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Articulo de referencia

clatrato de metano

«Hielo ardiente». El metano, liberado por el calentamiento, arde; el agua gotea. Recuadro: estructura de clatratos (Universidad de Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie). Fuente...

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«Hielo ardiente». El metano, liberado por el calentamiento, arde; el agua gotea. Recuadro: estructura de clatratos (Universidad de Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie). Fuente: Servicio Geológico de los Estados Unidos .

El clatrato de metano (CH₄ · 5,75H₂O ) o (4CH₄ · 23H₂O ) , también llamado hidrato de metano , hidrometano , hielo de metano , hielo de fuego , hidrato de gas natural , gas metano 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 ocurría solo en las regiones exteriores del Sistema Solar , donde las temperaturas son bajas y el hielo de agua es común, se han encontrado depósitos significativos de clatrato de metano bajo sedimentos en los fondos oceánicos de la Tierra (alrededor de 1100  m bajo la superficie del mar). [ 7 ] El hidrato de metano se forma cuando el agua unida por enlaces de hidrógeno y el gas metano entran en contacto a altas presiones y bajas temperaturas en los océanos.

Los clatratos de metano son constituyentes comunes de la geosfera marina superficial y se encuentran en estructuras sedimentarias profundas, formando afloramientos en el fondo oceánico. 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 del lecho marino, sometida a temperatura y presión. En 2008, una investigación realizada en los núcleos de hielo de la Estación Vostok Antártica y del Domo C de EPICA reveló que los clatratos de metano también estaban presentes en los núcleos de hielo profundos de la Antártida y registran una historia de concentraciones atmosféricas de metano que se remonta a 800 000 años atrás. [ 8 ] El registro de clatratos de metano en los núcleos 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 , según la hipótesis del cañón de clatratos . En este escenario, el calentamiento provoca la fusión y descomposición catastrófica de hidratos, principalmente submarinos, lo que conlleva una liberación masiva de metano y acelera el calentamiento. Una revisión de 2020 sobre los puntos de inflexión climáticos [ 9 ] concluye que, en el caso de la liberación de hidratos de metano, la probabilidad de ocurrencia sigue siendo incierta. Las cascadas de puntos de inflexión (como la pérdida de hielo ártico que provoca un mayor calentamiento y la liberación de metano de los hidratos) solo se han estudiado a partir de 2018. El Sexto Informe de Evaluación del IPCC ignora la incertidumbre, afirmando que no se producirá ningún impacto detectable en las temperaturas globales durante este siglo a través de este mecanismo. [ 10 ]

General

Los hidratos de metano fueron descubiertos en Rusia en la década de 1960, y los estudios para extraer gas de ellos surgieron a principios del siglo XXI. [ 11 ]

Estructura y composición

imagen de microscopio

La composición nominal del hidrato de clatrato de metano es (CH₄ ) ₄ ( H₂O ) 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 caben en las diversas estructuras de jaula de la red de agua . La densidad observada es de alrededor de 0,9 g/cm³ , lo que significa que el hidrato de metano flotará en la superficie del mar o de un lago a menos que esté fijado en su lugar al formarse en el sedimento o anclarse a él. [ 12 ] Por lo tanto, un litro de sólido de clatrato de metano completamente saturado contendría unos 120 gramos de metano (o unos 169 litros de gas metano a 0  °C y 1 atm), [ nb 1 ] o un metro cúbico de clatrato de metano libera unos 160 metros cúbicos de gas. [ 11 ]

El metano forma un hidrato de "estructura I" con dos jaulas de agua dodecaédricas (20 vértices, por lo tanto 20 moléculas de agua) y seis tetradecaédricas (24 moléculas de agua) por celda unitaria. (Debido a que cada molécula de agua se comparte entre cuatro jaulas, hay 46 moléculas de agua y ocho moléculas de metano por celda unitaria). Esto se compara con un número de hidratación de 20 para el metano en solución acuosa. [ 13 ] 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 . En 2003, se sintetizó un intercalado de arcilla-hidrato de metano en el que se introdujo un complejo de hidrato de metano en el espacio interlaminar 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. [ 14 ]

