lugar al formarse o anclarse en un sedimento. [15] Por lo tanto, un litro de clatrato de metano sólido completamente saturado contendría aproximadamente 120 gramos de metano (o aproximadamente 169 litros de gas metano a 0 °C y 1 atm), [nb 1] o un metro cúbico de clatrato de metano libera aproximadamente 160 Metros cúbicos de gas. [14]

El metano forma un hidrato de "estructura I" con dos jaulas de agua dodecaédricas (12 vértices, por lo tanto, 12 moléculas de agua) y seis tetradecaédricas (14 moléculas de agua) por unidad de celda. (Debido a que las jaulas comparten moléculas de agua, solo hay 46 moléculas de agua por unidad de celda). Esto se compara con un número de hidratación de 20 para el metano en solución acuosa. [16] Un espectro de RMN MAS de clatrato de metano registrado a 275 K y 3,1 MPa muestra un pico para cada tipo de jaula y un pico separado para el metano en fase gaseosa . [ cita necesaria ] En 2003, se sintetizó un intercalado de hidrato de metano y arcilla en el que se introdujo un complejo de hidrato de metano en la capa intermedia de una arcilla de montmorillonita rica en sodio . La estabilidad de la temperatura superior de esta fase es similar a la del hidrato de estructura I. [17]

Diagrama de fases del hidrato de metano. El eje horizontal muestra la temperatura de -15 a 33 grados Celsius, el eje vertical muestra la presión de 0 a 120.000 kilopascales (0 a 1.184 atmósferas). El hidrato se forma por encima de la línea. Por ejemplo, a 4 grados Celsius se forma hidrato por encima de una presión de aproximadamente 50 atm/5000 kPa, que se encuentra a unos 500 m de profundidad del mar.

Depósitos naturales

Distribución mundial de sedimentos marinos que contienen hidratos de gas confirmados o inferidos, 1996.
Fuente: USGS
Sedimento que contiene hidratos de gas, de la zona de subducción frente a Oregón
Estructura específica de un trozo de hidrato de gas, de la zona de subducción frente a Oregón

Los clatratos de metano están restringidos a la litosfera poco profunda (es decir, < 2.000 m de profundidad). Además, las condiciones necesarias sólo se encuentran en rocas sedimentarias continentales en regiones polares donde las temperaturas superficiales promedio son inferiores a 0 °C; o en sedimentos oceánicos a profundidades superiores a 300 m, donde la temperatura del agua del fondo es de alrededor de 2 °C. Además, los lagos profundos de agua dulce también pueden albergar hidratos de gas, por ejemplo, el lago de agua dulce Baikal , en Siberia. [18] Se han localizado depósitos continentales en Siberia y Alaska en lechos de arenisca y limolita a menos de 800 m de profundidad. Los depósitos oceánicos parecen estar muy extendidos en la plataforma continental (ver Fig.) y pueden ocurrir dentro de los sedimentos en profundidad o cerca de la interfaz sedimento-agua . Podrían tapar depósitos aún mayores de metano gaseoso. [19]

Oceánico

El hidrato de metano puede presentarse en diversas formas, como masivo, disperso dentro de espacios porosos, nódulos, vetas/fracturas/fallas y horizontes en capas. [20] Generalmente, se encuentra inestable en condiciones estándar de presión y temperatura, y 1 m 3 de hidrato de metano tras la disociación produce aproximadamente 164 m 3 de metano y 0,87 m 3 de agua dulce. [21] [22] [23] Hay dos tipos distintos de depósitos oceánicos. El más común está dominado (> 99%) por metano contenido en una estructura clatrato y generalmente encontrado en profundidad en el sedimento. Aquí, el metano es isotópicamente ligero ( δ 13 C < −60 ‰), lo que indica que se deriva de la reducción microbiana de CO 2 . Se cree que los clatratos en estos depósitos profundos se formaron in situ a partir del metano producido microbianamente, ya que los valores de δ 13 C del clatrato y el metano disuelto circundante son similares. [19] Sin embargo, también se cree que el agua dulce utilizada en la presurización de pozos de petróleo y gas en el permafrost y a lo largo de las plataformas continentales en todo el mundo se combina con el metano natural para formar clatrato en profundidad y presión, ya que los hidratos de metano son más estables en agua dulce que en agua salada. . [2] Las variaciones locales pueden ser generalizadas ya que el acto de formar hidratos, que extrae agua pura de aguas salinas de formación, a menudo puede conducir a aumentos locales y potencialmente significativos en la salinidad del agua de formación. Los hidratos normalmente excluyen la sal en el fluido de los poros a partir del cual se forman. Por lo tanto, exhiben una alta resistividad eléctrica como el hielo, y los sedimentos que contienen hidratos tienen una resistividad mayor que los sedimentos sin hidratos de gas (Juez [67]). [24] : 9 

