Как Работает Замороженное Топливо

{h1}

Замороженное топливо может быть использовано для нагрева планеты. Узнайте о замороженном топливе и его использовании в этой статье.

Сам по себе метан не очень интересен. Это бесцветный газ без запаха и самый простой элемент из алкановой серии углеводородов. Его самая большая претензия на известность заключается в том, что, будучи основным компонентом природного газа, он полезен в качестве источника энергии.

Недавно, однако, геологи обнаружили тип метана, который пробудил их любопытство. Часть его необычного характера заключается в том, как он существует в своем естественном состоянии - в ловушке внутри клетки со льдом. Еще более интригующим является то, как много этого замороженного метана, похоже, заперто в земной коре. Некоторые оценки показывают, что целых 700 квадриллионов (700 × 1015кубических футов (20 квадриллионов кубических метров) метана заключены в лед и заключены в донные отложения по всему миру [источник: Tarbuck]. Это вдвое больше углерода, чем другие ископаемые виды топлива вместе взятые.

Открытие этого нового типа метана, что ученые называют гидрат метана, привело к двум важным вопросам. Первый прагматичен: будет ли он гореть как обычный метан? Оказывается, так и будет. Если вы возьмете кусок гидрата метана - он выглядит как плотно упакованный снег - и прикоснитесь к нему зажженной спичкой, образец будет гореть красноватым пламенем. И если это так, его можно использовать для отопления домов, заправки автомобилей и в целом для энергоемких стран, таких как Япония, США, Индия и Китай. Последние данные свидетельствуют о том, что всего 1 процент запасов гидрата метана на Земле может дать достаточно природного газа для удовлетворения энергетических потребностей Америки в течение 170 000 лет [источник: Камень].

Второй вопрос отчасти этический: стоит ли нам, как мировому сообществу, горячо пытающемуся развивать чистую, возобновляемую энергию, принять одно из ископаемых видов топлива, которое изначально поставило нас в тупик? Наука не может ответить на этот вопрос. Это может, однако, выявить проблемы и риски, с которыми сталкиваются страны, надеющиеся воспользоваться преимуществами гидрата метана. Одной из наиболее значительных задач является поиск эффективных способов извлечения замороженного топлива. Больше беспокойства вызывают потенциальные катастрофы - от массивных подводных оползней до безудержного парникового эффекта - связанные с добычей метана.

В этой статье мы рассмотрим все положительные и отрицательные стороны гидрата метана. Мы рассмотрим его относительно краткую историю, а также то, как он вписывается в некоторые возможные будущие сценарии. И, конечно, мы рассмотрим фундаментальную науку, стоящую за этим так называемым «легковоспламеняющимся льдом».

Давайте начнем с некоторой химии.

Как работает замороженное топливо: работает

Огонь и лед: химия гидрата метана

Представление молекулы метана, с синей сферой, обозначающей углерод, и четырьмя красными сферами, обозначающими водород

Представление молекулы метана, с синей сферой, обозначающей углерод, и четырьмя красными сферами, обозначающими водород

Замороженное топливо - это броское название для семейства веществ, известных как газогидраты, Рассматриваемый газ - это природный газ, смесь углеводородов, таких как метан, пропан, бутан и пентан. Из них метан является наиболее распространенным компонентом и одним из наиболее изученных в химии соединений.

Как и все углеводороды, метан содержит только два элемента - углерод и водород. Это пример насыщенный углеводородили молекула, состоящая полностью из одинарных связей и, следовательно, максимально допустимое количество атомов водорода. Общая формула для насыщенных углеводородов является CNЧАС2n + 2, Метан имеет только один атом углерода, поэтому его химическая формула CH4, Химики описывают эту форму как тетраэдр.

Метан - это бесцветный, не имеющий запаха горючий газ, образующийся в результате бактериального разложения растительных и животных веществ. Он образуется в процессе, разделяемом всеми ископаемыми видами топлива. Во-первых, морские растения и животные гибнут и падают на морское дно. Далее, грязь и другие донные отложения покрывают разлагающиеся организмы. Осадки оказывают большое давление на органическое вещество и начинают его сжимать. Это сжатие в сочетании с высокими температурами разрушает углеродные связи в органическом веществе, превращая его в нефть и природный газ.

