Clatrato de metano
Compuesto reticular de metano y agua
"Hielo ardiendo". El metano, liberado por el calor, arde; el agua gotea.
Recuadro: estructura de clatrato (Universidad de Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).
Fuente: United States Geological Survey .

El clatrato de metano (CH 4 · 5,75 H 2 O) o (4CH 4 · 23 H 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 hidrato de clatrato ) en el que una gran cantidad de metano está atrapada dentro de una estructura cristalina de agua, formando un sólido similar al hielo . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Originalmente se pensaba que solo se producía en las regiones exteriores del Sistema Solar , donde las temperaturas son bajas y el hielo de agua es común, pero se han encontrado importantes depósitos de clatrato de metano bajo sedimentos en los fondos oceánicos de la Tierra (aproximadamente a 1100 m por debajo del nivel del mar). [7] El hidrato de metano se forma cuando el agua unida por 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 la precipitación o cristalización del metano que migra desde las profundidades a lo largo de fallas geológicas . La precipitación ocurre cuando el metano entra en contacto con el agua dentro del lecho marino sujeto a temperatura y presión. En 2008, la investigación sobre la estación antártica Vostok y los núcleos de hielo EPICA Dome C reveló que los clatratos de metano también estaban presentes en los núcleos de hielo antártico profundo y registran un historial de concentraciones atmosféricas de metano , que datan de hace 800.000 años. [8] El registro de clatratos de metano del núcleo de hielo es una fuente primaria 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 catastrófico y la descomposición de hidratos principalmente submarinos, lo que lleva a una liberación masiva de metano y acelera el calentamiento. La investigación actual muestra 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] Algunas filtraciones activas, en cambio, actúan como un sumidero de carbono menor , porque con la mayoría del metano disuelto bajo el agua y fomentando 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] A lo largo de varios milenios, aún 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 del 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 un 13,4% de metano en masa, aunque la composición real depende de cuántas moléculas de metano quepan en las diversas estructuras de jaula 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 en la superficie del mar o de un lago a menos que esté unido en su lugar al formarse en el sedimento o anclarse en él. [15] Por lo tanto, un litro de sólido de clatrato de metano completamente saturado contendría alrededor de 120 gramos de metano (o alrededor de 169 litros de gas metano a 0 °C y 1 atm), [nb 1] o un metro cúbico de clatrato de metano libera alrededor de 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 celda unitaria. (Debido a que las moléculas de agua se comparten entre las jaulas, solo hay 46 moléculas de agua por celda unitaria). 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 requerida ] 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 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, el hidrato se forma 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 confirmados o inferidos que contienen hidratos de gas en alta mar, 1996.
Fuente: USGS
Sedimentos que contienen hidratos de gas, de la zona de subducción frente a la costa de Oregón
Estructura específica de un trozo de hidrato de gas, de la zona de subducción frente a la costa de Oregón

Los clatratos de metano están restringidos a la litosfera superficial (es decir, < 2000 m de profundidad). Además, las condiciones necesarias solo 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 de agua mayores de 300 m donde la temperatura del agua del fondo es de alrededor de 2 °C. Además, los lagos de agua dulce profundos también pueden albergar hidratos de gas, por ejemplo, el lago de agua dulce Baikal , 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 . Pueden cubrir depósitos incluso más grandes de metano gaseoso. [19]

Oceánico

El hidrato de metano puede presentarse en diversas formas, como masivo, disperso en espacios porosos, nódulos, vetas/fracturas/fallas y horizontes estratificados. [20] Generalmente, se encuentra inestable en condiciones estándar de presión y temperatura, y 1 m 3 de hidrato de metano tras la disociación produce alrededor de 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 un clatrato de estructura I y generalmente se encuentra 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 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 las aguas de formación salinas, 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 poro del que se forman. Por lo tanto, exhiben una alta resistividad eléctrica como el hielo, y los sedimentos que contienen hidratos tienen una resistividad más alta que los sedimentos sin hidratos de gas (Judge [67]). [24] : 9 

Estos depósitos se encuentran dentro de una zona de profundidad media de alrededor de 300–500 m de espesor en los sedimentos (la zona de estabilidad de hidratos de gas , o GHSZ) donde coexisten con metano disuelto en las aguas intersticiales dulces, no saladas. Por encima de esta zona, el metano solo está presente en su forma disuelta en concentraciones que disminuyen hacia la superficie del sedimento. Por debajo de ella, el metano es gaseoso. En Blake Ridge en la vertiente 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 aproximadamente el 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 ha migrado hacia arriba desde sedimentos profundos, donde el metano se formó por descomposición térmica de materia orgánica . Se han encontrado ejemplos de este tipo de depósito 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 ambos.