Estos depósitos están ubicados dentro de una zona de profundidad media de alrededor de 300 a 500 m de espesor en los sedimentos (la zona de estabilidad de hidratos de gas , o GHSZ) donde coexisten con el metano disuelto en las aguas de los poros dulces, no saladas. Por encima de esta zona, el metano sólo está presente en su forma disuelta en concentraciones que disminuyen hacia la superficie del sedimento. Debajo, el metano es gaseoso. En Blake Ridge, en el ascenso continental del Atlántico , la GHSZ comenzó a 190 m de profundidad y continuó hasta 450 m, donde alcanzó el equilibrio con la fase gaseosa. Las mediciones indicaron que el metano ocupaba entre el 0 y el 9 % en volumen en la GHSZ y ~12 % en la zona gaseosa. [25] [26]

En el segundo tipo, menos común, que se encuentra cerca de la superficie del sedimento, algunas muestras tienen una mayor proporción de hidrocarburos de cadena más larga (<99% de metano) contenidos en un clatrato de estructura II. El carbono de este tipo de clatrato es isotópicamente más pesado ( δ 13 C es −29 a −57 ‰) y se cree que migró hacia arriba desde sedimentos profundos, donde se formó metano por descomposición térmica de materia orgánica . Se han encontrado ejemplos de este tipo de depósitos en el Golfo de México y el Mar Caspio . [19]

Algunos depósitos tienen características intermedias entre los tipos de origen microbiano y térmico y se consideran formados a partir de una mezcla de los dos.

El metano en los hidratos de gas es generado predominantemente por consorcios microbianos que degradan la materia orgánica en ambientes con poco oxígeno, y el metano en sí es producido por arqueas metanogénicas . La materia orgánica en los primeros centímetros de los sedimentos es atacada primero por bacterias aeróbicas, generando CO2 , que escapa de los sedimentos a la columna de agua . Debajo de esta región de actividad aeróbica, los procesos anaeróbicos toman el control, incluyendo, sucesivamente con la profundidad, la reducción microbiana de nitrito/nitrato, óxidos metálicos y luego los sulfatos se reducen a sulfuros . Finalmente, la metanogénesis se convierte en una vía dominante para la remineralización del carbono orgánico .

Si la tasa de sedimentación es baja (alrededor de 1 cm/año), el contenido de carbono orgánico es bajo (alrededor del 1%) y el oxígeno es abundante, las bacterias aeróbicas pueden consumir toda la materia orgánica de los sedimentos más rápido de lo que se agota el oxígeno, por lo que No se utilizan aceptores de electrones de menor energía . Pero cuando las tasas de sedimentación y el contenido de carbono orgánico son altos, como suele ser el caso en las plataformas continentales y debajo de las zonas de afloramiento de corrientes del límite occidental, el agua de los poros en los sedimentos se vuelve anóxica a profundidades de sólo unos pocos centímetros o menos. En sedimentos marinos tan ricos en materia orgánica, el sulfato se convierte en el aceptor terminal de electrones más importante debido a su alta concentración en el agua de mar . Sin embargo, también se agota a una profundidad de centímetros a metros. Debajo de este se produce metano. Esta producción de metano es un proceso bastante complicado, que requiere un ambiente altamente reductor (Eh −350 a −450 mV) y un pH entre 6 y 8, así como un complejo sintrófico , consorcios de diferentes variedades de arqueas y bacterias. Sin embargo, sólo las arqueas emiten realmente metano.

En algunas regiones (p. ej., Golfo de México, cuenca Joetsu), el metano de los clatratos puede derivar, al menos parcialmente, de la degradación térmica de la materia orgánica (p. ej., generación de petróleo), y el petróleo incluso forma un componente exótico dentro del propio hidrato que puede recuperarse cuando el hidrato se disocia. [27] [28] [ cita necesaria ] El metano en los clatratos generalmente tiene una firma isotópica biogénica y un δ 13 C (−40 a −100 ‰) altamente variable, con un promedio aproximado de aproximadamente −65 ‰. [29] [ cita necesaria ] [30] [31] [32] Debajo de la zona de clatratos sólidos, grandes volúmenes de metano pueden formar burbujas de gas libre en los sedimentos. [25] [33] [34]

La presencia de clatratos en un sitio determinado a menudo se puede determinar mediante la observación de un "reflector simulado de fondo" (BSR), que es una reflexión sísmica en la interfaz entre el sedimento y la zona de estabilidad de los clatratos causada por las densidades desiguales de los sedimentos normales y los que están mezclados con clatratos.