Diagrama de fases del hidrato de metano. El eje horizontal muestra la temperatura desdeEntre -15 y 33  °C , el eje vertical muestra la presión de 0 a 120 000 kilopascales (0 a 1184 atmósferas). El hidrato se forma por encima de esta línea. Por ejemplo, a 4  °C, el hidrato se forma por encima de una presión de aproximadamente 50 atm/5000 kPa, que se encuentra a unos 500  m de profundidad.

depósitos naturales

Distribución mundial de sedimentos marinos con hidratos de gas confirmados o inferidos, 1996. Fuente: USGS
Sedimentos con hidratos de gas, procedentes de la zona de subducción frente a las costas de Oregón.
Estructura específica de un fragmento de hidrato de gas, procedente de la zona de subducción frente a las costas de Oregón.

Los clatratos de metano se limitan a la litosfera superficial (es decir, a menos de  2000  m de profundidad). Además, las condiciones necesarias solo se encuentran en rocas sedimentarias continentales en regiones polares donde la temperatura superficial promedio es inferior a 0  °C; o en sedimentos oceánicos a profundidades superiores a 300  m donde la temperatura del agua del fondo ronda los 2  °C. Asimismo, los lagos profundos de agua dulce también pueden albergar hidratos de gas, por ejemplo, el lago Baikal , en Siberia. [ 15 ] Se han localizado depósitos continentales en Siberia y Alaska en estratos de arenisca y limolita a menos de 800  m de profundidad. Los depósitos oceánicos parecen estar muy extendidos en la plataforma continental (véase la figura) y pueden encontrarse dentro de los sedimentos en profundidad o cerca de la interfaz sedimento-agua . Pueden cubrir depósitos aún mayores de metano gaseoso. [ 16 ]

Oceánico

El hidrato de metano puede presentarse en diversas formas, como masivo, disperso dentro de espacios porosos, nódulos, vetas/fracturas/fallas y horizontes estratificados. [ 17 ] Generalmente, se encuentra inestable en condiciones estándar de presión y temperatura, y 1 m 3 de hidrato de metano al disociarse produce aproximadamente 164 m 3 de metano y 0,87 m 3 de agua dulce. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 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 a 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 δ¹³C del clatrato y del metano disuelto circundante son similares. [ 16 ] 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 clatratos a 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 los poros del que se forman. Por lo tanto, exhiben una alta resistividad eléctrica como el hielo, y los sedimentos que contienen hidratos tienen mayor resistividad que los sedimentos sin hidratos de gas (Judge [67]). [ 21 ] : 9

Estos depósitos se encuentran dentro de una zona de profundidad media de entre 300 y 500 m de espesor en los sedimentos (la zona de estabilidad de hidratos de gas , o ZHG), 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 elevación continental del Atlántico , la ZHG comenzó a 190  m de profundidad y continuó hasta los 450  m, donde alcanzó el equilibrio con la fase gaseosa. Las mediciones indicaron que el metano ocupaba0%–9% en volumen en la GHSZ, y ~12% en la zona gaseosa. [ 22 ] [ 23 ]

En el segundo tipo, menos común y hallado cerca de la superficie del sedimento, algunas muestras presentan una mayor proporción de hidrocarburos de cadena larga ( < 99 % metano) contenidos en un clatrato de estructura II. El carbono de este tipo de clatrato es isotópicamente más pesado ( δ¹³C es de -29 a -57 ‰) y se cree que migró 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 . [ 16 ]

Algunos depósitos presentan características intermedias entre los tipos de origen microbiano y térmico, y se considera que se forman a partir de una mezcla de ambos.

El metano en los hidratos de gas se genera principalmente por consorcios microbianos que degradan materia orgánica en ambientes con bajo contenido de oxígeno, siendo el metano mismo producido por arqueas metanogénicas . La materia orgánica en los primeros centímetros de sedimentos es atacada por bacterias aerobias, generando CO₂ , que escapa de los sedimentos a la columna de agua . Debajo de esta región de actividad aerobia, los procesos anaerobios toman el relevo, incluyendo, sucesivamente con la profundidad, la reducción microbiana de nitrito/nitrato, óxidos metálicos y, posteriormente, sulfatos que 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 (aproximadamente 1  cm/año), el contenido de carbono orgánico es bajo (aproximadamente 1%) y el oxígeno es abundante, las bacterias aerobias 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 donde las tasas de sedimentación y el contenido de carbono orgánico son altos, lo que suele ocurrir en las plataformas continentales y debajo de las zonas de afloramiento de la corriente de límite occidental , el agua intersticial de los sedimentos se vuelve anóxica a profundidades de solo unos pocos centímetros o menos. En estos sedimentos marinos ricos en materia orgánica, el sulfato se convierte en el aceptor de electrones terminal 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 esta profundidad, 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 consorcio sintrófico de diferentes variedades de arqueas y bacterias. Sin embargo, solo las arqueas emiten metano.

