Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 217

Metanové klatráty – potenciální zdroj energie i rizika

Metanový klatrát je tvořen molekulami metanu, které jsou zachyceny v ledových krystalech. Vypadá jako špinavý led a má konzistenci ovocné zmrzliny. Pokud se ho dotknete zapálenou sirkou, hoří. Zmínka o něm pochází z konce 70. let minulého století a je spojena se záhadou, se kterou se setkali sovětští těžaři zemního plynu.

Fotogalerie (3)
Bublinky metanu stoupající z mořského dna

V západosibiřském plynovém poli v oblasti Mesojacha za polárním kruhem byla v roce 1970 v oblasti věčného ledu zahájena těžba zemního plynu. Plyn byl přes tundru přepravován na východ do velkého metalurgického kombinátu v Norilsku. Koncem 70. let se zdálo, že bude třeba těžbu zastavit, protože z ložiska byl podle geologického průzkumu vytěžen téměř veškerý metan. Navzdory odhadům však bylo plynu stále dost a těží se dodnes. Geologové se zpočátku domnívali, že metan uniká z jiného, hlubšího ložiska, ale nakonec zjistili, že metan proniká do vrtů z permafrostu (trvale promrzlá půda) nad ložiskem. Poprvé se tak podařilo využít metanové klatráty (methane clathrate) /1/.

Odpověď na energetickou krizi
Metanové klatráty rychle získávají popularitu jako odpověď na energetickou krizi a možný prostředek ke snižování emisí CO2. Při spalování metanu se uvolňuje ve srovnání se spalováním uhlí pouze poloviční množství emisí CO2 a mnohé země zde vidí rychlý a snadný způsob snižování emisí CO2. Jiné země ale namítají, zda je to moudré. Obávají se, že by při těžbě metanových klatrátů (hydrátů) mohly vznikat nepředvídatelné a velmi nebezpečné vedlejší účinky. Výzkum v posledních dvou desetiletích ukázal, že by energie získaná z ledu permafrostu a pod mořem mohla zásobovat svět po řadu následujících staletí a soupeřit tak s uhlím, ropou a zemním plynem. Ropné a plynové společnosti s průzkumem příliš nepospíchaly – domnívaly se, že metanové klatráty jsou nespolehlivé a neekonomické. Podle Raye Boswella z ministerstva energetiky USA se však situace mění a studie proveditelnosti ukazují, že komerční těžba metanových klatrátů bude zcela reálná během deseti let.

Ještě před několika lety nikdo o metanových klatrátech jako o energetickém zdroji neuvažoval. Nyní se jim věnuje mimořádná pozornost například v USA, Kanadě, Číně, Norsku, Japonsku a v Jižní Koreji /1/.

Kde se metanové klatráty berou?
Příběh metanových klatrátů začíná zahníváním rostlin //asi pohřbených v bahně, ne?//, při jejichž rozkladu vzniká metan. Ten proniká porézními horninami do podzemí. Při vhodné teplotě okolo nula stupňů Celsia a tlaku přibližně 50 atmosfér vznikají ledové krystaly, které metan zachycují. Takové podmínky existují v premafrostu a pod ním a také v hloubce 200 až 400 metrů pod mořským dnem kontinentálních šelfů. Klatráty byly ale objeveny i na mořském dně.

Do nedávné doby jejich ložiska unikala pozornosti energetických společností. Při vrtání konvenčních zásob ropy a zemního plynu technici občas na klatráty naráželi, ale považovali je spíše za přítěž, protože způsobovaly výbuchy a ucpávaly potrubí. Dnes jsou klatráty považovány za potenciální zlaté doly a jsou předmětem průzkumu uskutečňovaného jednotlivými zeměmi a energetickými společnostmi /1/.

V roce 2004 objevili němečtí a čínští odborníci metan unikající z mořského dna v Jihočínském moři u pobřeží Tchaj-vanu a v roce 2006 indičtí výzkumníci narazili na vrstvu metanových klatrátů o tloušťce 130 m u pobřeží v oblasti Krišna-Godavari.