Se han descubierto pingos con hidratos de gas en los océanos árticos y en el mar de Barents. El metano burbujea desde estas estructuras en forma de cúpula, y algunas de estas llamaradas de gas se extienden cerca de la superficie del mar. [35]

Tamaño del depósito

Hidrato de gas bajo roca carbonatada en el fondo marino del norte del Golfo de México

El tamaño del reservorio oceánico de clatratos de metano es poco conocido, y las estimaciones de su tamaño disminuyeron aproximadamente en un orden de magnitud por década desde que se reconoció por primera vez que podían existir clatratos en los océanos durante los años 1960 y 1970. [36] Las estimaciones más altas (por ejemplo, 3 × 1018 m 3 ) [37] se basaron en la suposición de que clatratos completamente densos podrían cubrir todo el fondo del océano profundo. Las mejoras en nuestra comprensión de la química de los clatratos y la sedimentología han revelado que los hidratos se forman sólo en un estrecho rango de profundidades ( plataformas continentales ), sólo en algunos lugares del rango de profundidades donde podrían ocurrir (10-30% de la zona de estabilidad de los hidratos de gas). ), y normalmente se encuentran en concentraciones bajas (0,9% a 1,5% en volumen) en los sitios donde ocurren. Estimaciones recientes limitadas por muestreo directo sugieren que el inventario global ocupa entre 1 × 10 15 y 5 × 10 15 metros cúbicos (0,24 y 1,2 millones de millas cúbicas). [36] Esta estimación, correspondiente a 500-2500 gigatoneladas de carbono (Gt C), es menor que las 5000 Gt C estimadas para todas las demás reservas de combustible geoorgánico, pero sustancialmente mayor que las ~230 Gt C estimadas para otras fuentes de gas natural. [36] [38] El reservorio de permafrost se ha estimado en aproximadamente 400 Gt C en el Ártico, [39] [ cita necesaria ] pero no se han hecho estimaciones de posibles reservorios antárticos. Se trata de grandes cantidades. En comparación, el carbono total en la atmósfera es de unas 800 gigatoneladas (ver Carbono: aparición ).

Estas estimaciones modernas son notablemente menores que las 10.000 a 11.000 Gt C (2 × 1016 m 3 ) propuesto [40] por investigadores anteriores como una razón para considerar los clatratos como un recurso de combustible geoorgánico (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). Una menor abundancia de clatratos no descarta su potencial económico, pero un volumen total menor y una concentración aparentemente baja en la mayoría de los sitios [36] sí sugiere que sólo un porcentaje limitado de depósitos de clatratos puede proporcionar un recurso económicamente viable.

Continental

Los clatratos de metano en las rocas continentales están atrapados en lechos de arenisca o limolita a profundidades de menos de 800 m. El muestreo indica que se forman a partir de una mezcla de gas derivado térmica y microbianamente del cual posteriormente se eliminaron selectivamente los hidrocarburos más pesados. Estos ocurren en Alaska , Siberia y el norte de Canadá .

En 2008, investigadores canadienses y japoneses extrajeron un flujo constante de gas natural de un proyecto de prueba en el sitio de hidratos de gas de Mallik en el delta del río Mackenzie . Esta fue la segunda perforación de este tipo en Mallik: la primera tuvo lugar en 2002 y utilizó calor para liberar metano. En el experimento de 2008, los investigadores pudieron extraer gas reduciendo la presión, sin calentarlo, lo que requirió significativamente menos energía. [41] El campo de hidrato de gas de Mallik fue descubierto por primera vez por Imperial Oil en 1971-1972. [42]

Uso comercial

Los depósitos económicos de hidrato se denominan hidrato de gas natural (NGH) y almacenan 164 m 3 de metano, 0,8 m 3 de agua en 1 m 3 de hidrato. [43] La mayor parte del NGH se encuentra debajo del fondo marino (95%) donde existe en equilibrio termodinámico. El depósito sedimentario de hidrato de metano probablemente contiene entre 2 y 10 veces las reservas conocidas actualmente de gas natural convencional , en 2013 . [44] Esto representa una fuente futura potencialmente importante de combustible de hidrocarburos . Sin embargo, en la mayoría de los sitios se cree que los depósitos están demasiado dispersos para una extracción económica. [36] Otros problemas que enfrenta la explotación comercial son la detección de reservas viables y el desarrollo de la tecnología para extraer gas metano de los depósitos de hidratos.