El metano presente en los hidratos de gas se genera predominantemente por consorcios microbianos que degradan la materia orgánica en ambientes con poco oxígeno, y el propio metano lo producen las arqueas metanogénicas . La materia orgánica de los primeros centímetros de los sedimentos es atacada primero por bacterias aeróbicas, que generan CO2 , que escapa de los sedimentos hacia la columna de agua . Por 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 en los sedimentos más rápido de lo que se agota el oxígeno, por lo que no se utilizan aceptores de electrones de menor energía. Pero donde las tasas de sedimentación y el contenido de carbono orgánico son altos, lo que suele ser el caso en las plataformas continentales y debajo de las zonas de afloramiento de la corriente límite occidental, el agua intersticial en los sedimentos se vuelve anóxica a profundidades de solo unos pocos centímetros o menos. En tales sedimentos marinos 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. Por debajo de esto, se produce metano. Esta producción de metano es un proceso bastante complicado, que requiere un entorno altamente reductor (Eh −350 a −450 mV) y un pH entre 6 y 8, así como un complejo sintrófico , consorcio de diferentes variedades de arqueas y bacterias. Sin embargo, en realidad sólo las arqueas emiten metano.

En algunas regiones (por ejemplo, el Golfo de México, la Cuenca de Joetsu), el metano en los clatratos puede derivar al menos parcialmente de la degradación térmica de la materia orgánica (por ejemplo, la generación de petróleo), y el petróleo incluso forma un componente exótico dentro del propio hidrato que se puede recuperar cuando el hidrato se disocia. [27] [28] [ cita requerida ] El metano en los clatratos normalmente tiene una firma isotópica biogénica y un δ 13 C altamente variable (−40 a −100‰), con un promedio aproximado de alrededor de −65‰. [29] [ cita requerida ] [30] [31] [32] Por 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 simulador de fondo" (BSR), que es una reflexión sísmica en la interfaz de la zona de estabilidad del sedimento con el clatrato causada por las densidades desiguales de los sedimentos normales y aquellos mezclados con clatratos.

Se han descubierto pingos de hidratos de gas en el mar de Barents, en el océano Ártico. 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 depósito de clatrato de metano oceánico es poco conocido, y las estimaciones de su tamaño disminuyeron aproximadamente 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 el supuesto de que los clatratos completamente densos podrían cubrir todo el fondo del océano profundo. Las mejoras en nuestra comprensión de la química y sedimentología de los clatratos han revelado que los hidratos se forman solo en un rango estrecho de profundidades ( plataformas continentales ), en solo algunas ubicaciones en el rango de profundidades donde podrían ocurrir (10-30% de la zona de estabilidad de hidratos de gas ), y típicamente se encuentran en bajas concentraciones (0,9-1,5% 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 alrededor de 400 Gt C en el Ártico, [39] [ cita requerida ] pero no se han hecho estimaciones de posibles reservorios antárticos. Estas son grandes cantidades. En comparación, el carbono total en la atmósfera es de alrededor de 800 gigatoneladas (ver Carbono: Presencia ).

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). Las menores abundancias de clatratos no descartan su potencial económico, pero un menor volumen total y una concentración aparentemente baja en la mayoría de los sitios [36] sí sugieren que solo un porcentaje limitado de depósitos de clatratos pueden proporcionar un recurso económicamente viable.