Как правило, этот метан, который геологи называют «обычным» метаном, находится под поверхностью Земли. Чтобы добраться до него, рабочие должны пробурить камни и отложения и открыть метановые отложения, чтобы выпустить газ. Затем они прокачивают его на поверхность, где он транспортируется через трубы по всей стране.

Метан также может образовываться нетрадиционно, если образующие его осадки расположены примерно на 1 640 футах (500 м) ниже поверхности океана. Температура, близкая к замерзанию, и высокое давление в этих условиях приводят к тому, что метан попадает в лед. Метан химически не связывается с водой. Вместо этого каждая тетраэдрическая молекула метана находится внутри кристаллической оболочки, сделанной изо льда. Это уникальное вещество известно как гидрат метанаи как только он достигает более высоких температур и более низких давлений, лед тает, оставляя после себя чистый метан.

Геологи обнаружили природный гидрат метана только недавно, но химики знали об этом годами, как мы увидим в следующем разделе.

Клатратные соединения

Метан гидрат является клатратнаяхимическое вещество, состоящее из одного соединения, вложенного в другое. Слово происходит от латинского clatratus, что означает «решетку» или «решетку». Одно соединение служит хозяином, другое - гостем. В случае гидрата метана вода является хозяином, а метан - гостем. По этой причине химики иногда называют клатраты хост-гостевые комплексы.

Краткая история гидрата метана

Куски газогидрата, добытые в Мексиканском заливе в 2002 году

Куски газогидрата, добытые в Мексиканском заливе в 2002 году

История газовых гидратов восходит к Хамфри Дэви, химику из Корнуолла, Англия, который определил хлор как элемент в 1810 году.

В начале 1800-х годов Дэви и его помощник Майкл Фарадей продолжали работать с хлором, смешивая зеленый газ с водой и охлаждая смесь до низких температур.

Весьма вероятно, что Дэви наблюдал странное твердое вещество, которое образовалось, когда атомы хлора оказались заключенными в ледяные кристаллы, но Фарадей получил официальное признание за открытие. В 1823 году Фарадей опубликовал отчет, описывающий странное вещество, и назвал его хлорат-клатрат-гидрат. Вскоре были обнаружены другие типы клатратов, каждый из которых содержал гостевой состав, запертый в решетчатой ​​структуре хозяина, но они оставались любопытством лаборатории.

Затем, в 1930-х годах, шахтеры, работающие на природном газе, начали жаловаться на засорение трубопроводов ледоподобным материалом, подверженных воздействию низких температур. Ученые определили, что это был не чистый лед, а лед, обернутый вокруг метана. Они не теряли времени, пытаясь найти способы предотвратить образование гидратов, и обратились в основном к химическим веществам, таким как метанол или моноэтиленгликоль. С тех пор горнодобывающие компании добавили эти материалы в свои газопроводы для предотвращения образования гидратов.

В 1960-х годах ученые обнаружили, что гидрат метана, или «твердый природный газ», существовал на Мессояхском газовом месторождении в Западной Сибири. Это было важно, потому что природные газогидраты никогда не были обнаружены ранее. Геологи и химики прибыли в обширный бассейн и начали изучать условия, в которых формировались гидраты. Они обнаружили, что донные отложения вечной мерзлоты были богаты гидратами, и начали искать похожие отложения в других высокоширотных регионах. Вскоре другая группа исследователей обнаружила гидрат метана в отложениях, захороненных глубоко под северным склоном Аляски.

Основываясь на этих ранних результатах, Геологическая служба США (USGS) и Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики провели обширные исследования в период с 1982 по 1992 год, выявив, что отложения гидрата метана также могут быть обнаружены в морских отложениях. Внезапно то, что когда-то было любопытством и индустриальной неприятностью, казалось, что это может быть значительным ресурсом. В середине 1990-х годов Япония и Индия взяли на себя ведущую роль в исследовании гидрата метана с целью найти больше месторождений и разработать способы экономической добычи захваченного метана. С тех пор ученые обнаружили месторождения гидрата метана во многих местах, включая дельту реки Маккензи в Канаде и впадину Нанкай у побережья Японии.

Далее мы рассмотрим влияние гидрата метана на мировое энергоснабжение.