En agosto de 2006, China anunció planes para gastar 800 millones de yuanes (100 millones de dólares estadounidenses) durante los próximos 10 años para estudiar los hidratos de gas natural. [45] Una reserva potencialmente económica en el Golfo de México puede contener aproximadamente 100 mil millones de metros cúbicos (3,5 × 10 12  pies cúbicos) de gas. [36] Bjørn Kvamme y Arne Graue del Instituto de Física y Tecnología de la Universidad de Bergen han desarrollado un método para inyectar CO 2 en hidratos e invertir el proceso; extrayendo así CH 4 mediante intercambio directo. [46] El método de la Universidad de Bergen está siendo probado sobre el terreno por ConocoPhillips y la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC), de propiedad estatal , y financiado parcialmente por el Departamento de Energía de Estados Unidos. El proyecto ya alcanzó la fase de inyección y estaba analizando los datos resultantes el 12 de marzo de 2012. [47]^

El 12 de marzo de 2013, los investigadores de JOGMEC anunciaron que habían extraído con éxito gas natural del hidrato de metano congelado. [48] ​​Para extraer el gas, se utilizó equipo especializado para perforar y despresurizar los depósitos de hidrato, lo que provocó que el metano se separara del hielo. Luego se recogió el gas y se canalizó a la superficie donde se encendió para demostrar su presencia. [49] Según un portavoz de la industria, "fue el primer experimento marino del mundo que produjo gas a partir de hidrato de metano". [48] ​​Anteriormente, el gas se extraía de depósitos terrestres, pero nunca de depósitos marinos, que son mucho más comunes. [49] El campo de hidratos del que se extrajo el gas se encuentra a 50 kilómetros (31 millas) del centro de Japón en Nankai Trough , a 300 metros (980 pies) bajo el mar. [48] ​​[49] Un portavoz de JOGMEC comentó: "Japón finalmente podría tener una fuente de energía que pueda llamar propia". [49] El geólogo marino Mikio Satoh comentó: "Ahora sabemos que la extracción es posible. El siguiente paso es ver hasta qué punto Japón puede reducir los costos para hacer que la tecnología sea económicamente viable". [49] Japón estima que hay al menos 1,1 billones de metros cúbicos de metano atrapados en la depresión de Nankai, suficiente para satisfacer las necesidades del país durante más de diez años. [49]

Tanto Japón como China anunciaron en mayo de 2017 un gran avance en la extracción de clatratos de metano, cuando extrajeron metano de hidratos en el Mar de China Meridional . [14] China describió el resultado como un gran avance; Praveen Linga, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad Nacional de Singapur, coincidió: "En comparación con los resultados que hemos visto en la investigación japonesa, los científicos chinos han logrado extraer mucho más gas con sus esfuerzos". [50] El consenso de la industria es que aún faltan años para la producción a escala comercial. [51]

Preocupaciones ambientales

Los expertos advierten que todavía se están investigando los impactos ambientales y que el metano, un gas de efecto invernadero con aproximadamente 25 veces más potencial de calentamiento global en un período de 100 años (GWP100) que el dióxido de carbono, podría potencialmente escapar a la atmósfera si algo sale mal. [52] Además, aunque es más limpio que el carbón, la quema de gas natural también genera emisiones de dióxido de carbono. [53] [54] [55]

Hidratos en el procesamiento de gas natural.

Operaciones de rutina

Los clatratos (hidratos) de metano también se forman comúnmente durante las operaciones de producción de gas natural, cuando el agua líquida se condensa en presencia de metano a alta presión. Se sabe que las moléculas de hidrocarburos más grandes, como el etano y el propano, también pueden formar hidratos, aunque las moléculas más largas (butanos, pentanos) no pueden caber en la estructura de la jaula de agua y tienden a desestabilizar la formación de hidratos.

Una vez formados, los hidratos pueden bloquear las tuberías y los equipos de procesamiento. Generalmente luego se eliminan reduciendo la presión, calentándolos o disolviéndolos por medios químicos (comúnmente se usa metanol). Se debe tener cuidado para garantizar que la eliminación de los hidratos se controle cuidadosamente, debido a la posibilidad de que el hidrato experimente una transición de fase del hidrato sólido para liberar agua y metano gaseoso a una velocidad alta cuando se reduce la presión. La rápida liberación de gas metano en un sistema cerrado puede provocar un rápido aumento de presión. [15]

Generalmente es preferible evitar que se formen hidratos o que bloqueen el equipo. Esto comúnmente se logra eliminando agua o agregando etilenglicol (MEG) o metanol , que actúan para reducir la temperatura a la que se formarán los hidratos. En los últimos años, se han desarrollado otras formas de inhibidores de hidratos, como inhibidores cinéticos de hidratos (que aumentan el subenfriamiento requerido que los hidratos necesitan para formarse, a expensas de una mayor tasa de formación de hidratos) y antiaglomerados, que no previenen se formen hidratos, pero evite que se peguen y bloqueen el equipo.

Efecto de la transición de fase de hidratos durante la perforación en aguas profundas.