En algunas regiones (por ejemplo, Golfo de México, Cuenca de Joetsu) el metano en los clatratos puede derivarse al menos parcialmente de la degradación térmica de materia orgánica (por ejemplo, generación de petróleo), con el petróleo incluso formando un componente exótico dentro del hidrato mismo que puede recuperarse cuando el hidrato se disocia. [ 24 ] [ 25 ] El metano en los clatratos típicamente tiene una firma isotópica biogénica y un δ 13 C altamente variable (−40‰ a −100‰ ), con un promedio aproximado de alrededor de −65‰. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Debajo de la zona de clatratos sólidos, grandes volúmenes de metano pueden formar burbujas de gas libre en los sedimentos. [ 22 ] [ 30 ] [ 31 ]

La presencia de clatratos en un sitio determinado a menudo se puede determinar mediante la observación de un reflector que simula el fondo marino (BSR, por sus siglas en inglés), que es una reflexión sísmica en la interfaz entre el sedimento y la zona de estabilidad del clatrato, causada por las densidades desiguales de los sedimentos normales y aquellos que contienen 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. [ 32 ]

Tamaño del depósito

Hidratos de gas bajo rocas carbonatadas en el lecho marino del norte del Golfo de México.

El tamaño del reservorio de clatratos de metano oceánicos 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 los clatratos podían existir en los océanos durante las décadas de 1960 y 1970. [ 33 ] Las estimaciones más altas (por ejemplo, 3 × 1018 m 3 ) [ 34 ] se basaron en la suposición de que los 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 solo en un rango estrecho de profundidades ( plataformas continentales ), solo en algunos lugares dentro del rango de profundidades donde podrían ocurrir (10-30% de la zona de estabilidad de los hidratos de gas ) y, por lo general, 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) . [ 33 ] Esta estimación, que corresponde 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. [ 33 ] [ 35 ] El reservorio de permafrost se ha estimado en alrededor de 400 Gt C en el Ártico, [ 36 ] 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 § Ocurrencia ).        

Estas estimaciones modernas son notablemente menores que las10 000 a 11 000  Gt C (2 × 1016 m 3 ) propuesto [ 37 ] 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 [ 33 ] sugieren que solo un porcentaje limitado de los depósitos de clatratos puede proporcionar un recurso económicamente viable.

Continental

Los clatratos de metano en rocas continentales quedan atrapados en estratos de arenisca o limolita a profundidades inferiores a 800  m. Los análisis indican que se forman a partir de una mezcla de gas de origen térmico y microbiano, del cual posteriormente se eliminaron selectivamente los hidrocarburos más pesados. Estos clatratos 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 lograron extraer gas reduciendo la presión, sin calentamiento, lo que requirió mucha menos energía. [ 38 ] El yacimiento de hidratos de gas de Mallik fue descubierto por primera vez por Imperial Oil entre 1971 y 1972. [ 39 ]

Uso comercial

Los depósitos económicos de hidrato se denominan hidrato de gas natural (HGN) y almacenan 164 m³ de metano y 0,8 m³ de agua en 1 m³ de hidrato . [ 40 ] La mayor parte del HGN se encuentra bajo el lecho marino (95 %), donde existe en equilibrio termodinámico . El yacimiento sedimentario de hidrato de metano probablemente contiene entre 2 y 10 veces las reservas actualmente conocidas de gas natural convencional , a partir de 2013.[ 41 ] 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. [ 33 ] 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 (US$100 millones) durante los próximos 10 años para estudiar los hidratos de gas natural. [ 42 ] 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. [ 33 ] Bjørn Kvamme y Arne Graue en el 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 por intercambio directo. [ 43 ] El método de la Universidad de Bergen está siendo probado en campo por ConocoPhillips y la empresa estatal Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), y financiado parcialmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El proyecto ya ha alcanzado la fase de inyección y estaba analizando los datos resultantes para el 12 de marzo de 2012. [ 44 ]   