Потенциал замороженного топлива

Основные месторождения гидрата метана

Основные месторождения гидрата метана

Как только ученые начали искать месторождения гидрата метана, они не были разочарованы. Они нашли их под арктической вечной мерзлотой и под морским дном, особенно в областях, где одна тектоническая плита скользит по другой. Эти регионы известны как зоны субдукции потому что край одной тарелки движется под другой. Например, у побережья Вашингтона и Орегона плита Хуан де Фука скользит под североамериканской плитой. Как кусок дерева, протянутый через лезвие самолета, отложения, включая гидраты, плиты Хуан де Фука удаляются скалистой корой североамериканской плиты. Это создает гребень гидратов, который идет параллельно побережью.

Месторождения гидратов также были обнаружены в регионах, где встречаются большие океанские течения. Хребет Блейк - это формация, расположенная у побережья Южной Каролины, в воде глубиной от 6 562 до 15 748 футов (от 2000 до 4800 метров). Геологи считают, что горный хребет образовался в эпоху олигоцена, около 33,7–23,8 млн лет назад. В это время открылось Гренландское море, позволяющее огромному количеству холодной плотной воды течь на юг вдоль побережья Атлантического океана. Когда эта холодная вода стремительно текла в теплую воду, которая неслась на север по Гольфстриму, потоки замедлились и сбросили большое количество отложений. Органический материал, захороненный в этих отложениях, в конечном итоге привел к образованию большого количества гидрата метана.

Сколько этого замороженного топлива существует в Блейк-Ридж и других местах по всему миру? По некоторым оценкам, количество метана, запертого в гидратах, составляет от 100 000 триллионов до 300 000 000 триллионов кубических футов (от 2832 триллионов до 8 495 054 триллионов кубических метров). Сравните это с 13 000 триллионов кубических футов (368 триллионов кубических метров) обычных запасов природного газа, остающихся на планете, и вы сможете понять, почему челюсти в научном сообществе уменьшились [источник: Коллетт].

Конечно, найти гидратные залежи - это одно. Как мы увидим в следующем разделе, получить их - и сделать это безопасно - это совсем другое дело.

Рискованный бизнес по добыче метана гидрата

Потенциальные выгоды от выпуска метана из газогидратных месторождений должны быть сбалансированы с рисками. И риски значительны. Давайте начнем с задач, стоящих перед горнодобывающими компаниями и их работниками. Большинство месторождений гидрата метана находятся в донных отложениях. Это означает, что буровые установки должны быть в состоянии опускаться на глубину более чем 1600 футов (500 метров) воды, а затем, поскольку гидраты обычно находятся далеко под землей, еще на несколько тысяч футов, прежде чем они смогут начать добычу. Гидраты также имеют тенденцию образовываться вдоль нижних краев континентальных склонов, где морское дно падает от относительно мелкого шельфа к пропасти. Грубо наклонное морское дно затрудняет эксплуатацию трубопровода.

Даже если вы можете безопасно расположить буровую установку, гидрат метана становится нестабильным после того, как его удаляют из-за высокого давления и низких температур глубокого моря. Метан начинает выходить, даже когда его транспортируют на поверхность. Если нет способа предотвратить утечку природного газа, добыча не будет эффективной. Это будет немного похоже на подъем воды из колодца с использованием ведра с отверстиями.

Верьте или нет, эта утечка может быть наименьшим из беспокойств. Многие геологи подозревают, что газовые гидраты играют важную роль в стабилизации морского дна. Бурение в этих океанических отложениях может дестабилизировать морское дно, в результате чего огромные полосы осадка будут скользить на многие мили вниз по континентальному склону. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что такие подводные оползни имели место в прошлом (см. Врезку) с разрушительными последствиями. Движение такого большого количества отложений, безусловно, вызовет массивные цунами, подобные тем, которые наблюдались в цунами в Индийском океане в декабре 2004 года.

Но, возможно, самая большая проблема заключается в том, как добыча гидрата метана может повлиять на глобальное потепление. Ученые уже знают, что отложения гидратов естественно выделяют небольшое количество метана. Газ работает сам к небу - или барботируя через вечную мерзлоту или океанскую воду - пока не выпущен в атмосферу. Как только метан попадает в атмосферу, он становится парниковым газом, даже более эффективным, чем углекислый газ, для улавливания солнечной радиации. Некоторые эксперты опасаются, что бурение в гидратных отложениях может привести к катастрофическим выбросам метана, что значительно ускорит глобальное потепление.