Al perforar en formaciones que contienen petróleo y gas sumergidas en aguas profundas, el gas del yacimiento puede fluir hacia el pozo y formar hidratos de gas debido a las bajas temperaturas y altas presiones que se encuentran durante la perforación en aguas profundas. Los hidratos de gas pueden luego fluir hacia arriba con lodo de perforación u otros fluidos descargados. Cuando los hidratos aumentan, la presión en el anillo disminuye y los hidratos se disocian en gas y agua. La rápida expansión del gas expulsa fluido del pozo, reduciendo aún más la presión, lo que conduce a una mayor disociación de hidratos y una mayor eyección de fluido. La resultante expulsión violenta de líquido del anillo es una posible causa o contribuyente a la "patada". [56] (Las patadas, que pueden causar reventones, normalmente no involucran hidratos: ver Reventón: patada de formación ).

Las medidas que reducen el riesgo de formación de hidratos incluyen:

Recuperación de reventones

Diagrama conceptual de domos de contención de petróleo, que forman embudos invertidos para canalizar el petróleo a los barcos de superficie. La plataforma petrolera hundida está cerca.

A profundidades suficientes, el metano se compleja directamente con el agua para formar hidratos de metano, como se observó durante el derrame de petróleo de Deepwater Horizon en 2010. Los ingenieros de BP desarrollaron e implementaron un sistema submarino de recuperación de petróleo sobre el derrame de petróleo de un pozo de petróleo en aguas profundas a 5000 pies (1500 m). debajo del nivel del mar para capturar el petróleo que se escapa. Esto implicó colocar un domo de 125 toneladas (276.000 libras) sobre la fuga más grande del pozo y canalizarlo a un recipiente de almacenamiento en la superficie. [57] Esta opción tenía el potencial de recolectar alrededor del 85% del petróleo que se fuga, pero no se había probado anteriormente a tales profundidades. [57] BP implementó el sistema del 7 al 8 de mayo, pero falló debido a la acumulación de clatrato de metano dentro de la cúpula; con su baja densidad de aproximadamente 0,9 g/cm 3, los hidratos de metano se acumularon en el domo, añadiendo flotabilidad y obstruyendo el flujo. [58]

Clatratos de metano y cambio climático

El clatrato de metano se libera en forma de gas en la columna de agua circundante o en los suelos cuando aumenta la temperatura ambiente.
La hipótesis del cañón de clatrato es una explicación propuesta para los períodos de rápido calentamiento durante el Cuaternario . La hipótesis es que los cambios en los flujos en las aguas intermedias superiores del océano provocaron fluctuaciones de temperatura que alternativamente acumularon y ocasionalmente liberaron clatrato de metano en los taludes continentales superiores. Esto habría tenido un impacto inmediato en la temperatura global, ya que el metano es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono . A pesar de su vida atmosférica de alrededor de 12 años, el potencial de calentamiento global del metano es 72 veces mayor que el del dióxido de carbono en 20 años, y 25 veces en 100 años (33 si se tienen en cuenta las interacciones de los aerosoles ). [59] Se propone además que estos eventos de calentamiento causaron los ciclos de Bond y eventos interestadiales individuales , como los interestadiales Dansgaard-Oeschger . [60]

La mayoría de los depósitos de clatrato de metano se encuentran en sedimentos demasiado profundos para responder rápidamente, [61] y los modelos de Archer de 2007 sugieren que el forzamiento del metano derivado de ellos debería seguir siendo un componente menor del efecto invernadero general . [62] Los depósitos de clatrato se desestabilizan desde la parte más profunda de su zona de estabilidad , que normalmente se encuentra a cientos de metros por debajo del fondo marino. Un aumento sostenido de la temperatura del mar eventualmente calentará su camino a través del sedimento y provocará que el clatrato más superficial y marginal comience a descomponerse; pero normalmente se necesitarán del orden de mil años o más para que el cambio de temperatura llegue tan lejos en el lecho marino. [62] Además, investigaciones posteriores sobre depósitos de latitudes medias en el Océano Atlántico y Pacífico encontraron que cualquier metano liberado desde el fondo marino, sin importar la fuente, no llega a la atmósfera una vez que la profundidad excede los 430 m (1,411 pies), mientras que las características geológicas de El área hace imposible que existan hidratos a profundidades inferiores a 550 m (1.804 pies). [63] [64]