El 12 de marzo de 2013, investigadores de JOGMEC anunciaron que habían extraído con éxito gas natural de hidrato de metano congelado. [ 45 ] 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 recolectó y se transportó por tuberías a la superficie, donde se encendió para demostrar su presencia. [ 46 ] Según un portavoz de la industria, "[fue] el primer experimento en alta mar del mundo para producir gas a partir de hidrato de metano". [ 45 ] Anteriormente, se había extraído gas de depósitos terrestres, pero nunca de depósitos marinos, que son mucho más comunes. [ 46 ] El campo de hidrato del que se extrajo el gas se encuentra a 50 kilómetros (31 mi) del centro de Japón en la Fosa de Nankai , a 300 metros (980 pies) bajo el mar. [ 45 ] [ 46 ] Un portavoz de JOGMEC comentó: "Japón finalmente podría tener una fuente de energía propia". [ 46 ] 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". [ 46 ] 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. [ 46 ]  

Tanto Japón como China anunciaron en mayo de 2017 un avance significativo en la extracción de clatratos de metano, al extraer metano de hidratos en el Mar de China Meridional . [ 11 ] 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 de la investigación japonesa, los científicos chinos han logrado extraer mucho más gas». [ 47 ] El consenso en la industria es que la producción a escala comercial aún está a años de distancia. [ 48 ]

Preocupaciones medioambientales

Los expertos advierten que los impactos ambientales aún se están investigando y que el metano —un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global aproximadamente 81,2 veces mayor durante un período de 20 años [ 49 ] (GWP20) que el dióxido de carbono— podría escapar a la atmósfera si algo sale mal. [ 50 ] Dado que el metano tiene una vida útil atmosférica mucho más corta que el dióxido de carbono, su GWP es mucho menor en períodos de tiempo más largos, con un GWP-100 de 27,9 y un GWP-500 de 7,95. [ 51 ] : 7SM-24

Hidratos en el procesamiento de 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 moléculas de hidrocarburos más grandes, como el etano y el propano, también pueden formar hidratos, aunque las moléculas más largas (butanos, pentanos) no caben en la estructura de la jaula de agua y tienden a desestabilizar la formación de hidratos.

Una vez formados, los hidratos pueden obstruir las tuberías y los equipos de procesamiento. Generalmente se eliminan reduciendo la presión, calentándolos o disolviéndolos por medios químicos (el metanol se usa comúnmente). Es fundamental controlar cuidadosamente la eliminación de los hidratos, debido a la posibilidad de que experimenten una transición de fase , pasando del estado sólido al sólido y liberando agua y metano gaseoso a gran velocidad al reducirse la presión. La liberación rápida de metano en un sistema cerrado puede provocar un rápido aumento de la presión. [ 12 ]

En general, es preferible evitar la formación de hidratos o el bloqueo de los equipos. Esto se suele lograr eliminando el agua o añadiendo etilenglicol (MEG) o metanol , que reducen la temperatura de formación de hidratos. En los últimos años, se han desarrollado otros inhibidores de hidratos, como los inhibidores cinéticos de hidratos (que aumentan el subenfriamiento necesario para la formación de hidratos, a costa de un aumento en la velocidad de formación de hidratos) y los antiaglomerantes, que no impiden la formación de hidratos, pero sí evitan que se adhieran entre sí y bloqueen los equipos.

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

Al perforar en formaciones productoras de 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 ascender con el lodo de perforación u otros fluidos descargados. Cuando los hidratos ascienden, 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, reduciendo aún más la presión, lo que lleva a una mayor disociación de los hidratos y a una mayor expulsión de fluido. La expulsión violenta resultante de fluido del espacio anular es una posible causa o contribuyente del "kick". [ 52 ] (Los kicks, que pueden causar reventones, generalmente no involucran hidratos: véase Reventón (perforación de pozos) §  Kick de formación ).