V roce 2007 průzkum na Aljašce zjistil, že zde existují zásoby klatrátů v rozsahu 0,7 až 4,4 trilionů m3. Nižší odhad těchto zásob by stačil zásobovat 100 milionů domů po dobu deseti let. Celosvětové zásoby metanových klatrátů se odhadují na 3 triliony tun, což je více, než dnes činí veškeré zásoby fosilních paliv. Pokud by se zemní plyn spotřebovával současným tempem, stačily by uvedené zásoby zásobovat svět po dobu asi tisíce let /1/. 

Jak se těží
Do nedávné doby existovaly dvě metody těžby metanu z klatrátů. První představuje vrt do ložiska, který má snížit tlak a oddělit tak metan z klatrátů a jeho odčerpání do vrtu. Druhou metodou je zahřívání klatrátů a uvolnění metanu z ledové matrice. V roce 2002 kanadští, američtí, japonští a indičtí vědci obě metody úspěšně vyzkoušeli v kanadské arktické oblasti v deltě řeky Mackenzie v lokalitě Mallik. Potvrdilo se, že metoda snižování tlaku je atraktivnější, protože při metodě zahřívání spotřeba energie dosahuje, někdy dokonce převyšuje energii získanou spalováním metanu.

Reálnost metody vrtání byla potvrzena v březnu 2008, když se v lokalitě Mallik podařilo během šesti dnů získat z hloubky jednoho kilometru 20 000 m3 metanu. Uvedenou metodu rovněž vyzkoušeli v Jižní Koreji v oblasti Ulleung v Japonském moři. Produkce metanu by zde měla být zahájena již v roce 2015. Zdejší zásoby metanu by mohly krýt jihokorejskou potřebu po dobu 30 let. Jihovýchodně od ostrova Honšú (oblast příkopu Nankai) bylo objeveno ložisko metanových klatrátů v množství 50 trilionů m3, což by stačilo zásobovat Japonsko po dobu mnoha staletí. V březnu 2008 se japonská vláda zavázala zahájit těžbu do roku 2016 /1/. 

Existuje bezpečná těžba metanových hydrátů?
Názory, jestli těžba klatrátů přináší rizika nebo jestli je naopak nebezpečí zbytečně nafukováno, se různí. Existuje vůbec bezpečná těžba metanových hydrátů? Dala by se využít skutečnost, že i jiné plyny vytvářejí klatráty. Ty by pak bylo možné injektovat do ledových krystalů a vytlačovat z nich metan. Pro tyto účely by mohl sloužit oxid uhličitý. Jeho výsledné krystaly by mohly být ještě stabilnější než klatráty metanu. Uvedenou metodou těžby se zabývá norský vědec //nikde zmíněn nebyl, uvést jméno!// z univerzity v Bergenu. V laboratorním měřítku ji demonstroval ve spolupráci se společností Conoco Philips se sídlem v texaském Houstonu. Metan byl v tomto případě vytěsněn z umělých klatrátových krystalů oxidem uhličitým, přičemž výměna byla rychlá a nepoškodila strukturu klatrátů. Ukázalo se, že je to zatím nejbezpečnější metoda získávání metanu. Náhrada metanu oxidem uhličitým má zvýšit stabilitu sedimentů a udržet klatráty v jejich pevném stavu. Společnost Conoco Philips plánuje uskutečnit experiment, v jehož rámci má být do vrtu v ložisku metanových klatrátů vháněn zkapalněný oxid uhličitý. Pokud vše půjde dobře, CO2 vyplní klatrátové krystaly a vytěsněný metan bude odčerpán na povrch. Struktura klatrátů se pak bude chovat jako úložiště CO2 /1/. 