Posible liberación de metano en la plataforma ártica de Siberia Oriental

Sin embargo, algunos depósitos de clatratos de metano en el Ártico son mucho menos profundos que el resto, lo que podría hacerlos mucho más vulnerables al calentamiento. Un depósito de gas atrapado en el talud continental frente a Canadá en el mar de Beaufort , ubicado en un área de pequeñas colinas cónicas en el fondo del océano, está a sólo 290 m (951 pies) bajo el nivel del mar y se considera el depósito de hidrato de metano más superficial conocido. [65] Sin embargo, la plataforma ártica de Siberia Oriental tiene un promedio de 45 metros de profundidad, y se supone que debajo del fondo marino, sellado por capas submarinas de permafrost, se encuentran depósitos de hidratos. [66] [67] Esto significaría que cuando el calentamiento se presente potencialmente como talik o pingo dentro de la plataforma, también servirían como vías de migración de gas para el metano anteriormente congelado, y se ha prestado mucha atención a esa posibilidad. [68] [69] [70] Shakhova et al. (2008) estiman que no menos de 1.400 gigatoneladas de carbono están actualmente atrapadas como metano e hidratos de metano bajo el permafrost submarino del Ártico, y entre el 5% y el 10% de esa área está sujeta a perforaciones por talik abierto. Su artículo inicialmente incluía la frase de que "la liberación de hasta 50 gigatoneladas de la cantidad prevista de almacenamiento de hidratos [es] muy posible para una liberación abrupta en cualquier momento". Una liberación a esta escala aumentaría el contenido de metano de la atmósfera del planeta en un factor de doce, [71] [72] equivalente en efecto invernadero a duplicar el nivel de CO 2 de 2008 .

Esto es lo que llevó a la hipótesis original del cañón de clatrato, y en 2008 el sistema del Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos [73] y el Programa Científico del Cambio Climático del Servicio Geológico de los Estados Unidos identificaron la posible desestabilización del clatrato en el Ártico como una de las cuatro más graves. escenarios de cambio climático abrupto, que han sido seleccionados para investigación prioritaria. La USCCSP publicó un informe a finales de diciembre de 2008 estimando la gravedad de este riesgo. [74] Un estudio de 2012 sobre los efectos de la hipótesis original, basado en un modelo acoplado de ciclo climático-carbono ( GCM ), evaluó un aumento de metano de 1000 veces (de <1 a 1000 ppmv), en un solo pulso, a partir de hidratos de metano. (basado en estimaciones de cantidad de carbono para el PETM, con ~2000 GtC), y concluyó que aumentaría las temperaturas atmosféricas en más de 6 °C en 80 años. Además, el carbono almacenado en la biosfera terrestre disminuiría en menos del 25%, lo que sugiere una situación crítica para los ecosistemas y la agricultura, especialmente en los trópicos. [75] Otra evaluación de la literatura realizada en 2012 identifica los hidratos de metano en la plataforma de los mares del Ártico oriental como un posible desencadenante. [76]

También se ha considerado el riesgo de que la actividad sísmica sea potencialmente responsable de las liberaciones masivas de metano. En 2012, las observaciones sísmicas que desestabilizaron el hidrato de metano a lo largo del talud continental del este de los Estados Unidos, tras la intrusión de corrientes oceánicas más cálidas, sugieren que los deslizamientos de tierra submarinos podrían liberar metano. La cantidad estimada de hidrato de metano en esta pendiente es de 2,5 gigatoneladas (aproximadamente el 0,2% de la cantidad necesaria para provocar el PETM ), y no está claro si el metano podría llegar a la atmósfera. Sin embargo, los autores del estudio advierten: "Es poco probable que el margen occidental del Atlántico Norte sea la única área que experimenta cambios en las corrientes oceánicas; por lo tanto, nuestra estimación de 2,5 gigatoneladas de hidrato de metano desestabilizador puede representar sólo una fracción del hidrato de metano que actualmente se desestabiliza a nivel mundial. ". [77] Bill McGuire señala: "Puede haber una amenaza de deslizamientos de tierra submarinos alrededor de los márgenes de Groenlandia , que están menos explorados. Groenlandia ya se está elevando, reduciendo la presión sobre la corteza debajo y también sobre los hidratos de metano submarinos en el sedimento alrededor sus márgenes, y una mayor actividad sísmica puede ser evidente dentro de décadas a medida que las fallas activas debajo de la capa de hielo se descarguen. Esto podría generar la posibilidad de que el terremoto o el hidrato de metano desestabilicen los sedimentos submarinos, lo que conduciría a la formación de deslizamientos submarinos y, tal vez, tsunamis. en el Atlántico Norte." [78]
Las liberaciones de metano en el Mar de Laptev normalmente son consumidas dentro del sedimento por los metanótrofos . Las áreas con alta sedimentación (arriba) someten a sus comunidades microbianas a perturbaciones continuas, por lo que son las más propensas a ver flujos activos, ya sea con (derecha) o sin flujo ascendente activo (izquierda). Aun así, la liberación anual puede limitarse a 1.000 toneladas o menos. [79]

