Hidrato de metano: El mayor recurso de gas natural del mundo

El mayor recurso de gas natural del mundo está atrapado bajo el permafrost y los sedimentos oceánicos.

Hidrato de metano: A la izquierda se muestra un modelo de hidrato de metano con una molécula central de metano rodeada por una «jaula» de moléculas de agua. Otras moléculas de hidrocarburos, como el pentano y el etano, pueden ocupar la posición central en esta estructura. (Imagen del Departamento de Energía de los Estados Unidos). A la derecha, una muestra de hielo de hidrato de metano en llamas (imagen del Servicio Geológico de Estados Unidos).

¿Cemento de hidrato de metano en conglomerado?: Esta foto muestra una muestra de núcleo de la zona de hidrato de metano en el pozo de prueba de Mallik. Este pozo penetra en depósitos de permafrost en la zona del delta del río Mackenzie en Canadá. Esta parte del núcleo muestra gravas cementadas en un «conglomerado» por el hielo de los hidratos de metano. Haga clic para ampliar la imagen.

¿El próximo «cambio de juego» energético?

A medida que el gas natural de esquisto se convierte en un «cambio de juego» energético mundial, los investigadores del sector del petróleo y el gas trabajan en el desarrollo de nuevas tecnologías para producir gas natural a partir de depósitos de hidratos de metano. Esta investigación es importante porque se cree que los depósitos de hidratos de metano constituyen un recurso de hidrocarburos mayor que todos los recursos mundiales de petróleo, gas natural y carbón juntos. [1] Si estos yacimientos pueden desarrollarse de forma eficiente y económica, el hidrato de metano podría convertirse en el próximo cambio energético.

Se han encontrado enormes cantidades de hidrato de metano bajo el permafrost ártico, bajo el hielo antártico y en depósitos sedimentarios a lo largo de los márgenes continentales de todo el mundo. En algunas partes del mundo están mucho más cerca de las zonas de alta población que cualquier yacimiento de gas natural. Estos depósitos cercanos podrían permitir a los países que actualmente importan gas natural ser autosuficientes. El reto actual es inventariar este recurso y encontrar formas seguras y económicas de desarrollarlo.

Tabla de estabilidad de los hidratos de metano: Este diagrama de fase muestra la profundidad del agua (presión) en el eje vertical y la temperatura en el eje horizontal. Las líneas discontinuas separan los campos de estabilidad del agua, el hielo de agua, el gas y el hidrato de gas. La línea marcada como «transición de hidrato a gas» es significativa. Por debajo de esta línea se dan las condiciones para la formación de hidrato de metano. Por encima de esta línea no se forma el hidrato de metano. La línea roja traza una geotermia (el cambio de temperatura con la profundidad en un lugar específico). Obsérvese cómo, a medida que aumenta la profundidad, la geoterma cruza la línea de transición de hidrato a gas. Esto significa que el hidrato de gas en los sedimentos suele estar por encima del gas libre. Gráfico modificado según la NOAA. [4]

¿Qué es el hidrato de metano?

El hidrato de metano es un sólido cristalino que consiste en una molécula de metano rodeada por una jaula de moléculas de agua entrelazadas (véase la imagen en la parte superior de esta página). El hidrato de metano es un «hielo» que sólo se produce de forma natural en depósitos del subsuelo donde las condiciones de temperatura y presión son favorables para su formación. Estas condiciones se ilustran en el diagrama de fases de esta página.

Si el hielo se saca de este entorno de temperatura y presión, se vuelve inestable. Por esta razón, los depósitos de hidratos de metano son difíciles de estudiar. No pueden ser perforados y perforados para su estudio como otros materiales del subsuelo porque al ser llevados a la superficie, la presión se reduce y la temperatura aumenta. Esto hace que el hielo se derrita y el metano se escape.

Se suelen utilizar otros nombres para el hidrato de metano. Estos incluyen: clatrato de metano, hidrometano, hielo de metano, hielo de fuego, hidrato de gas natural e hidrato de gas. La mayoría de los depósitos de hidrato de metano también contienen pequeñas cantidades de otros hidratos de hidrocarburos. Entre ellos se encuentran el hidrato de propano y el hidrato de etano.

Mapa de hidratos de metano: Este mapa es una versión generalizada de las localizaciones en la base de datos del inventario global de ocurrencia de hidratos de gas natural del USGS. [2]

Mapa de hidratos de gas: Uno de los yacimientos de hidratos de gas más estudiados es el de Blake Ridge, en las costas de Carolina del Norte y Carolina del Sur. Los retos de la producción de metano a partir de este depósito son el alto contenido de arcilla y la baja concentración de metano. [3] Este mapa es un ejemplo de la proximidad de los depósitos del margen continental a los mercados potenciales de gas natural. Imagen de la NOAA. [4]

Laboratorio de Hidratos de Gas del USGS: Este vídeo le lleva a visitar el Laboratorio de Hidratos de Gas del USGS, donde los investigadores realizan experimentos con muestras de hidratos de gas recogidas en zonas polares y del margen continental. También crean hidratos de gas sintéticos y realizan experimentos para determinar sus propiedades químicas y físicas.

¿Dónde están los depósitos de hidratos de metano?

Cuatro entornos terrestres presentan las condiciones de temperatura y presión adecuadas para la formación y estabilidad de los hidratos de metano. Estos son: 1) unidades de sedimentos y rocas sedimentarias bajo el permafrost ártico; 2) depósitos sedimentarios a lo largo de los márgenes continentales; 3) sedimentos de aguas profundas de lagos y mares interiores; y, 4) bajo el hielo antártico. [10]. A excepción de los depósitos antárticos, las acumulaciones de hidratos de metano no se encuentran a gran profundidad bajo la superficie de la Tierra. En la mayoría de las situaciones, el hidrato de metano se encuentra a unos cientos de metros de la superficie del sedimento.

