Methanhydrate als Lösung des Knappheitsproblems fossiler Ressourcen ?

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Begriffliche Abgrenzungen
2.1. Methan
2.2. Methanhydrat

3. Nachweis von Methanhydraten
3.1. Bottom Simulating Reflector (BSR)
3.2. Geologische Probennahme

4. Regionale Vorkommen und Ressourcenabschätzungen von Methanhydraten

5. Derzeit mögliche Techniken zur Förderung von Methanhydraten

6. Ökonomische Perspektiven der Nutzung von Methanhydraten als Energieträger
6.1. Energiepotential von Methanhydraten
6.2. Derzeitige Nutzung von Methanhydraten
6.3. Zukünftige Nutzungsmöglichkeiten von Methanhydraten

7. Ökologische Perspektiven der Nutzung von Methanhydraten als Energieträger
7.1. Methanumsetzung im globalen Kohlenstoffkreislauf
7.2. Zeitliche Veränderungen der globalen Klimabilanz: Klimawirksamkeit
7.3. Mögliche Auswirkungen des Abbaus von Methanhydraten auf die Sedimentstabilität der Kontinentalhänge

8. Fazit

9. Literatur

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Methan in Hydraten

Abbildung 2: Mengenanteile von organischem Kohlenstoff einzelner Reservoirs

auf der Erde

1. Einleitung

Innerhalb vieler Millionen Jahre sind die fossilen Energievorräte der Erde entstanden. Doch nach nur wenigen Hundert Jahren der menschlichen Ausbeutung ist die Erschöpfung der konventionellen fossilen und mineralischen Energieträger absehbar.^[1]

Zwar nehmen die bekannten Vorräte an fossilen Energierohstoffen noch jährlich zu, da das Volumen der Neuentdeckungen größer ist als das des Abbaus, doch ein Knappheitsproblem fossiler Ressourcen lässt sich nicht mehr von der Hand weisen.^[2] Gegenläufig zu dieser Begrenztheit der Energieressourcen wächst die Weltbevölkerung kontinuierlich. Vorsichtige Schätzung gehen von fast 9 Milliarden Menschen für Mitte dieses Jahrhunderts aus. Damit einher geht nicht nur ein ständig wachsender Bedarf an Nahrungsmitteln, sondern auch ein stark ansteigender Energieverbrauch, gerade in den heutigen Entwicklungsländern.

Schon in den letzten 50 Jahren hat sich der Primärenergieverbrauch versechsfacht und gedeckt wird dieser weltweite Bedarf an Energieträgern zu fast neunzig Prozent von Kohlenwasserstoffen, zu denen Kohle, Öl und Gas gehören. Prognosen zufolge werden in Anbetracht des steigenden weltweiten Verbrauchs Lagerstätten von Gas und Kohle in einhundert bis zweihundert Jahren, die von Öl bereits in fünfzig Jahren erschöpft sein. Wie zuverlässig solche auch als „Szenarien“ bezeichneten Prognosen sein werden bleibt abzuwarten, doch die Suche und Forschung nach neuen, zukunftsfähigen und umweltverträglichen Energiequellen der nahen und fernen Zukunft wird immer bedeutender und dringender. Nach jahrelanger Suche scheinen Wissenschaftler nun eine Lösung gefunden zu haben. Gashydrate versprechen nach Auffassung vieler Forscher, die „neue“ Energiequelle für das 21. Jahrhundert zu werden.^[3]

Bei der Betrachtung und Erforschung von fossilen Energieträgern wurden die Gashydrate bzw. die Methanhydrate als eine spezielle Form von Gashydraten lange Zeit nahezu völlig vergessen oder nur wenig beachtet. Dabei ist es mit dem britischen Chemiker und Physiker Sir Humphrey Davy schon 1811 einem Forscher, zwar eher zufällig, gelungen eine eisähnliche Substanz (Chlorhydrat) herzustellen, indem er Chlorgas unter Druck durch Wasser perlen lies.^[4] Doch für mehr als ein Jahrhundert galten Gashydrate lediglich als kaum beachtete chemische Kuriosität und blieben der Betrachtung von Theoretikern vorbehalten, die über ihre Zusammensetzung und physikalische Struktur diskutierten. Ausserhalb des Labors stießen Gashydrate erst über 100 Jahre nach ihrer Entdeckung auf Interesse. In den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts wurden sie in der Öl- und Gasindustrie bekannt, als sich zeigte, dass unbeabsichtigte Hydratbildung für Transportprobleme in Gaspipelines verantwortlich waren. Bei herabgesetzten Temperaturen bildete sich festes Gashydrat aus unter Druck stehendem Gas, vorwiegend Methan, und verstopfte die Leitungssysteme. Die ersten natürlichen Vorkommen wurden in den sechziger Jahren in den Permafrostböden Nordamerikas und Sibiriens entdeckt. In den siebziger Jahren stießen die Geophysiker George Bryan und John Erwing vom Lamont-Dohery Geologigal Observatory auf Hinweise, dass auch Meeresböden Methanhydrate enthalten könnten. Bei seismologischen Untersuchungen am Blake Ridge vor Mittelamerika entdeckten sie einen ungewöhnlichen Reflektor, als dessen Erklärung eine Methanhydratschicht vermutet wurde.^[5] Tatsächlich gelang es 1980 mit dem Tiefseebohrschiff Glomar Challanger durch eine Bohrung auf dem Blake River ein winziges Stück Methanhydrat zutage zu fördern.^[6] Seit dem beschäftigen sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt mit der Erforschung von Gashydraten und schnell wurden die Potentiale dieser Substanzen als zukünftige Energiequelle verkündet.^[7]