Las investigaciones realizadas en 2008 en el Ártico siberiano mostraron liberaciones de metano en una escala anual de millones de toneladas, lo que representó un aumento sustancial con respecto a la estimación anterior de 0,5 millones de toneladas por año. [80] aparentemente a través de perforaciones en el permafrost del fondo marino, [70] con concentraciones en algunas regiones que alcanzan hasta 100 veces los niveles normales. [81] [82] El exceso de metano se ha detectado en puntos críticos localizados en la desembocadura del río Lena y en la frontera entre el mar de Laptev y el mar de Siberia Oriental . En ese momento, se pensaba que parte del derretimiento era resultado del calentamiento geológico, pero se creía que un mayor deshielo se debía al gran aumento en los volúmenes de agua de deshielo que se descargaban de los ríos siberianos que fluyen hacia el norte. [83]

En 2013, el mismo equipo de investigadores utilizó múltiples observaciones de sonar para cuantificar la densidad de las burbujas que emanaban del permafrost submarino hacia el océano (un proceso llamado ebullición) y descubrió que diariamente se emiten entre 100 y 630 mg de metano por metro cuadrado a lo largo del este de Siberia. Plataforma Ártica (ESAS), en la columna de agua. También descubrieron que durante las tormentas, cuando el viento acelera el intercambio de gases entre el aire y el mar, los niveles de metano en la columna de agua caen drásticamente. Las observaciones sugieren que la liberación de metano del permafrost del fondo marino progresará lentamente, en lugar de abruptamente. Sin embargo, los ciclones árticos, alimentados por el calentamiento global , y una mayor acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera podrían contribuir a una liberación más rápida de metano de esta fuente. En total, su estimación actualizada ascendía ahora a 17 millones de toneladas por año. [84]

Sin embargo, estos hallazgos pronto fueron cuestionados, ya que esta tasa de liberación anual significaría que el ESAS por sí solo representaría entre el 28% y el 75% de las emisiones de metano observadas en el Ártico, lo que contradice muchos otros estudios. En enero de 2020, se descubrió que la velocidad a la que el metano ingresa a la atmósfera después de haber sido liberado de los depósitos de la plataforma a la columna de agua se había sobreestimado en gran medida, y las observaciones de los flujos de metano atmosférico tomadas durante múltiples cruceros de barcos en el Ártico indican en cambio que la ESAS sólo emite alrededor de 3,02 millones de toneladas de metano al año. [85] Un estudio de modelado publicado en 2020 sugirió que, en las condiciones actuales, la liberación anual de metano de la ESAS puede ser tan baja como 1000 toneladas, de las cuales 2,6 a 4,5 millones de toneladas representan el potencial máximo de emisiones turbulentas de la plataforma. [79]

Hong et al. 2017 estudió la filtración de metano en los mares árticos poco profundos en el mar de Barents, cerca de Svalbard . La temperatura en el fondo marino ha fluctuado estacionalmente durante el último siglo, entre -1,8 °C (28,8 °F) y 4,8 °C (40,6 °F), solo ha afectado la liberación de metano a una profundidad de aproximadamente 1,6 metros en el sedimento. interfaz de agua. Los hidratos pueden ser estables en los 60 metros superiores de los sedimentos y las liberaciones observadas actualmente se originan en zonas más profundas del fondo marino. Concluyen que el aumento del flujo de metano comenzó hace cientos o miles de años, señalando al respecto, "...ventilación episódica de depósitos profundos en lugar de disociación de hidratos de gas inducida por el calentamiento". [86] Resumiendo su investigación, Hong afirmó:

Los resultados de nuestro estudio indican que las inmensas filtraciones encontradas en esta área son el resultado del estado natural del sistema. Comprender cómo interactúa el metano con otros procesos geológicos, químicos y biológicos importantes en el sistema terrestre es esencial y debería ser el énfasis de nuestra comunidad científica. [87]

Las emisiones de metano atribuidas específicamente a la disociación de hidratos en Svalbard parecen ser mucho menores que las fugas de otras fuentes de metano. [88]

La investigación de Klaus Wallmann et al. 2018 concluyó que la disociación de hidratos en Svalbard hace 8.000 años se debió a un rebote isostático (levantamiento continental después de la deglaciación ). Como resultado, la profundidad del agua se hizo menos profunda con menos presión hidrostática, sin mayor calentamiento. El estudio también encontró que los depósitos actuales en el sitio se vuelven inestables a una profundidad de ~ 400 metros, debido al calentamiento estacional del agua del fondo, y aún no está claro si esto se debe a la variabilidad natural o al calentamiento antropogénico. [88] Además, otro artículo publicado en 2017 encontró que solo el 0,07% del metano liberado por la disociación del hidrato de gas en Svalbard parece llegar a la atmósfera y, por lo general, solo cuando la velocidad del viento era baja. [89] En 2020, un estudio posterior confirmó que solo una pequeña fracción del metano de las filtraciones de Svalbard llega a la atmósfera, y que la velocidad del viento tiene una mayor influencia en la tasa de liberación que la concentración de metano disuelto en el sitio. [90]

