Ozeangas

Datum: 10.08.2002

Ozeangas

Informationen zu Methanhydrat
von Dipl.-Ing. Georg Engelhard

In den letzten Jahren galt Erdgas als eine Art Geheimwaffe im Kampf gegen den Treibhauseffekt, entsteht doch bei seiner Verbrennung in Gaskraftwerken deutlich weniger CO2 als bei der Verbrennung von Erdöl oder gar Kohle. Aber selbst wenn man von den immer noch erheblichen CO2-Mengen absieht - die auch mit Erdgas viel zu hoch sind, um auf Dauer akzeptabel zu sein - ist der Erdgaspfad ein Holzweg, denn schon in etwa 60 Jahren wird es mit der Herrlichkeit vorbei sein. So lange reichen die bekannten Lagerstätten bei gegenwärtigem Verbrauch. Steigt der Verbrauch weiter an, so sind die Vorräte entsprechend schneller erschöpft. Doch gerade "rechtzeitig" zeigt sich ein Silberstreif am Horizont: Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, massenhaft am Grund der Ozeane. In Form von Methanhydrat zwar kundenunfreundlich verpackt, aber - so meinen zumindest die Anhänger einer zentralistischen Energiewirtschaft - besser als ein Umstieg auf Solarenergie.

Was ist Methanhydrat?

Jeder weiß was passiert, wenn normales Wasser auf 0° C abgekühlt wird: die Wassermoleküle ordnen sich zu einem Feststoff, genannt Eis. Etwas komplizierter wird die Sache, wenn das Wasser unter Druck steht. Die Wassermoleküle beginnen dann schon bei Temperaturen oberhalb 0° C komplexe Strukturen mit großen Hohlräumen zu bilden. Aufgrund der Hohlräume sind diese Strukturen instabil, sodass bei weiterer Abkühlung schließlich normales Eis entsteht – es sei denn, die Hohlräume werden gefüllt mit einem passenden Gastmolekül, das die Struktur stabilisiert. Der am häufigsten vorkommende Kandidat für diese Aufgabe ist Methan (CH4), die resultierende Struktur wird Methanhydrat genannt (Bild). Eigentlich ist es nicht richtig von „Hydrat“ zu sprechen, denn Hydrate sind Verbindungen von Wasser mit anderen Ionen oder Molekülen. Treffender ist der Begriff „Clathrat“, also Einschlussverbindung.

Dennoch spricht man allgemein von Methanhydrat. Gashydrate kommen in verschiedenen Molekülstrukturen vor. Die von Methanhydrat bevorzugte „Struktur I“ besteht aus Einheiten von 46 Wassermolekülen, die 2 kleine und 6 mittelgroße Hohlräume umschließen. In jedem Hohlraum findet maximal ein CH4-Molekül Platz, wobei wenigstens 70% der Hohlräume ausgefüllt sein müssen, damit die Struktur stabil ist.
Das Methan ist damit äußerst dicht gepackt, in 1 Kubikmeter Methanhydrat kann eine Methanmenge enthalten sein, die als Gas an der Erdoberfläche bis zu 164 Kubikmeter einnehmen würde.

Entstehung

Mehrere Bedingungen müssen erfüllt sein, damit Methanhydrat entsteht:
  • ausreichend hoher Druck
  • ausreichend niedrige Temperatur
  • ausreichende Mengen an Methan
Wasser muss natürlich auch vorhanden sein, aber dies ist in den Sedimenten der Erde fast überall der Fall. Methan entsteht dort in großen Mengen durch den Stoffwechsel von Bakterien.

Die nötigen Werte für Druck und Temperatur sind wechselseitig voneinander abhängig. Bei 50 bar Druck (entsprechend einer Wassertiefe von etwa 500 m) darf die Temperatur nicht höher als 8° C sein. Bei 300 m Wassertiefe darf sie nicht höher als 0° C sein (Bild).
Die im Bild gezeigte Kurve kann allerdings durch andere anwesende Moleküle (Salz, CO2, H2S usw.) in die eine oder andere Richtung verschoben werden.

Unter natürlichen Bedingungen kommen Methanhydrate nur in Meerestiefen zwischen 400 und etwa 3000 m vor. In geringeren Tiefen ist der Druck zu gering und die Temperatur zu hoch. In größeren Tiefen sind sowohl die biologische Aktivität, also auch die Sedimentationsrate zu gering, um ausreichend Methan zu erzeugen.