Continental

Los clatratos de metano en rocas continentales quedan atrapados en lechos de arenisca o limolita a profundidades inferiores a 800 m. Los muestreos indican que se forman a partir de una mezcla de gas de origen térmico y microbiano del que posteriormente se eliminaron selectivamente los hidrocarburos más pesados. Se encuentran 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 yacimiento 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 calentamiento, lo que requirió significativamente menos energía. [41] El yacimiento de hidratos de gas de Mallik fue descubierto por primera vez por Imperial Oil en 1971-1972. [42]

Uso comercial

Los depósitos económicos de hidratos se denominan hidratos 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 lecho marino (95 %), donde existe en equilibrio termodinámico. El depósito sedimentario de hidratos de metano probablemente contiene entre 2 y 10 veces las reservas actualmente conocidas de gas natural convencional , a partir de 2013. [actualizar][ 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 CO2 en hidratos e invertir el proceso; extrayendo así CH4 por intercambio directo. [46] El método de la Universidad de Bergen está siendo probado en campo por ConocoPhillips y la estatal Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC), y financiado parcialmente por el Departamento de Energía de los EE. UU. El proyecto ya ha llegado a 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 de 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, el gas se recogió y se transportó por tuberías a la superficie, donde se encendió para demostrar su presencia. [49] Según un portavoz de la industria, "fue el primer experimento en alta mar del mundo para producir gas a partir de hidrato de metano". [48] Anteriormente, se había extraído gas de depósitos terrestres, pero nunca de depósitos en alta mar, 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 la fosa de Nankai , a 300 metros (980 pies) bajo el mar. [48] [49] Un portavoz de JOGMEC comentó que "Japón finalmente podría tener una fuente de energía 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 que la tecnología sea económicamente viable". [49] Japón estima que hay al menos 1,1 billones de metros cúbicos de metano atrapados en la fosa 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 minería 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, estuvo de acuerdo: "En comparación con los resultados que hemos visto de la investigación japonesa, los científicos chinos han logrado extraer mucho más gas en sus esfuerzos". [50] El consenso de la industria es que la producción a escala comercial aún está a años de distancia. [51]

Preocupaciones medioambientales

Los expertos advierten que aún se están investigando los impactos ambientales y que el metano (un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global durante un período de 20 [52] años (GWP100) aproximadamente 86 veces mayor que el dióxido de carbono) podría escapar a la atmósfera si algo sale mal. [53] Además, si bien es más limpio que el carbón, la quema de gas natural también crea emisiones de dióxido de carbono. [54] [55] [56]

Hidratos en el procesamiento del gas natural

Operaciones de rutina

Los clatratos de metano (hidratos) 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. Por lo general, se eliminan reduciendo la presión, calentándolos o disolviéndolos por medios químicos (el metanol es el que se utiliza habitualmente). 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 desde el hidrato sólido hasta la liberación de agua y metano gaseoso a un ritmo elevado cuando se reduce la presión. La rápida liberación de gas metano en un sistema cerrado puede dar lugar a un rápido aumento de la presión. [15]

En general, es preferible evitar que se formen hidratos o que bloqueen el equipo. Esto se logra comúnmente eliminando el 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 los inhibidores cinéticos de hidratos (que aumentan el subenfriamiento necesario que requieren los hidratos para formarse, a expensas de una mayor tasa de formación de hidratos) y los antiaglomerantes, que no evitan la formación de hidratos, pero sí evitan que se adhieran entre sí y bloqueen el equipo.

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

Al perforar en formaciones petroleras y gasíferas 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 entonces fluir hacia arriba con el lodo de perforación u otros fluidos descargados. Cuando los hidratos suben, la presión en el espacio anular disminuye y los hidratos se disocian en gas y agua. La rápida expansión del gas expulsa fluido del pozo, lo que reduce aún más la presión, lo que conduce a una mayor disociación de hidratos y a una mayor expulsión de fluido. La expulsión violenta resultante de fluido del espacio anular es una posible causa o contribuyente a la "patada". [57] (Las patadas, que pueden causar reventones, normalmente no implican hidratos: véase Reventón: patada de formación ).

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

  • Caudales elevados, que limitan el tiempo de formación de hidratos en un volumen de fluido, reduciendo así el potencial de reacción. [57]
  • Medición cuidadosa del flujo de la línea para detectar taponamiento incipiente de hidratos. [57]
  • Se debe tener especial cuidado al medir cuando las tasas de producción de gas son bajas y la posibilidad de formación de hidratos es mayor que cuando las tasas de flujo de gas son relativamente altas. [57]
  • El monitoreo del entubado del pozo después de que se lo “ cierre ” (aisle) puede indicar la formación de hidratos. Luego del “cierre”, la presión aumenta mientras el gas se difunde a través del yacimiento hacia el pozo ; la tasa de aumento de la presión muestra una tasa reducida de aumento mientras se forman los hidratos. [57]
  • Las adiciones de energía (por ejemplo, la energía liberada al fraguar el cemento utilizado en la terminación del pozo) pueden elevar la temperatura y convertir los hidratos en gas, produciendo una "patada".