Als die Bereiche mit dem größten Forschungsbedarf und den wichtigsten globalen Fragen bei der Erforschung von Methanhydraten kristallisierten sich die folgenden, auch hier untersuchten Schwerpunkte heraus:

1. Die mögliche Nutzung von Methanhydraten als zukünftige Energieressource.
2. Die zeitliche Veränderung der globalen Methanbilanz und ihre Einbeziehung in Klimamodelle.
3. Die Einbindung der Methanhydrate in den globalen Kohlenstoffkreislauf.
4. Die Bedeutung der Methanhydrate für die Sedimentstabilität der Kontinentalhänge und damit verbundene Gefahrenpotentiale.

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts haben viele Länder nationale Forschungsprogramme zur Untersuchung dieser Fragen aufgelegt. Vor allem sind dies die USA, Kanada, Japan, Indien und Deutschland.^[8]

In Deutschland sind speziell das 1987 gegründete Forschungszentrum für Marine Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, kurz GEOMAR, unter der Leitung von Prof. Dr. Erwin Suess und die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Hannover/Berlin zu nennen. Auch weiterhin besteht ein großer Forschungsbedarf und die wachsende Bedeutung des Methanhydrats hat sich mittlerweile auch bis die Forschungspolitik herumgesprochen. Dies belegen auch einige Zahlen, nach denen beispielsweise das amerikanische Methanhydrat-Programm für zehn Jahre 44 Millionen US-Dollar zur Verfügung stellen soll. 90 Millionen US-Dollar ist Japan bereit in fünf Jahren auszugeben und Indien plant ein Programm für 56 Millionen US-Dollar.^[9]

Methanhydrate sind also derzeit in aller Munde, doch können sie tatsächlich die Lösung des Knappheitsproblems fossiler Ressourcen werden ?

Dieser Frage wird im Folgenden nachgegangen und es wird dabei neben der Darstellung des aktuellen Forschungsstandes sowohl auf ökonomische und ökologische Perspektiven einer wirtschaftlichen Nutzung von Methanhydraten als Energieträger, sowie auf noch vorhandenen Forschungsbedarf eingegangen. In Kapitel Zwei werden zu Beginn einige grundlegende begriffliche Abgrenzungen vorgenommen. Kapitel Drei beschäftigt sich mit den derzeit verwendeten Methoden des Nachweises von Methanhydraten. Darauf folgt im vierten Kapitel eine Darstellung der Ressourcenabschätzungen von Methanhydraten und eine regional gegliederte Darstellung dieser Vorkommen. In Kapitel Fünf werden die derzeit möglichen Techniken zur Förderung von Methanhydraten kurz dargestellt und kritisch gewürdigt. Im sechsten Kapitel werden ökonomische Perspektiven einer möglichen Nutzung von Methanhydraten als Energieträger sowohl bezüglich des Energiepotentials, als auch der derzeitigen und zukünftigen Nutzung von Methanhydraten untersucht. Ökologische Perspektiven der möglichen Methanhydratnutzung werden in Kapitel Sieben dargestellt. Hierbei werden Aspekte der Methanumsetzung im globalen Kohlenstoffkreislauf, die Klimawirksamkeit von Methan und mögliche Auswirkungen auf Sedimentstabilitäten betrachtet. Abschließend folgt ein Fazit.