Entre las medidas que reducen el riesgo de formación de hidratos se incluyen:

  • Los caudales elevados limitan el tiempo de formación de hidratos en un volumen de fluido, reduciendo así el potencial de surgencia. [ 52 ]
  • Medición cuidadosa del flujo de la línea para detectar obstrucciones incipientes por hidratos. [ 52 ]
  • Se debe tener mayor cuidado al realizar mediciones cuando las tasas de producción de gas son bajas y la posibilidad de formación de hidratos es mayor que a tasas de flujo de gas relativamente altas. [ 52 ]
  • El monitoreo del revestimiento del pozo después de su " cierre " (aislamiento) puede indicar la formación de hidratos. Tras el "cierre", la presión aumenta mientras el gas se difunde a través del yacimiento hacia el pozo ; la tasa de aumento de presión muestra una tasa de incremento reducida mientras se forman los hidratos. [ 52 ]
  • La adición de energía (por ejemplo, la energía liberada al fraguar el cemento utilizado en la terminación de pozos) puede elevar la temperatura y convertir los hidratos en gas, produciendo un "desprendimiento repentino".

Recuperación tras un reventón

Diagrama conceptual de las cúpulas de contención de petróleo, que forman embudos invertidos para canalizar el petróleo hacia los buques de superficie. La plataforma petrolífera hundida se encuentra 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 y desplegaron un sistema submarino de recuperación de petróleo sobre el petróleo derramado de un pozo petrolífero en aguas profundas a 1500 metros (5000 pies) bajo el nivel del mar para capturar el petróleo que escapaba. Esto implicó colocar una cúpula de 125 toneladas (276 000 lb) sobre la mayor de las fugas del pozo y conectarla mediante tuberías a un recipiente de almacenamiento en la superficie. [ 53 ] Esta opción tenía el potencial de recolectar alrededor del 85 % del petróleo derramado, pero no se había probado previamente a tales profundidades. [ 53 ] BP desplegó el sistema entre el 7 y el 8 de mayo, pero falló debido a una acumulación de clatrato de metano dentro de la cúpula; con su baja densidad de aproximadamente 0,9 g/cm³, los hidratos de metano se acumularon en la cúpula, aumentando la flotabilidad y obstruyendo el flujo. [ 54 ]   

Clatratos de metano y cambio climático

Cuando aumenta la temperatura ambiente, el clatrato de metano se libera en forma de gas en la columna de agua o en los suelos circundantes.

La hipótesis del cañón de clatratos es una explicación propuesta para los períodos de calentamiento rápido durante el Cuaternario . La hipótesis plantea que los cambios en los flujos de las aguas intermedias superiores del océano causaron fluctuaciones de temperatura que, alternativamente, acumularon y liberaron clatratos 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 potente que el dióxido de carbono . A pesar de su vida útil 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 mayor en 100 años (33 si se tienen en cuenta las interacciones con aerosoles ). [ 55 ] Se propone además que estos eventos de calentamiento causaron los ciclos de Bond y eventos interestadiales individuales , como los interestadiales de Dansgaard-Oeschger . [ 56 ]

La mayoría de los depósitos de clatrato de metano se encuentran en sedimentos demasiado profundos para responder rápidamente, [ 57 ] y el modelo de Archer de 2007 sugiere que el forzamiento del metano derivado de ellos debería seguir siendo un componente menor del efecto invernadero general . [ 58 ] 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 lecho marino. Un aumento sostenido de la temperatura del mar acabará calentando el 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. [ 58 ] Además, investigaciones posteriores sobre depósitos de latitudes medias en el océano Atlántico y Pacífico encontraron que cualquier metano liberado del fondo marino, independientemente de su origen, no llega a la atmósfera una vez que la profundidad supera los 430 m (1411 pies), mientras que las características geológicas de la zona hacen imposible que existan hidratos a profundidades menores de 550 m (1804 pies). [ 59 ] [ 60 ]    

Posible liberación de metano en la plataforma ártica del este de Siberia.