Bild 2 zeigt einen typischen Temperaturverlauf, wobei am Ozeanboden bei 1200 m fast 0° C erreicht werden. Die Temperatur steigt dann im Sediment wieder an, bis sie für die Bildung von Methanhydrat zu hoch wird. Die Schicht mit stabilem Methanhydrat reicht im Beispiel von 1200 bis 1500 m.
Wird eine Hydratschicht durch geologische Vorgänge in größere Tiefen befördert (z.B. in einer Subduktionszone), dann wird die Schicht am unteren Rand „aufgeschmolzen“. Frei werdendes Methan kann sich dann in einer Gasblase ansammeln, oder durch Poren im Sediment nach oben steigen, wo es evtl. wieder in Methanhydrat eingebaut wird.

Vorkommen

Methanhydrat kann grundsätzlich in allen Sedimenten und Fels entstehen, wenn die vorgenannten Bedingungen erfüllt sind. Meist wird es in Form von Körnern gefunden, aber auch in massiven Schichten bis zu 4 m Dicke, in Adern, Knötchen oder als Zement, der die Körner des Sediments zusammenhält. Die Faktoren, welche die Art und Konzentration des Vorkommens beeinflussen, sind bis heute weitgehend unverstanden. In der Regel findet man Methanhydrat an den Rändern der Kontinentalsockel, wo Sedimente vom Land in tieferen Gewässern abgelagert werden. Dabei versprechen tektonisch aktive Zonen eine deutlich höhere Methanhydrat-Konzentration als tektonisch passive. Die Porosität und Durchlässigkeit der Sedimentbestandteile ist hier erheblich höher. In der Nankai-Senke nahe Japan, einer Subduktionszone, in der Ozeanboden unter Ozeanboden geschoben wird, wurde eine 16m dicke Schicht erhöhter Porosität gefunden, die zu 80% mit Hydraten gesättigt war. In einer Ozean-Kontinent-Subduktionszone vor Guatemala wurde ein Bohrkern mit einer 1 m dicken massiven Hydratschicht geborgen.

In den Schelfmeeren ist der Druck nicht hoch genug und in der Tiefsee gibt es zu wenig Methan als Produkt biologischer Aktivität, sodass hier kein Hydrat zu erwarten ist.

Neben den ozeanischen, gibt es auch an Land im arktischen Permafrostboden Hydrat-Vorkommen. Diese sollen zwar erheblich seltener, dafür aber einfacher abbaubar sein, sodass auch hier Interesse an einer Ausbeutung besteht.

Exploration

Bei der Suche nach Methanhydrat werden ausschließlich altbekannte Methoden eingesetzt. So wird z.B. mit Hilfe von Side-Scan-Sonar der Meeresboden nach charakteristischen Strukturen wie Abstürzen und Erdrutschen, abgetastet. Mit einem 20 kHz-Sonar können aufsteigende Methanblasen entdeckt werden. Oder es können Wasserproben auf ihren Chloridgehalt untersucht werden, denn zerfallendes Methanhydrat setzt reines Süßwasser frei und verdünnt so das Meerwasser. Um tiefer in den Ozeanboden zu sehen, werden seismische Wellen benutzt, die in den Boden eindringen, dort von verschiedenen Schichten reflektiert und an der Oberfläche wieder aufgefangen werden. Das Schwierige an dieser Methode ist die Interpretation der Messdaten. Wichtigstes Merkmal ist der „Bottom Simulating Reflector“ (BSR), der durch den Übergang von festem Hydrat zu freiem Methangas entstehen soll, und so die Unterkante eines Hydratlagers darstellt. Die Oberkante ist durch eine Zunahme der Wellengeschwindigkeit gekennzeichnet, die aber häufig nicht gut ausgeprägt ist, da hier Carbonatkrusten entstehen können, welche eine ähnliche Wellengeschwindigkeit wie Methaneis haben. Zur Überprüfung der Methode müssen Proben entnommen werden, um nachzusehen, was dort unten wirklich zu finden ist. Am einfachsten ist es, ein hohles Rohr in den Boden zu rammen, und es zusammen mit dem Inhalt wieder an Bord des Schiffes zu holen. Leider verflüchtigt sich das Methanhydrat oft schon auf dem Weg nach oben, weshalb die Analyse der Rückstände ausreichen muss, um den ursprünglichen Hydrat-Gehalt zu bestimmen. Weitergehender Erkenntnisgewinn ist kaum möglich. Demgegenüber versprechen stationäre Bohrungen genauere und vielfältigere Daten. Sobald das Bohrloch fertig ist, können zahlreiche Messungen durchgeführt werden, z.B. Temperatur, Radioaktivität, Leitfähigkeit von Elektrizität und Schall usw.