2. Begriffliche Abgrenzungen

2.1. Methan

Methan (CH4) ist wie Gas und Öl ein kohlenstoffhaltiger, fossiler Energieträger. Das farblose, bläulich brennende Gas setzt bei seiner Verbrennung Kohlendioxid frei und wird überwiegend in Gemischen mit anderen Gasen als Brenngas verwendet. Es gehört zu den Spurengasen, die zum Treibhauseffekt beitragen.^[10] Nach Kohlendioxid ist Methan das zweitbedeutenste Treibhausgas der Atmosphäre.^[11] Sein Anteil am Treibhauseffekt beträgt derzeit rund 20 Prozent, mit steigender Tendenz.^[12] Gelangt Methan in die Atmosphäre, wirkt es dort je Molekül fast 20mal stärker als das bekannte Kohlendioxid und trägt somit gravierend zum Treibhauseffekt und der Erwärmung des Erdklimas bei.^[13] Zwar werden bei der Verbrennung von Methan weit weniger Emissionen freigesetzt als durch Kohle- und Erdölnutzung, doch auch Methangas erzeugt Schadstoffe. Methangas besteht zu 1,2 Prozent aus Schwefelwasserstoff, zu 1 Prozent aus Ethan, zu 0,8 Prozent aus Propan und zu 97 Prozent aus reinem Methan, wobei bezüglich seiner Klimawirksamkeit gerade dieser hohe Methananteil Anlass zur Sorge gibt.^[14] Methan entsteht seit Jahrmillionen Jahren bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen.^[15] Es ist Hauptbestandteil von Erd-, Sumpf-, Faul- und Biogas. Erdgas beispielsweise besteht zu rund achtzig Prozent aus Methan.^[16]

2.2. Methanhydrat

Methanhydrat ist eine feste, eisartige molekulare Verbindung zwischen Wasser und Gas, die bei bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen stabil ist. Gas aus Methanhydraten gehört zu den unkonventionellen Erdgasen, da es in Lagerstätten enthalten ist, die nicht mit den klassischen Fördertechniken wirtschaftlich ausgebeutet werden können. Es sieht aus wie gewöhnliches, leicht brüchiges Eis, ist geruchlos und fühlt sich glatt und kalt an.^[17] Die in der Natur vorkommenden Hydrate enthalten überwiegend Methan als zentrales Molekül, um das sich die Wassermoleküle käfigartig herumgruppieren. Deshalb werden die Begriffe Methanhydrat und Gashydrat häufig, aber nicht ganz korrekt, synonym verwendet. Denn neben Methan gibt es noch andere hydratbildende Gase wie Kohlenstoffdioxid und verschiedene Kohlenwasserstoffe. Als terminologische Abgrenzung wird im Folgenden nur noch von Methanhydraten gesprochen, da sie die mit Abstand bedeutensten Gashydrate sind.^[18]

Bei Methanhydraten bauen die Wassermoleküle Käfigstrukturen auf, in denen die Gasmoleküle eingeschlossen sind. Sie werden deshalb auch als Einschlussverbindungen oder Clathrate (lat,:clatratus=Käfig) bezeichnet, denn Wasser und Methan gehen keine direkte chemische Bindung ein. Statt dessen lagert sich das Methan in Hohlräumen im Kristallgitter des Eises ab. Neben der ausreichenden Verfügbarkeit von Wasser und Gas sind die Stabilitätsbedingungen die entscheidenden Faktoren zur Bildung von Methanhydraten. Diese Druck-Temperatur-Bedingungen werden zudem von dem Verhältnis zwischen Wasser und Gas sowie von der Anwesenheit anderer Stoffe und den dem Methan beigemengten Gasen beeinflusst.^[19] In der Natur werden diese Druck-Temperatur-Bedingungen hauptsächlich an den Kontinentalhängen der Ozeane und in Permafrost-Gebieten, wie beispielsweise den Dauerfrostböden der polaren Regionen, erreicht. Es entsteht bei der Methanhydratbildung eine neue Verbindung, die andere Eigenschaften hat als Methan oder Wasser, welche aber nur in diesen sehr engen Druck-Temperatur-Bereichen stabil ist. Methanhydrate sind nicht nur Erdgasspeicher, sondern anders als konventionelle Gaslagerstätten bilden sie auch ihre eigenen Abdeckung, da sich unter der Hydratschicht in der Regel eine Blase aus freiem Methan befindet. Diese Eiskäfige sind imstande, erstaunliche Mengen Gas zu speichern. Ein Volumen Hydrat enthält bei diesen Stabilitätsbedingungen 164 Volumina Methan unter Standartbedingungen, also bei Luftdruck. Bei konventionellen Erdgaslagerstätten erreicht man ähnliche Werte erst in einer Tiefe von 1700 Metern. Anders ausgedrückt bedeutet dies, schmilzt eine Einheit Gashydrat, dann werden 164 Einheiten Methangas frei und zurück bleibt eine Pfütze aus 0,8 Einheiten Wasser. Deshalb werden Methanhydrate oftmals auch als „brennbares Eis“ bezeichnet, denn ein schmelzender Methanhydratbrocken kann problemlos in der Hand gehalten und angezündet werden. Dabei verbrennt das frei werdende Methan mit eine konstanten gelblich-blauen Flamme, während das frei werdende Wasser abtropft.^[20]