Recuperación de reventones

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

A profundidades suficientes, el metano se combina 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 petróleo derramado de un pozo petrolero en aguas profundas a 5.000 pies (1.500 m) por debajo del nivel del mar para capturar el petróleo que se escapaba. Esto implicó colocar un domo de 125 toneladas (276.000 lb) sobre la fuga más grande del pozo y transportarlo por tuberías hasta un recipiente de almacenamiento en la superficie. [58] Esta opción tenía el potencial de recolectar alrededor del 85% del petróleo que se derramaba, pero no se había probado anteriormente a tales profundidades. [58] BP implementó el sistema el 7 y 8 de mayo, pero falló debido a la acumulación de clatrato de metano dentro del domo; con su baja densidad de aproximadamente 0,9 g/cm 3, los hidratos de metano se acumularon en el domo, lo que agregó flotabilidad y obstruyó el flujo. [59]

Los clatratos de metano y el cambio climático

El clatrato de metano se libera como 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 calentamiento rápido durante el Cuaternario . La hipótesis es que los cambios en los flujos en las aguas intermedias superiores del océano causaron fluctuaciones de temperatura que alternadamente acumularon y ocasionalmente liberaron clatrato de metano en las pendientes continentales superiores. Esto habría tenido un impacto inmediato en la temperatura global, ya que el metano es un gas de efecto invernadero mucho más poderoso 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 durante 20 años, y 25 veces durante 100 años (33 cuando se tienen en cuenta las interacciones de aerosoles ). [60] Se propone además que estos eventos de calentamiento causaron los Ciclos de Enlace y los eventos interestadiales individuales , como los interestadiales de Dansgaard-Oeschger . [61]

La mayoría de los depósitos de clatrato de metano se encuentran en sedimentos demasiado profundos para responder rápidamente, [62] y el modelo de 2007 de Archer sugiere que el forzamiento de metano derivado de ellos debería seguir siendo un componente menor del efecto invernadero general . [63] Los depósitos de clatrato se desestabilizan desde la parte más profunda de su zona de estabilidad , que normalmente está a cientos de metros por debajo del lecho marino. Un aumento sostenido de la temperatura del mar calentará su camino a través del sedimento con el tiempo y hará que el clatrato más superficial y marginal comience a descomponerse; pero normalmente tomará el orden de mil años o más para que el cambio de temperatura llegue tan lejos en el lecho marino. [63] Además, la investigación posterior sobre los depósitos de latitudes medias en el océano Atlántico y Pacífico encontró 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 del área hacen imposible que existan hidratos a profundidades menores a 550 m (1,804 pies). [64] [65]

Posible liberación de metano en la plataforma ártica de Siberia Oriental

Sin embargo, algunos depósitos de clatratos de metano en el Ártico son mucho más superficiales 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 solo 290 m (951 pies) por debajo del nivel del mar y se considera el depósito más superficial conocido de hidrato de metano. [66] Sin embargo, la plataforma ártica de Siberia Oriental tiene un promedio de 45 metros de profundidad, y se supone que debajo del fondo marino, sellados por capas de permafrost submarinas, se encuentran depósitos de hidratos. [67] [68] Esto significaría que cuando el calentamiento potencial de las características similares a 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. [69] [70] [71] Shakhova et al. (2008) estiman que no menos de 1.400 gigatoneladas de carbono se encuentran actualmente atrapadas en forma de metano e hidratos de metano bajo el permafrost submarino del Ártico, y que entre el 5 y el 10% de esa área está sujeta a perforación por talik abierto. Su artículo inicialmente incluía la línea de que la "liberación de hasta 50 gigatoneladas de la cantidad prevista de hidratos almacenados [es] altamente posible de 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, [72] [73] equivalente en efecto invernadero a una duplicación del nivel de CO 2 de 2008 .