Problém jménem CO2
Zdá se, že využívání metanových hydrátů je již za dveřmi, přinejmenším v Asii. Otázka zní, zda je žádoucí otevírat nové zásoby fosilních paliv v době, kdy se svět zavazuje budovat ekonomiku na bázi nízkých emisí uhlíku. Spalování metanu sice produkuje menší množství CO2 než spalování uhlí, ale kdyby došlo k jeho únikům do atmosféry, mohl by situaci v oblasti globálního oteplování výrazně zhoršit, protože je silnější skleníkový plyn než CO2. Rostoucí teplota moří by navíc mohla vést až k tání některých podmořských zásob metanových klatrátů, aniž by je narušovala samotná těžba. Jako příklad může sloužit jejich mizení při pobřeží Kalifornie, kdy se před deseti lety zvýšila teplota oceánu působením hurikánu El Niňo o 1 stupeň Celsia. Obavy ale plynou i z toho, že při odčerpávání plynu tlak naruší sousední krystaly klatrátů a v důsledku toho by mohla nastat nekontrolovatelná řetězová reakce – vystřelování metanu, které by se kaskádovitým způsobem šířilo podmořskými zásobami s následnými sesuvy půdy a vlnami tsunami.

Podle Geir Erslanda z univerzity v Bergenu by těžba metanových klatrátů zvýšila riziko velkých kolapsů s katastrofálními následky. K takovému kolapsu došlo údajně před 8 000 lety v oblasti Storegga v západní části Norska. Byl zde zaznamenán velký sesuv hornin a sedimentů o objemu 3 500 km3 s následným vznikem tsunami srovnatelné s vlnou z konce roku 2004 v jihovýchodní Asii. Ukázalo se, že pokleslá oblast obsahovala metanové klatráty. Nesčetný počet trhlin a obrovské díry na mořském dně naznačují, že zde muselo dojít k výbuchu miliard tun metanu. Ohromný sesuv půdy ve Storegga není jedinou katastrofou tohoto druhu. Dno oceánu mezi Storegga a Svalbardem je plné velkých děr, které mohly být způsobeny podobnými sesuvy půdy iniciovanými klatráty metanu. //poslední větu škrtám, protože logicky nevyplývá z předchozího odstavce.//

Problém s oteplováním
Zatímco svět diskutuje nad rozsahem a účinky změn klimatu, ze dna Arktického oceánu potichu probublává metan. Je to poprvé, kdy bylo zjištěno, že oceán uvolňuje velké množství tohoto skleníkového plynu. Objev opět rozvířil obavy z toho, že uvolňování miliard tun metanu z pod dna oceánu by mohlo iniciovat překotnou změnu klimatu. Potíž je v tom, že nikdo dosud neví, zda arktické emise metanu jsou něčím novým, co má spojitost s globálním oteplováním. Natálie Shakova z aljašské univerzity ve Fairbanks se svými spolupracovníky odebrala na 5 000 vzorků mořské vody z východosibiřského arktického šelfu a měřila úroveň metanu z různých hloubek. Tým odhalil přes 100 míst, z nichž metan unikal z permafrostu mořského dna. Většina vody měla koncentrace metanu osmkrát větší než je jeho normální obsah v Arktickém oceánu. Bylo vypočítáno, že ze sledované oblasti uniká ročně 7 milionů tun metanu. S postupným oteplováním Arktického oceánu by mohlo být uvolňováno metanu stále více. Podle názoru Natálie Shakové by mohl podíl metanu obsažený v ledovém šelfu způsobit náhlou změnu klimatu, pokud by se dostal do atmosféry. Zatím není známo, zda úniky jsou trvalého charakteru nebo začátkem většího úniku metanu /3/. Probublávání plynů, zejména metanu, bylo rovněž zjištěno ve více než 250 případech v moři západně od norského souostroví Svalbard. Za posledních 30 let se západní špicberský proud oteplil o 1 stupeň Celsia, což může být příčinou vzniku těchto vleček plynů. Zatím však žádná z nich nedosáhla mořské hladiny. I když zde žádný metan nepronikl do atmosféry, určité množství  plynu se při průchodu vzhůru přeměnilo na rozpuštěný CO2 a okolní vodu okyselilo /4/. Tání ledu v Arktidě přináší pro tento region další riziko, protože usnadní přístup po moři k velkým zásobám ropy a zemního plynu, na jejichž těžbu již netrpělivě čekají ropné a plynové společnosti.