Это делает метан из гидратных месторождений запрещенным? На этот вопрос пытаются ответить ученые со всего мира.

Движущиеся горы

Один из крупнейших оползней в истории произошел не на суше, а под водой, недалеко от побережья Норвегии. Это также не произошло в новейшей истории, но в эпоху голоцена, около 8000 лет назад. Это событие, известное как оползень на подводной лодке «Сторегга», вызвало скольжение огромных осадков примерно на 497 миль (800 километров) по континентальному склону. Это, в свою очередь, вызвало мега-цунами высотой 25 футов, которое поразило Норвегию и Шотландию.

В 1998 году российские исследователи обнаружили нестабильное гидратное поле вблизи участка горки Стрегга. Теперь ученые считают, что быстрое разложение гидратов, связанное с изменениями температуры и давления, наступающими в конце последнего ледникового периода, дестабилизировало отложения и вызвало оползень.

Будущее замороженного топлива

Протестующие в Южной Корее в 2006 году протестуют против плана Японии отправить разведывательные суда в воды, на которые претендуют обе страны. Спорные воды являются богатым рыбным полем и, как считается, имеют залежи гидрата метана.

Протестующие в Южной Корее в 2006 году протестуют против плана Японии отправить разведывательные суда в воды, на которые претендуют обе страны. Спорные воды являются богатым рыбным полем и, как считается, имеют залежи гидрата метана.

В 1997 году Министерство энергетики США (DOE) инициировало исследовательскую программу, которая в конечном итоге позволила бы коммерческое производство метана из газовых гидратных месторождений к 2015 году. Три года спустя Конгресс санкционировал финансирование в соответствии с Законом об исследованиях и разработках гидратов метана 2000 года. Координационный комитет (ICC), коалиция из шести государственных учреждений, продвигает исследования по нескольким направлениям. Многое из того, что мы знаем о фундаментальной науке о гидрате метана - о том, как он образуется, где он образуется и какую роль он играет как в стабилизации морского дна, так и в глобальном потеплении, - получено в результате исследований ICC.

Также появляются интересные идеи о том, как эффективно извлекать метан из гидратов. Некоторые эксперты предлагают метод, при котором шахтеры закачивают горячую воду в буровую скважину, чтобы расплавить гидрат и выпустить захваченный метан. Когда метан уходит, он закачивается на морское дно через скважину-компаньон. Оттуда подводные трубопроводы доставляют природный газ на берег. К сожалению, такие трубопроводы должны проходить по труднопроходимой подводной местности. Одним из решений является строительство производственного объекта на морском дне, чтобы он располагался вблизи месторождений гидратов. Когда метан выходит из нагретых отложений, работники завода будут замораживать газ с образованием «чистого» гидрата метана. Подводные лодки затем буксируют замороженное топливо в огромных резервуарах для хранения на мелководье, где метан может быть извлечен и транспортирован безопасно и эффективно.

Все ли это необходимо? Не сделают ли возобновляемые источники энергии пустой тратой времени на столь энергичное использование другого невозобновляемого ископаемого топлива? Реально, ископаемое топливо все еще будет важным компонентом общего энергетического баланса в мире в течение десятилетий. По данным Управления энергетической информации (EIA), общее потребление природного газа в США, как ожидается, увеличится с 22 триллионов кубических футов (0,622 триллиона кубических метров) сегодня до примерно 27 триллионов кубических футов (0,76 триллиона кубических метров) в 2030 году. Глобальный природный газ Ожидается, что потребление увеличится до 182 триллионов кубических футов (5,15 триллионов кубических метров) за тот же период [источник: EIA]. Использование метана, запертого в гидратах, очевидно, сыграет ключевую роль в удовлетворении этого спроса.

Это означает, что замороженное топливо из гидрата метана может выиграть больше времени, поскольку ученые ищут альтернативы для питания нашей планеты. Думайте об этом как о важном шаге в нашем переходе к более чистым, более зеленым источникам энергии.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com