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 la pendiente 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 de hidrato de metano más superficial conocido. [ 61 ] Sin embargo, la plataforma ártica de Siberia Oriental tiene una profundidad promedio de 45 metros, y se supone que debajo del fondo marino, sellados por capas de permafrost submarinas, se encuentran depósitos de hidratos. [ 62 ] [ 63 ] Esto significaría que cuando el calentamiento potencialmente talik o pingo forma características 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. [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] Shakhova et al. (2008) estiman que no menos de 1400 gigatoneladas de carbono se encuentran 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 línea de que "la liberación de hasta 50 gigatoneladas de la cantidad prevista de almacenamiento de hidratos [es] altamente posible para una liberación abrupta en cualquier momento". Una liberación de esta escala aumentaría el contenido de metano de la atmósfera del planeta en un factor de doce, [ 67 ] [ 68 ] equivalente en efecto invernadero a una duplicación en el nivel de CO₂ de 2008 .

Esto es lo que llevó a la hipótesis original del cañón de clatratos, y en 2008 el sistema de Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de los Estados Unidos [ 69 ] y el Programa de Ciencia del Cambio Climático del Servicio Geológico de los Estados Unidos identificaron la posible desestabilización de clatratos en el Ártico como uno de los cuatro escenarios más graves para un cambio climático abrupto, que han sido señalados para investigación prioritaria. El USCCSP publicó un informe a finales de diciembre de 2008 estimando la gravedad de este riesgo. [ 70 ] 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) dentro de 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. [ 71 ] 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. [ 72 ]

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 desestabilizaban el hidrato de metano a lo largo del talud continental del este de Estados Unidos, tras la intrusión de corrientes oceánicas más cálidas, sugieren que los deslizamientos 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 causar el PETM ), y no está claro si el metano podría llegar a la atmósfera. Sin embargo, los autores del estudio advierten: «Es improbable que el margen occidental del Atlántico Norte sea la única zona que experimenta cambios en las corrientes oceánicas; por lo tanto, nuestra estimación de 2,5 gigatoneladas de hidrato de metano desestabilizador podría representar solo una fracción del hidrato de metano que actualmente se desestabiliza a nivel mundial». [ 73 ] Bill McGuire señala: «Puede existir una amenaza de deslizamientos submarinos alrededor de los márgenes de Groenlandia , que están menos explorados. Groenlandia ya se está elevando, lo que reduce la presión sobre la corteza subyacente y también sobre los hidratos de metano submarinos en los sedimentos alrededor de sus márgenes, y es posible que se observe un aumento de la actividad sísmica en las próximas décadas a medida que se liberen las fallas activas bajo la capa de hielo. Esto podría proporcionar el potencial para la desestabilización de los sedimentos submarinos por terremotos o hidratos de metano, lo que llevaría a la formación de deslizamientos submarinos y, quizás, tsunamis en el Atlántico Norte». [ 74 ]

Las emisiones de metano en el mar de Laptev suelen ser consumidas por los metanótrofos dentro del sedimento . Las áreas con alta sedimentación (arriba) someten a sus comunidades microbianas a una perturbación continua, por lo que son las más propensas a experimentar flujos activos, ya sea con (derecha) o sin flujo ascendente activo (izquierda). Aun así, la emisión anual puede limitarse a 1000 toneladas o menos. [ 75 ]

Una investigación realizada en 2008 en el Ártico siberiano mostró liberaciones de metano a 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. [ 76 ] aparentemente a través de perforaciones en el permafrost del lecho marino, [ 66 ] con concentraciones en algunas regiones que alcanzaron hasta 100 veces los niveles normales. [ 77 ] [ 78 ] El exceso de metano se ha detectado en puntos calientes 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 pensó que parte del deshielo era el resultado del calentamiento geológico, pero se creyó que gran parte del deshielo se debía al gran aumento en los volúmenes de agua de deshielo descargados por los ríos siberianos que fluyen hacia el norte. [ 79 ]

Para 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  se emiten diariamente 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 disminuyen 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, impulsados ​​por el calentamiento global , y la mayor acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera podrían contribuir a una liberación más rápida de metano desde esta fuente. En total, su estimación actualizada ascendía ahora a 17 millones de toneladas por año. [ 80 ]