Modelos de depósito de hidratos de metano: Modelos de depósito para los depósitos de hidratos de metano en los márgenes continentales y bajo el permafrost. [7]

En estos entornos, el hidrato de metano se presenta en el sedimento como capas, nódulos y cementos intergranulares. Los depósitos son a menudo tan densos y lateralmente persistentes que crean una capa impermeable que atrapa el gas natural que se mueve hacia arriba desde abajo.

En 2008, el Servicio Geológico de los Estados Unidos estimó el total de recursos de hidratos de gas no descubiertos en la zona del North Slope de Alaska, y estimó que el total de recursos de gas natural no descubiertos en forma de hidratos de gas oscila entre 25,2 y 157,8 billones de pies cúbicos. [5]

Laboratorio de hidratos de gas del USGS: Este vídeo le lleva a visitar el laboratorio de hidratos de gas del USGS, donde los investigadores realizan experimentos con muestras de hidratos de gas recogidas en zonas polares y del margen continental. También crean hidratos de gas sintéticos y realizan experimentos para determinar sus propiedades químicas y físicas.

Pozo de hidratos de gas: Pozo de hidratos de gas Ignik Sikumi #1 en el Talud Norte de Alaska. Una evaluación de recursos de hidratos de gas del USGS determinó que el Talud Norte tiene un amplio recurso de hidratos de gas atrapado bajo el permafrost. Foto del Departamento de Energía.

Ignik Sikumi: Este vídeo le lleva a visitar el ensayo de campo de hidratos de gas de Ignik Sikumi, un pozo en el Talud Norte de Alaska que produjo gas natural a partir de hidratos de gas bajo el permafrost. El logro conseguido aquí fue liberar el metano sustituyéndolo por dióxido de carbono, sin fundir el hidrato de gas.

¿Dónde se produce actualmente el hidrato de metano?

Hasta la fecha no ha habido ninguna producción comercial de metano a gran escala a partir de depósitos de hidratos de gas. Toda la producción ha sido a pequeña escala o experimental.

A principios de 2012, un proyecto conjunto de Estados Unidos y Japón produjo un flujo constante de metano inyectando dióxido de carbono en la acumulación de hidratos de metano. El dióxido de carbono sustituyó al metano en la estructura del hidrato y liberó el metano para que fluyera hacia la superficie. Esta prueba fue significativa porque permitió la producción de metano sin las inestabilidades asociadas a un hidrato de gas en fusión. [6]

Los yacimientos de hidratos de metano más probables que se seleccionarán para su primer desarrollo tendrán las siguientes características 1) altas concentraciones de hidrato; 2) rocas reservorio con alta permeabilidad; y, 3) ubicaciones donde haya una infraestructura existente. [7] Los yacimientos que reúnan estas características se situarán probablemente en el talud norte de Alaska o en el norte de Rusia.

Ignik Sikumi: Este vídeo le lleva a visitar el ensayo del campo de hidratos de gas Ignik Sikumi, un pozo en el Talud Norte de Alaska que produjo gas natural a partir de hidratos de gas bajo el permafrost. El logro conseguido aquí fue liberar el metano sustituyéndolo por dióxido de carbono, sin fundir el hidrato de gas.

Fusión de los hidratos de gas: Cuando se perforan pozos petrolíferos a través de sedimentos con hidratos, la temperatura cálida del petróleo que asciende a través de la zona de hidratos congelados puede provocar su fusión. Esto puede provocar la rotura del pozo. Los oleoductos calientes que pasan por encima de los afloramientos de hidratos congelados también son un peligro. [8] Imagen del USGS.

Peligros de los hidratos de metano

Los hidratos de metano son sedimentos sensibles. Pueden disociarse rápidamente con un aumento de la temperatura o una disminución de la presión. Esta disociación produce metano libre y agua. La conversión de un sedimento sólido en líquidos y gases creará una pérdida de soporte y resistencia al cizallamiento. Esto puede provocar desprendimientos submarinos, corrimientos de tierra o hundimientos que pueden dañar los equipos de producción y las tuberías. [7]

El metano es un potente gas de efecto invernadero. El aumento de las temperaturas en el Ártico podría provocar la fusión gradual de los hidratos de gas que se encuentran bajo el permafrost y el calentamiento de los océanos podría provocar la fusión gradual de los hidratos de gas cerca de la interfaz sedimento-agua. Aunque muchos informes de noticias han presentado esto como una catástrofe potencial, la investigación del USGS ha determinado que los hidratos de gas están contribuyendo actualmente al metano atmosférico total y que es poco probable que una fusión catastrófica de los depósitos de hidratos inestables envíe grandes cantidades de metano a la atmósfera. [9]

Enorme potencial

Aunque las acumulaciones de hidratos de metano se encuentran en entornos difíciles y presentan numerosos retos técnicos, están ampliamente distribuidas y son la mayor fuente de hidrocarburos de la Tierra. Podrían desarrollarse diversas tecnologías para producirlos mediante la reducción de la presión, el intercambio de iones y otros procesos que aprovechen sus singulares propiedades químicas y físicas.Estados Unidos, Canadá, Japón e India cuentan con vigorosos programas de investigación que trabajan para descubrir tecnologías viables para producir hidratos de gas. Es probable que los hidratos de metano desempeñen un papel importante en nuestra futura combinación energética.

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