Časovaná bomba ve Rwandě
Ukrývá se pod třpytivými vodami jezera Kivu ve Rwandě na její severozápadní hranici s Demokratickou republikou Kongo. Představuje ji metan. Zlatá horečka, jejímž cílem je získávání metanu rozpuštěného v jezerních vodách v hloubce až 500 m, by totiž mohla iniciovat výbuchy metanu, které by ohrozily 2 miliony obyvatel žijících kolem jezera. Četné společnosti zde těží metan a používají ho k výrobě elektřiny a vlády Rwandy a Demokratické republiky Kongo lákají další investory, aby rozšířili počet těžebních zařízení. Skupina biochemiků nyní varuje, že neřízená těžba by mohla vést ke katastrofálnímu úniku oxidu uhličitého, který je rovněž obsažen ve velkém množství v hlubinách jezera.

K tragickému úniku CO2 již došlo v roce 1986 v kamerunském jezeru Nyos, při kterém zahynulo 1 700 lidí. Přitom jezero Kivu obsahuje 300krát více CO2 než jezero Nyos. Podobně jako jezero Nyos se i jezero Kivu skládá z několika vodních vrstev: spodní vody obsahující CO2, metan, soli a živiny jsou odděleny pod povrchem vrstvou sladké vody. Metan ve spodní vrstvě vzniká působením bakterií, které se živí odumřelými řasami padajícími z povrchových vod na dno jezera. CO2 sem proniká vulkanickými průduchy.

Rwandská vláda vybudovala na jezeře závod na těžbu metanu a dvě společnosti provozují pilotní zařízení. V plánu je vybudování dalších dvou těžebních závodů. Cílem vlády je zvýšit počet obyvatel zásobovaných elektřinou do roku 2012 z dnešních 6 na 16 %. Výzkumníci ze švýcarského institutu vodních věd a technologií (EAWAG) a z dalších organizací varují, že pokud se těžba metanu v blízké budoucnosti velmi rozšíří, mohla by současná praxe iniciovat katastrofální výbuch. Jedno z nebezpečí spočívá v tom, že odpadní vody bohaté na živiny jsou odváděny do mělkých vod jezera, kde přispívají k růstu řas, které odumírají a klesají ke dnu, kde jsou surovinou pro vznik metanu. Míchání vod by mohlo narušit hustotu vodních vrstev jezera a mohlo by k povrchu přivést vodu bohatou na CO2. Nižší tlak by vedl k probublávání CO2 z roztoku. Proto by odpadní vody měly být odváděny do hloubky větší než 270 metrů. Naneštěstí ale ekonomické pobídky pro společnosti dávají přednost odvádění odpadních vod do mělkých zón. Jestliže aktivity společností povedou k únikům plynů, bude se jednat o zločin proti lidskosti, uvedl Finn Hirslund z dánské ekologické a inženýrské poradenské společnosti COWI. Oficiální rwandští činitelé tvrdí, že u nových projektů posílí regulaci zahraničních společností tak, aby se případným rizikům /5/ zamezilo.