3. Nachweis von Methanhydraten

Methanhydrate kommen weltweit unter den verschiedensten geologischen Gegebenheiten vor, solange die notwendigen Stabilitätsbedingungen erfüllt sind. Somit wird grundsätzlich kein Bereich der Erde bei der Suche nach Methanhydraten ausgeschlossen. Im Folgenden werden die zwei nach heutigem Forschungsstand bedeutensten Methoden zum Nachweis von Methanhydraten vorgestellt. Zum einen ist dies die geologische Probennahme. Zum anderen, die weitaus wichtigere Methode, die Auswertung von seismischen Reflektoren, dem sogenannten Bottom Simulating Reflektor (BSR).^[21]

3.1. Bottom Simulating Reflector (BSR)

Der Bottom Simulating Reflektor (BSR) ist ein seismischer Reflektor mit negativem Reflektionskoeffizienten. Er wird zum offshore Nachweis von Methanhydraten genutzt. Der BSR entsteht an der Grenzfläche von hydrathaltigen Sedimenten zu solchen mit freiem Methangas. Bei dieser Methode werden Schallwellen von Forschungsschiffen aus in Richtung Meeresboden geschickt. Die teilweise mehrere hundert Meter dicken Methanhydratschichten im Sedimentsbereich reflektieren diese Schallwellen anschließend in charakteristischer Weise.^[22] Der Reflektor tritt in Tiefen bis zu einigen hundert Metern unterhalb des Meeresbodens auf, wo nach dort herrschenden Druck-Temperatur-Bedingungen die Untergrenze der Methanhydratstabilität liegt. Somit sind oberhalb des BSR prinzipiell Methanhydrate zu erwarten. Unterhalb des BSR und somit auch unterhalb der festen Hydraschicht existiert aufgrund der höheren Temperaturen in der Regel eine Blase aus freiem Gas.^[23] BSR-Horizonte wurden mehrfach im Rahmen des Ocean Drilling Programm an den Kontinentalhängen vor Peru, Chile, Costa Rica und am Blake-Rücken vor North-Carolina durchbohrt.^[24] Bei diesen Bohrungen wurde die Hypothese bestätigt, dass freies Gas unterhalb des BSR der steuernde Parameter zur Ausbildung der Stärke des BSR ist. Diese Bohrungen haben aber darüber hinaus auch gezeigt, dass Hydrate auch dort vorkommen können, wo kein BSR registriert werden konnte. Das bedeutet, dass wenn kein freies Gas unterhalb der Methanhydratzone vorhanden ist, mit dieser Methode auch kein BSR registriert wird, obwohl Methanhydrate vorhanden sind. Es ist also davon auszugehen, dass diese mit geophysikalischen Methoden nicht zu erkennenden Methanhydratvorkommen dazu führen, dass die weltweiten Vorkommen unterschätzt werden.^[25]

[...]

^[1] Vgl.: Arte-TV-Archimedes (1999).

^[2] Vgl.: Der Fischer Weltalmanach (2001), S.1189 - 1190.

^[3] Vgl.: Max-Plank-Institut für Plasmaphysik (2001).

^[4] Vgl.: GEOMAR (2001).

^[5] Vgl.: Suess, E., Bohrmann, G., Greinert, J. und Lausch, E.(1999), S.64 - 65.

^[6] Vgl.: GEOMAR (2001).

^[7] Vgl.: Scinexx (2001).

^[8] Vgl.: GEOMAR (2001).

^[9] Vgl.: Suess, E., Bohrmann, G., Greinert, J. und Lausch, E. (1999), S.72.

^[10] Vgl.: Der Brockhaus (1999), Band 9, S. 247.

^[11] Vgl.: Lossau, N. (2001).

^[12] Vgl.: Katalyse Umweltlexikon (2001).

^[13] Vgl.: U.S. Geological Survey (2001).

^[14] Vgl.: Arte-TV-Archimedes (1999).

^[15] Vgl.: Geo Explorer (1997).

^[16] Vgl.: Schuh, H. (2001).

^[17] Vgl.: Kehse, U. (2000), S. 17.

^[18] Vgl.: Scinexx (2001).

^[19] Vgl.: Kehse, U. (2000), S. 17.

^[20] Vgl.: Laukenmann, J. (1998).

^[21] Vgl.: Gerling, P. (1999), S. 193.

^[22] Vgl.: National Energy Technology Laboratory (2001).

^[23] Vgl.: Suess, E. und Thiede, J. (1999), S. 9 - 10.

^[24] Vgl.: Pecher, I. A. (2000).

^[25] Vgl.: GEOMAR (2001).