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 árticas observadas, 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 había sido sobreestimada en gran medida, y las observaciones de los flujos de metano atmosférico tomadas de múltiples cruceros marítimos en el Ártico indican en cambio que solo se emiten alrededor de 3,02 millones de toneladas de metano anualmente desde el ESAS. [ 81 ] Un estudio de modelización publicado en 2020 sugirió que, en las condiciones actuales, la liberación anual de metano del ESAS puede ser tan baja como 1000 toneladas, con 2,6 a 4,5 millones de toneladas que representan el potencial máximo de emisiones turbulentas de la plataforma. [ 75 ]

Hong et al. (2017) estudiaron la filtración de metano en los mares árticos poco profundos del 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), lo que solo ha afectado la liberación de metano hasta una profundidad de aproximadamente 1,6 metros en la interfaz sedimento-agua . Los hidratos pueden ser estables a través de los primeros 60 metros de sedimentos y las liberaciones observadas actualmente se originan a mayor profundidad bajo el lecho marino. Concluyen que el aumento del flujo de metano comenzó hace cientos o miles de años, y señalaron al respecto: "...ventilación episódica de reservorios profundos en lugar de disociación de hidratos de gas inducida por el calentamiento". [ 82 ] Resumiendo su investigación, Hong afirmó:

Los resultados de nuestro estudio indican que la inmensa filtración encontrada en esta área 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 enfoque principal de nuestra comunidad científica. [ 83 ]

Las emisiones de metano específicamente atribuidas a la disociación de hidratos en Svalbard parecen ser mucho menores que las fugas de otras fuentes de metano. [ 84 ]

La investigación de Wallmann et al. (2018) concluyó que la disociación de hidratos en Svalbard hace 8000 años se debió al rebote isostático (elevación continental tras la desglaciación ). Como resultado, la profundidad del agua disminuyó con menor presión hidrostática, sin calentamiento adicional. 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. [ 84 ] Además, otro artículo publicado en 2017 encontró que solo el 0,07 % del metano liberado por la disociación de hidratos de gas en Svalbard parece llegar a la atmósfera, y generalmente solo cuando las velocidades del viento eran bajas. [ 85 ] 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. [ 86 ]

Finalmente, 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 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 1900 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 de la liberación de metano. [ 87 ]

En 2018, un artículo de opinión 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 escalas de tiempo milenarias. [ 88 ] 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 afirma que "es muy improbable que las emisiones de CH 4 de los clatratos calienten sustancialmente el sistema climático en los próximos siglos". [ 89 ] 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, [ 90 ] 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. [ 89 ] Asimismo, una evaluación de puntos de inflexión de 2022 describió los hidratos de metano como una "retroalimentación sin umbral" en lugar de un punto de inflexión. [ 91 ] [ 92 ]

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  °C frente a −162  °C), existe cierto interés en convertir el gas natural en clatratos (gas natural solidificado o SNG) en lugar de licuarlo durante su transporte marítimo . 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. Sin embargo, para transportar 100 toneladas de metano, habría que transportar 750 toneladas de hidrato de metano; dado que esto requeriría un buque con un desplazamiento 7,5 veces mayor, o requerir más buques, es improbable que resulte económicamente viable. 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. [ 93 ] [ 94 ] 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. [ 95 ] 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. [ 96 ] 

Véase también

Notas

  1. ↑ La composición promedio del 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/cm³ . [ 12 ] 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 ), por lo que juntos 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 fraccional 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/cm³ , 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 entonces de aproximadamente 0,1341 × 0,9 kg ≈ 0,1207 kg. Con una densidad en estado gaseoso de 0,716 kg/m³ ( a 0 °C; véase  el recuadro informativo en Metano ), esto da como resultado un volumen de 0,1207 / 0,716 m³ = 0,1686 m³= 168,6L. 

Referencias

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  • Calculadora en línea  : condiciones de formación de hidratos con diferentes ecuaciones de estado

Investigación

  • Centro para el Hidrato de Gas Ártico, el Medio Ambiente y el 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. Archivado el 2 de mayo de 2007 en Wayback Machine.
  • Producción de energía de metano neutra en carbono a partir de depósitos de hidratos (Universidad de Columbia)

Video

  • Laboratorio de hidratos de gas del USGS (2012)
  • Antiguas explosiones de metano crearon cráteres oceánicos (2017)