Esto es lo que llevó a la hipótesis original del cañón de clatratos, y en 2008 el sistema del Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos [74] y el Programa de Ciencia del Cambio Climático del Servicio Geológico de los Estados Unidos identificaron la posible desestabilización de los clatratos en el Ártico como uno de los cuatro escenarios más graves de cambio climático abrupto, que se han destacado para una investigación prioritaria. El USCCSP publicó un informe a fines de diciembre de 2008 estimando la gravedad de este riesgo. [75] Un estudio de 2012 de los efectos de la hipótesis original, basado en un modelo acoplado del ciclo del carbono y el clima ( GCM ), evaluó un aumento de metano de 1000 veces (de <1 a 1000 ppmv) dentro de un solo pulso, a partir de hidratos de metano (según estimaciones de la 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. [76] Otra evaluación de la literatura de 2012 identifica los hidratos de metano en la plataforma de los mares del Ártico oriental como un posible desencadenante. [77]

También se ha considerado el riesgo de que la actividad sísmica sea potencialmente responsable de 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 este talud 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 zona que experimente corrientes oceánicas cambiantes; nuestra estimación de 2,5 gigatoneladas de hidrato de metano desestabilizante puede, por tanto, representar solo una fracción del hidrato de metano que actualmente se desestabiliza a nivel mundial". [78] Bill McGuire señala: "Puede haber una amenaza de deslizamientos 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 de 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 proporcionar el potencial para el terremoto o la desestabilización de los hidratos de metano del sedimento submarino, lo que lleva a la formación de deslizamientos submarinos y, tal vez, tsunamis en el Atlántico Norte". [79]
Las emisiones de metano en el mar de Laptev suelen ser consumidas dentro del sedimento por los metanótrofos . Las áreas con alta sedimentación (arriba) someten a sus comunidades microbianas a una perturbación continua, 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 1000 toneladas o menos. [80]

Una investigación realizada en 2008 en el Ártico siberiano mostró liberaciones de metano en una escala anual de millones de toneladas, lo que fue un aumento sustancial en la estimación anterior de 0,5 millones de toneladas por año. [81] aparentemente a través de perforaciones en el permafrost del lecho marino, [71] con concentraciones en algunas regiones que alcanzan hasta 100 veces los niveles normales. [82] [83] El exceso de metano se ha detectado en puntos calientes localizados en la desembocadura del río Lena y la frontera entre el mar de Láptev y el mar de Siberia Oriental . En ese momento, se pensó que parte del derretimiento era el resultado del calentamiento geológico, pero se creía que más descongelamiento se debía a los volúmenes mucho mayores de agua de deshielo que se descargaban de los ríos siberianos que fluían hacia el norte. [84]

En 2013, el mismo equipo de investigadores utilizó múltiples observaciones de sonar para cuantificar la densidad de burbujas que emanan 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 de la Plataforma Ártica de Siberia Oriental (ESAS), hacia 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 lecho 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 había ascendido ahora a 17 millones de toneladas por año. [85]

Sin embargo, estos hallazgos pronto fueron cuestionados, ya que esta tasa de liberación anual significaría que la ESAS por sí sola 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 tasa 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 atmosféricos de metano tomadas de múltiples cruceros de barcos en el Ártico indican en cambio que solo se emiten alrededor de 3,02 millones de toneladas de metano anualmente desde la ESAS. [86] Un estudio de modelización publicado en 2020 sugirió que, en las condiciones actuales, la liberación anual de metano de la ESAS puede ser tan baja como 1000 toneladas, y que 2,6 a 4,5 millones de toneladas representan el potencial máximo de emisiones turbulentas de la plataforma. [80]

Hong et al. 2017 estudiaron la filtración de metano en los mares árticos poco profundos en el mar de Barents cerca de Svalbard . La temperatura en el lecho 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 la interfaz sedimento-agua. Los hidratos pueden ser estables a lo largo de los 60 metros superiores de los sedimentos y las liberaciones observadas actualmente se originan a mayor profundidad debajo del fondo marino. Concluyen que el aumento del flujo de metano comenzó hace cientos a miles de años, y señalaron al respecto, "... ventilación episódica de reservorios profundos en lugar de disociación de hidratos de gas inducida por el calentamiento". [87] Resumiendo su investigación, Hong afirmó:

Los resultados de nuestro estudio indican que la inmensa filtración encontrada en esta zona es 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. [88]