Bis heute konnten nur wenige Proben analysiert werden. Die Erkenntnisse aus den seismischen Verfahren sind folglich mit großer Unsicherheit behaftet. Bis vor wenigen Jahren lagen die Schätzungen über die weltweiten Methanhydrat-Vorkommen um mehr als einen Faktor 1000 auseinander. Immerhin hat sich ein großer Teil der Fachwelt heute darauf geeinigt, dass in Methanhydrat mehr Energie gespeichert ist, als in allen anderen fossilen Energieträgern zusammen. Vorsicht ist aber immer noch angebracht, denn auch dieser Wert beruht auf Annahmen über die Wahrscheinlichkeit der Hydratentstehung und über das zu erwartende Volumen in verschiedenen geologischen Formationen. Die Aussagekraft des BSR ist unter Fachleuten sehr umstritten. Zudem beruhen die Schätzungen auf der Annahme von Hydratschichten mit mehreren 100m Dicke, obwohl bisher noch keine einzige derartige Schicht nachgewiesen werden konnte.

Ausbeutung

Zur Zeit wird Methanhydrat lediglich im Messojachska-Feld in Sibirien wirtschaftlich abgebaut. Durch Einbringen von Methanol in die unterste Schicht freien Gases wird zusätzliches Hydrat abgeschmolzen und mit dem freien Gas zusammen gewonnen.

Im Delta des Mackenzie-Rivers im Norden Kanadas wird zur Zeit ein Forschungsprogramm durchgeführt, welches letztlich den Abbau von Methanhydrat zum Ziel hat.

Ein Abbau im Meer ist heute noch nicht wirtschaftlich möglich. Allerdings wollen die USA bis zum Jahr 2015 so weit sein, und auch Japan unternimmt einige Anstrengungen. Beide Länder vermuten vor ihrer Haustür gigantische Vorkommen.

Grundsätzlich sind zwei technische Ansätze denkbar. Erstens könnten die tieferen Hydratschichten aufgeschmolzen und das frei werdende Methan über Rohre abgeführt werden, ähnlich wie es bereits in Sibirien geschieht. Zweitens könnten bodennahe Schichten mechanisch abgetragen werden, um das Methan dann in riesigen umgestülpten Trichtern aufzufangen.

Auswirkungen

Es liegt auf der Hand, dass allein die Fortführung der fossilen Energiewirtschaft mit Hilfe von Methanhydrat erhebliche Auswirkungen auf das Weltklima hätte. Zusätzlich drohen schon beim Abbau erheblich direktere Gefahren. Hier eine kleine Aufzählung:
  • beim Hydratabbau massenhaft entweichendes Methan ist um ein vielfaches klimawirksamer als das Verbrennungsprodukt CO2.
  • großflächiges Aufwühlen des Meeresbodens inkl. Trübung des Wassers gefährdet weiträumig marine Ökosysteme.
  • eine Destabilisierung von Methanhydratfeldern kann zu plötzlichen Ausbrüchen mit massiver Freisetzung von Methan führen. Kleinere Ausbrüche dieser Art sind bei Bohrinseln heute schon bekannt. In der Barentssee wurde ein Entgasungstrichter („Pockmark“) von 700 m Durchmesser gefunden. (Anm.: es gibt Spekulationen, dass so etwas gerade im Bermudadreieck besonders häufig passieren soll...)
  • Methanhydrat dient offenbar an vielen Kontinentalhängen als Zement, der die Sedimente zusammenhält und vor dem Abrutschen bewahrt. Unterseeische Erdrutsche könnten enorme Flutwellen auslösen.

Die Bundesregierung hat kürzlich beschlossen, zwar die Erforschung, nicht aber den Abbau von Methanhydrat finanziell zu unterstützen. Im Sinne einer umweltverträglichen Energiepolitik ein durchaus weiser Entschluss.