Finalmente, un artículo publicado en 2017 indicó que las emisiones de metano de al menos un campo de filtración en Svalbard fueron más que compensadas por la mayor absorción de dióxido de carbono debido al gran aumento de la actividad del fitoplancton en esta agua rica en nutrientes. La cantidad diaria de dióxido de carbono absorbida por el fitoplancton fue 1.900 veces mayor que la cantidad de metano emitido, y el forzamiento radiativo negativo (es decir, de enfriamiento indirecto) procedente de la absorción de CO 2 fue hasta 251 veces mayor que el calentamiento provocado por la liberación de metano. [91]
En 2018, un artículo de perspectiva dedicado a los puntos de inflexión en el sistema climático sugirió que la contribución al cambio climático de los hidratos de metano sería "insignificante" para finales de siglo, pero podría ascender a 0,4-0,5 °C (0,72-0,90 °F). ) en las escalas de tiempo milenarias. [92] En 2021, el Sexto Informe de Evaluación del IPCC ya no incluyó los hidratos de metano en la lista de posibles puntos de inflexión y dice que "es muy poco probable que las emisiones de CH4 de los clatratos calienten sustancialmente el sistema climático durante los próximos siglos". [93] El informe también había vinculado los depósitos de hidratos terrestres con cráteres de emisión de gas descubiertos en la península de Yamal en Siberia , Rusia, a partir de julio de 2014, [94] pero señaló que dado que los hidratos de gas terrestres se forman predominantemente a una profundidad inferior a 200 metros, una cantidad sustancial Se puede descartar una respuesta en los próximos siglos. [93] Asimismo, una evaluación de 2022 de los puntos de inflexión describió los hidratos de metano como una "retroalimentación sin umbral" en lugar de un punto de inflexión. [95] [96]

Hidratos de gas natural para almacenamiento y transporte de gas.

Dado que los clatratos de metano son estables a una temperatura más alta que el gas natural licuado (GNL) (-20 frente a -162 °C), existe cierto interés en convertir el gas natural en clatratos (gas natural solidificado o SNG) en lugar de licuarlo al transportarlo. por buques marítimos . Una ventaja significativa sería que la producción de hidrato de gas natural (NGH) a partir de gas natural en la terminal requeriría una planta de refrigeración más pequeña y menos energía que el GNL. Para compensar esto, por 100 toneladas de metano transportadas, habría que transportar 750 toneladas de hidrato de metano; Dado que esto requeriría un barco de desplazamiento 7,5 veces mayor, o requeriría más barcos, es poco probable que resulte económicamente viable. [ cita necesaria ] . Recientemente, el hidrato de metano ha recibido un interés considerable para aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala debido a las condiciones de almacenamiento muy suaves con la inclusión de tetrahidrofurano (THF) como co-invitado. [97] [98] Con la inclusión de tetrahidrofurano , aunque hay una ligera reducción en la capacidad de almacenamiento de gas, se ha demostrado que los hidratos son estables durante varios meses en un estudio reciente a -2 °C y presión atmosférica. [99] Un estudio reciente ha demostrado que el SNG se puede formar directamente con agua de mar en lugar de agua pura en combinación con THF. [100]

Ver también

Notas

  1. ^ La composición promedio de hidrato de clatrato de metano es 1 mol de metano por cada 5,75 moles de agua. La densidad observada es de alrededor de 0,9 g/cm 3 . [15] Para un mol de metano, que tiene una masa molar de aproximadamente 16,043 g (ver Metano ), tenemos 5,75 moles de agua, con una masa molar de aproximadamente 18,015 g (ver Propiedades del agua ), así que juntos por cada mol de metano el complejo clatrato tiene una masa de 16,043 g + 5,75 × 18,015 g ≈ 119,631 g. La contribución fraccionaria del metano a la masa es entonces igual a 16,043 g / 119,631 g ≈ 0,1341. La densidad es de aproximadamente 0,9 g/cm 3 , por lo que un litro de clatrato de metano tiene una masa de aproximadamente 0,9 kg, y la masa del metano contenido en él es aproximadamente 0,1341 × 0,9 kg ≈ 0,1207 kg. Con una densidad como gas de 0,716 kg/m 3 (a 0 °C; consulte el cuadro de información en Metano ), esto equivale a un volumen de 0,1207 / 0,716 m 3 = 0,1686 m 3 = 168,6 L.

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