Las liberaciones de metano atribuidas específicamente a la disociación de hidratos en Svalbard parecen ser mucho menores que las fugas de otras fuentes de metano. [89]

La investigación de Klaus Wallmann et al. 2018 concluyó que la disociación de hidratos en Svalbard hace 8.000 años se debió al rebote isostático (elevación continental después de la desglaciación ). Como resultado, la profundidad del agua se hizo más superficial con menos presión hidrostática, sin más 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 no está claro si esto se debe a la variabilidad natural o al calentamiento antropogénico. [89] Además, otro artículo publicado en 2017 encontró que solo el 0,07% del metano liberado de la disociación de hidratos de gas en Svalbard parece llegar a la atmósfera, y generalmente solo cuando las velocidades del viento eran bajas. [90] 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. [91]

Por último, un artículo publicado en 2017 indicó que las emisiones de metano de al menos un campo de filtraciones en Svalbard fueron más que compensadas por la mayor absorción de dióxido de carbono debido a la actividad fitoplanctónica enormemente mayor en estas aguas ricas en nutrientes. La cantidad diaria de dióxido de carbono absorbido por el fitoplancton fue 1.900 veces mayor que la cantidad de metano emitido, y el forzamiento radiativo negativo (es decir, de enfriamiento indirecto) de la absorción de CO2 fue hasta 251 veces mayor que el calentamiento causado por la liberación de metano. [92]
En 2018, un artículo de perspectiva dedicado a los puntos de inflexión en el sistema climático sugirió que la contribución del cambio climático de los hidratos de metano sería "insignificante" para fines de siglo, pero podría ascender a 0,4-0,5 °C (0,72-0,90 °F) en las escalas de tiempo milenarias. [93] 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 en los próximos siglos". [94] El informe también había vinculado los depósitos de hidratos terrestres con los cráteres de emisión de gas descubiertos en la península de Yamal en Siberia , Rusia, a partir de julio de 2014, [95] pero señaló que, dado que los hidratos de gas terrestres se forman predominantemente a una profundidad inferior a 200 metros, se puede descartar una respuesta sustancial en los próximos siglos. [94] Asimismo, una evaluación de los puntos de inflexión de 2022 describió los hidratos de metano como una "retroalimentación sin umbral" en lugar de un punto de inflexión. [96] [97]

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 en 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, para transportar 100 toneladas de metano, habría que transportar 750 toneladas de hidrato de metano; dado que esto requeriría un barco de 7,5 veces mayor desplazamiento, o requeriría más barcos, es poco probable que resulte económicamente factible. [ cita requerida ] . Recientemente, el hidrato de metano ha recibido un interés considerable para la aplicación de almacenamiento estacionario a gran escala debido a las condiciones de almacenamiento muy suaves con la inclusión de tetrahidrofurano (THF) como co-huésped. [98] [99] 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. [100] 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. [101]

Véase también

Notas

  1. ^ La composición media del hidrato de clatrato de metano es de 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 unos 16,043 g (véase Metano ), tenemos 5,75 moles de agua, con una masa molar de unos 18,015 g (véase Propiedades del agua ), por lo que en conjunto para cada mol de metano el complejo de 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 alrededor de 0,9 g/cm 3 , por lo que un litro de clatrato de metano tiene una masa de alrededor de 0,9 kg, y la masa del metano que contiene es de alrededor de 0,1341 × 0,9 kg ≈ 0,1207 kg. Con una densidad como gas de 0,716 kg/m 3 (a 0 °C; véase 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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  • El metano se filtra desde el fondo del mar Ártico (BBC)
  • Burbujas de calentamiento bajo el hielo (LA Times 2009)
  • Calculadora en línea: condiciones de formación de hidratos con diferentes EOS

Investigación

  • Centro de Hidratos de Gas del Ártico, Medio Ambiente y Clima (CAGE)
  • Centro de Investigación de Hidratos
  • Actividades de investigación geológica del USGS con el Servicio de Gestión de Minerales de EE. UU.: hidratos de gas metano
  • Producción de energía de metano sin emisiones de carbono a partir de depósitos de hidratos (Universidad de Columbia)

Video

  • Laboratorio de hidratos de gas del USGS (2012)
  • Explosiones de metano en la antigüedad crearon cráteres oceánicos (2017)
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