Prameny:
/1/ Fred Pearce: Ice on Fire. New Scientist, 2009, č. 2714, s. 30 - 33
/2/ New Scientist, 2009, č. 2720, s. 15
/3/ New Scientist, 2010, č. 2751, s. 6
/4/ New Scientist, 2009, č. 2722, s. 4
/5/ New Scientist, 2009, č. 2725, s. 14



Šance
Metanové klatráty nabízejí netušené možnosti. Spalování fosilních paliv, zejména uhlí a zemního plynu, bude dříve nebo později přijatelné pouze tehdy, bude-li zachycen a uložen CO2. V současné době se zkoumají praktické systémy pro záchyt a podzemní skladování miliard tun CO2 ročně. Složitá infrastruktura vyžadovaná k likvidaci CO2 může vést k tomu, že spalování fosilních paliv bude neekonomické ve srovnání s alternativami, kterými jsou větrná, sluneční nebo jaderná energie. Likvidace CO2 do podzemních prostorů vrty, kterými se získává i metan, by mohla být částečnou odpovědí na očekávanou energetickou krizi. Přílišný optimismus není ale namístě.



Varovné signály
Případnou těžbu metanu budou ovlivňovat některé jevy souvisící například s hořením tundry, oteplováním arktického oceánu, uvolňováním metanu z mořského dna, jezer, atd. Například události v Arktidě jsou předzvěstí špatných zpráv pro globální klima, a to jak na pevnině, tak na moři. Led zde mizí a tání věčně zmrzlého ledu hrozí úniky metanu. Hrozí rovněž požáry na velkých plochách tundry. V případě, že se tak stane, začne unikat CO2 mnohem rychleji, než ho tundra stačí pohlcovat. Výzkumníci z biologické laboratoře ve Woods Hole ve státě Massachussets umístili senzory na území o ploše 1 000 km2 v oblasti pohoří Brooks na severu Aljašky, kde v roce 2007 zuřily  požáry. Zjistili, že v následujících letech nejhůře postižené oblasti emitují dvakrát více uhlíku, než kolik ho tundra normálně ukládá. Odhaduje se, že při samotném požáru se uvolnilo na 1,3 miliardy tun CO2. Navíc, spálená tundra absorbovala o 71 % více slunečního záření, než je obvyklé, což vedlo k tání 5 až 10 cm vrstvy permafrostu. Výzkumníci varují, že takové požáry budou stále horší. Tundra hoří jen tehdy, když jsou překročeny určité limity. Suché podmínky, více bouřek a tepelné znečištění v následujícím století  povedou pravděpodobně k podobným jevům stále častěji.

Václav Vaněk
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Co s bateriemi?

Minulý týden jsme oslavili Mezinárodní den baterií. Spojujeme dva příspěvky - jeden domácí a jeden zahraniční, abychom také trochu přispěli k osvětě kolem baterií a akumulátorů. V první polovině roku 2019 se ve světě prodalo více než jeden milion elektromobilů, ...

Max Born - teoretik a filozof kvantové mechaniky

S obdobím rozkvětu atomové fyziky ve dvacátých letech minulého století na proslulé univerzitě v německém dolnosaském městě Göttingenu (Georg-August-Universität) je významně spjato jméno německo-britského matematika a fyzika židovského původu Maxe Borna, ...

Kufřík matematických záhad

Historie matematiky se klene přes celá tisíciletí, učí se ji a používají lidé na celé planetě. Nezabránil tomu ani Codex Justinianus, sbírka všech zákonů a nařízení východořímského císaře Justiciána I, podle kterého „Zavrženíhodné umění matematické jest zakázáno především“.

Studenti postavili trikoptéru připomínající vosu

Měří jen 40 centimetrů, ale rozhodně ji nepřehlédnete. Trikoptéru Elektra, kterou na českobudějovické Vysoké škole technické a ekonomické (VŠTE) postavili studenti Jan Večerek a Tomáš Szendrei, pohánějí tři opravdu velmi hlasité rotory.

Bohatá diagnostika tokamaku ITER

Jak se obsluha tokamaku dozví, co se děje uvnitř vakuové komory v plazmatu? Prostředníkem mezi plazmatem a obsluhou budou, jako v každém tokamaku, nejrůznější diagnostiky. Vyhodnocovací zařízení obsadilo celé levé křídlo Trojbudoví (Tokamak Complex).

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail