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3 Rohstoffe aus dem Meer – Chancen und Risiken

Die Entstehung

Vom Plankton zum Hydrat

> Methanhydrat kennt man bereits seit den 1930er Jahren. Erst seit gut 10 Jahren aber wird die Substanz als ernst zu nehmender fossiler Energieträger der Zukunft diskutiert. Inzwischen ist es gelungen, die weltweit verfügbare Menge recht genau einzuschätzen. Jetzt versuchen Forscher, die ertragreichsten Vorkommen zu finden.

Die Entdeckung eines neuen Rohstoffs

Methan ist ein weitverbreitetes Molekül, das für viele Menschen alltäglich ist: Es ist der brennbare Hauptbestandteil von Erdgas. Je nach Qualität besteht Erdgas zu 75 bis 99 Prozent aus Methan. Weitere Inhaltsstoffe sind die Gase Ethan, Propan oder Schwefel­wasser­stoff. Bei Raumtemperatur und normalem Umgebungsdruck an der Erdoberfläche ist Methan gasförmig. Bei Kälte und hohen Drücken aber kann es mit Wasser eisähnliches, festes Methanhydrat bilden. Im Hydrat ist das Methan rund 160-mal dichter gepackt als im Erdgas. Das bedeutet, dass 1 Kubikmeter Hydrat rund 160 Kubikmeter Gas enthält. Beim Zerfall des Hydrats wird also viel Methangas frei. Diese Methanhydrate kennt man seit den 1930er Jahren. Damals klagten Erdgas­ver­sorger darüber, dass ihnen bei Kälte die Erdgasleitungen und -ventile zufroren. Erstaunlich war, dass sich die Leitungen mitunter bereits bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser zusetzten. Die Verstopfungen konnten also nicht durch gewöhnliches Wassereis entstanden sein. Die Forscher fanden heraus, dass es sich bei den eisähnlichen Ablagerungen um eine Substanz aus Methan und Wasser handelte. Fortan mischte man dem Erdgas Zusätze bei, um die unerwünschte Methanhydratbildung zu verhindern. Zunächst hielt man Methanhydrat für ein Phänomen, das nur in Industrieanlagen auftritt. Doch in den 1960er Jahren sorgten russische Forscher für eine kleine Sensation. Bei einer Bohrung förderten sie unbeabsichtigt Methanhydratbrocken an die Erdoberfläche.

Zusatzinfo Brennbares Eis aus Methan und Wasser

Damit lieferten sie den Beweis, dass Methanhydrat auch auf natürliche Weise entstehen kann. Kurze Zeit später wiesen US-Forscher Methanhydrat auch im Permafrostboden Alaskas nach. Sie schlossen daraus, dass Methanhydrat sehr verbreitet sein könnte, und machten sich weltweit auf die Suche – auch in den Ozeanen. 1971 wurden die ersten großen Vorkommen am Grund des Schwarzen Meeres entdeckt und Anfang der 1980er Jahre vor der Küste Alaskas. Heute weiß man, dass Methan-hydrate in allen Meeren und vor allem an den Rändern der Kontinente vorkommen. Man schätzt, dass in den Hydraten im Meeresboden rund 10-mal mehr Methan gespeichert ist als in konventionellen Erdgaslagerstätten. Methanhydrat ist damit eine vielversprechende fossile Energiequelle der Zukunft. Seit etwa 10 Jahren wird die Erkundung der Methanhydrat­lagerstätten im Meer daher intensiv vorangetrieben. Interesse haben vor allem Staaten wie Japan, Südkorea oder Taiwan. Sie verfügen kaum über eigene fossile Energiereserven und müssen Gas, Kohle und Öl in großen Mengen importieren. Mit Methanhydraten aus den eigenen Ho-heitsgewässern könnten sie sich von Importen und den zuletzt stark gestiegenen Energiepreisen ein Stück weit unabhängig machen.

Zusatzinfo Bedeutende Gashydrat- vorkommen

Erst Methan, dann Hydrat

Methanhydrate entstehen natürlich nur dort, wo ausreichend Methan zur Verfügung steht. Dieses bildet sich im Meeresboden auf 2 unterschiedliche Arten:
  • Biogenes Methan entsteht im Meeresboden durch den mikrobiellen Abbau von Biomasse. Bei dieser Biomasse handelt es sich um abgestorbene Planktonorganismen wie zum Beispiel Mikroalgen oder Kleinkrebse, die in der Wassersäule zum Meeresboden sinken und sich im Laufe der Zeit zu mächtigen Sedimentpaketen anhäufen. Die Methan erzeugenden Mikro­orga­nismen zersetzen die Biomasse in Methan und Kohlendioxid. Dieser Prozess wird Methanogenese genannt. Experten schätzen, dass 80 bis 90 Prozent des weltweit in Hydraten lagernden Methans biogen durch Methanogenese erzeugt wurde. Die methanogenen Bakterien sind in einer Sedimenttiefe von etwa 10 Metern bis 3 Kilometern zu finden. Oberhalb von 10 Metern sind andere Mikroorganismen aktiv, die kein Methan erzeugen. Direkt auf dem Meeresboden und in den oberen Zentimetern des Sediments leben Mikroorganismen, die Sauerstoff benötigen. Diese sogenannten aeroben, sauerstoffzehrenden, Mikro­organismen zersetzen bereits einen großen Teil der herabsinkenden Biomasse. In den nahezu sauerstofffreien Sedimentschichten darunter sind wiederum Mikroorganismen aktiv, die für ihren Stoffwechsel statt des Sauerstoffs die Schwefelverbindung Sulfat benötigen, die in diesen Sedimentschichten in großen Mengen vorhanden ist. Auch diese sogenannten Sulfatreduzierer verbrauchen Biomasse, ohne Methan zu erzeugen. Erst im sauerstoff- und sulfatfreien Milieu unterhalb von 10 Metern können die methanogenen Mikroorganismen gedeihen.
  • Thermogenes Methan entsteht in sehr viel tieferen Schichten der Erdkruste ohne die Aktivität von Mikroorganismen auf chemischem Wege. Die Entstehung gleicht der von Erdöl und Erdgas. Durch hohe Drücke und bei Temperaturen von mehr als 100 Grad Celsius werden die Überreste Jahrmillionen alter Biomasse in harten Sedimentgesteinen, die mehrere Kilometer tief liegen, in Methan umgewandelt. Dabei handelt es sich um rein chemische Prozesse, die durch Wärme getrieben sind. Durch Risse im Untergrund kann das thermogene Methan dann bis in Schichten aufsteigen, wo Druck- und Temperaturverhältnisse die Bildung von Hydraten erlauben.
3.3 > Gashydrate kommen dort vor, wo viel Biomasse zu Boden sinkt und zugleich nied­rige Temperaturen und hohe Drücke herrschen – insbesondere an den Kontinentalabhängen. Je höher die Wassertemperatur ist, desto größere Tiefen und Drücke sind für die Bildung des Hydrats nötig. In sehr großer Tiefe jedoch ist die Temperatur im Meeresboden aufgrund der Erdwärme so hoch, dass sich dort keine Methanhydrate mehr bilden können.
Abb. 3.3 > Gashydrate kommen dort vor, wo viel Biomasse zu Boden sinkt und zugleich nied­rige Temperaturen und hohe Drücke herrschen – insbesondere an den Kontinentalabhängen. Je höher die Wassertemperatur ist, desto größere Tiefen und Drücke sind für die Bildung des Hydrats nötig. In sehr großer Tiefe jedoch ist die Temperatur im Meeresboden aufgrund der Erdwärme so hoch, dass sich dort keine Methanhydrate mehr bilden können. © Geomar

Zusatzinfo Die Entstehung der Methanhydrate

Voraussetzung für die Bildung von Methanhydraten sind also die richtige Temperatur, der richtige Druck und eine ausreichende Methankonzentration. Diese Bedingungen findet man vor allem in den Gebieten nahe der Küsten, insbesondere an den Konti­nental­abhängen unterhalb von 500 Meter Wassertiefe. Die meisten Küsten­gebiete sind reich an Nährstoffen, die durch die Flüsse ins Meer transportiert werden. Hier gedeihen Unmengen von Planktonorganismen, die wiederum Nahrung für höhere Tiere sind. Die Küstengebiete sind folglich enorm produktiv, und entsprechend groß ist die Menge abgestorbener Biomasse, die zum Meeresboden rieselt und sich als Sediment ablagert. Die Meeresregionen fernab der Küsten sind hingegen relativ nährstoffarm. Entsprechend gering ist dort die Produktion von Biomasse und die Menge an Plankton, die zu Boden sinkt. Methanhydrate kommen daher in der küstenfernen Tiefsee so gut wie nicht vor. Die Zone, in der Gashydrate im Meeresboden stabil sind, nennt man Gashydrat­stabilitätszone (GHSZ). Das ist jener Bereich, in dem die für die Methanhydratbildung erforderlichen Temperaturen und Drücke herrschen. Oberhalb der GHSZ ist der Umgebungsdruck zu gering, als dass Methan und Wasser miteinander reagieren könnten. Unterhalb der GHSZ ist es durch die Nähe zum heißen Erdinneren zu warm. So steigt die Temperatur im Boden mit jedem Kilometer Richtung Erdkern um 30 bis 40 Grad Celsius an. Die Dicke und die Lage der GHSZ unter­scheiden sich von Meeresgebiet zu Meeresgebiet. In manchen Fällen ist die GHSZ nur wenige Meter dick und liegt direkt unter dem Meeresboden. In anderen Fällen kann sie bis zu 800 Meter dick sein und mächtige Sedimentablagerungen umfassen.

Die Methanhydratmengen abschätzen

Bislang wurden erst wenige Methanhydratvorkommen im Meer im Detail untersucht. Dennoch hat man versucht, die weltweit verfügbare Menge an Methanhydraten zu berechnen, und kam dabei zu Schätzungen von 500 bis 55 000 Gigatonnen Kohlenstoff. 1 Gigatonne entspricht 1 Milliarde Tonnen. Kohlenstoff macht 75 Prozent der Masse des Methanmoleküls aus und wird daher als Bezugsgröße verwendet. Auf diese Art lassen sich die Vorkommen auch mit anderen fossilen Rohstoffvorkommen vergleichen. Dass die Angaben derart voneinander abwichen, lag vor allem daran, dass die Forscher verschiedene Einflussgrößen in ihren Berechnungen berücksichtigen mussten und diese unterschiedlich gewichtet wurden. Für eine genaue Abschätzung der weltweiten Methanhydratvorräte müssen die Wissenschaftler zum einen möglichst genau berechnen, wie viel Biomasse im Laufe der Jahrmillionen in den Meeren sedimentiert ist und für die Methanogenese zur Verfügung stand. Zum anderen müssen sie abschätzen, wie viel Methan letztlich in die GHSZ vordringen konnte. Dabei sind unter anderem folgende Aspekte zu berücksichtigen:
  • klimatische Veränderungen, die die Produktion von Plankton und Biomasse in den verschiedenen erdgeschichtlichen Epochen beeinflusst haben;
  • die Aktivität der aeroben Mikroorganismen und der Sulfatreduzierer, die in den oberen Sedimentschichten bereits große Mengen der Biomasse verbrauchen;
  • die Veränderung der Küstenlinien durch das Steigen und Fallen des Meeresspiegels während der Warm- und Eiszeiten. Da Meeresgebiete trockenfielen, fand zu bestimmten Zeiten keine Sedimentation statt. In anderen Perioden nahm die Sedimentation zu oder ab;
  • die Methankonzentration im sogenannten Porenwasser. Methangas wandert in den mit Wasser gefüllten Ritzen, den Poren, zwischen den Sediment­partikeln aufwärts. Je nachdem, wie viel Methan aus der Tiefe aufsteigt, ist die Methankonzentration im Porenwasser kleiner oder größer. Unabhängig von den vorherrschenden Drücken oder Temperaturen kann sich Methanhydrat erst dann bilden, wenn das Porenwasser eine ausreichend hohe Methankonzentration erreicht;
  • die Plattentektonik: Von Interesse sind Regionen, in denen eine Kontinental­platte unter eine andere abtaucht, die sogenannten Subduk­tions­zonen. Während die Platte abtaucht, wird das Porenwasser aus dem Sediment wie aus einem Schwamm gequetscht. Es steigt auf und trägt darin enthaltenes Methan mit sich. Diese Prozesse finden auch heute noch statt. Gelangt das Methan in die GHSZ, kann es wesentlich zur Produktion von Methanhydrat beitragen. Die Herausforderung besteht darin, den Aufstieg von Wasser und Methan in den Subduktionszonen genau zu berechnen.
3.5 > Steinerne Schönheit: Strömungen und Wellen haben auf der Point-Loma-Halbinsel in Kalifornien Turbidite freigespült.
Abb. 3.5 > Steinerne Schönheit: Strömungen und Wellen haben auf der Point-Loma-Halbinsel in Kalifornien Turbidite freigespült. © Eurico Zimbres/wikimedia commons
Aktuelle Schätzungen, die versuchen all diese Aspekte zu berücksichtigen, kommen auf eine weltweite Gashydratmenge in einer Größenordnung zwischen 500 und 1500 Gigatonnen Kohlenstoff. Das ist deutlich weniger als die noch vor wenigen Jahren postulierten 55 000 Gigatonnen, aber deutlich mehr als die Reserven an konventionellem Erdgas, die heute auf etwa 100 Gigatonnen Kohlen­stoff geschätzt werden. Neben einer Gesamteinschätzung ist für die Forscher auch die detaillierte Berechnung der Methanhydratvorräte in bestimmten Meeresregionen in-teressant. Denn diese geben Hinweise darauf, wo es sich lohnt, die Methanhydratlagerstätten mit Forschungsschiffen genauer zu untersuchen. Schiffsexpeditionen sind ausgesprochen teuer. Insofern haben Energiekonzerne und Wissenschaftler ein Interesse daran, in erster Linie große Lagerstätten zu erkunden, die künftig viel Methan liefern könnten.
3.6 > Methanhydrate kommen weltweit vor allem an den Kontinentalabhängen vor. Nach aktuellen Schätzungen befinden sich die größten Lagerstätten vor Peru und der Arabischen Halbinsel. Die Grafik berücksichtigt nur die biogen entstandenen Gashydrate. Nicht berücksichtigt ist der Beitrag der Methanmengen, die thermogen entstanden sind.
Abb. 3.6 > Methanhydrate kommen weltweit vor allem an den Kontinentalabhängen vor. Nach aktuellen Schätzungen befinden sich die größten Lagerstätten vor Peru und der Arabischen Halbinsel. Die Grafik berücksichtigt nur die biogen entstandenen Gashydrate. Nicht berücksichtigt ist der Beitrag der Methanmengen, die thermogen entstanden sind. © Geomar

Vielversprechende Baumkuchensedimente

Ob und wie viel Methan künftig aus den GHSZ gefördert werden kann, hängt vor allem auch von den Sedimenten ab, in denen sich das Methanhydrat befindet. Es gibt verschiedene hydrathaltige Sedimenttypen, die sich durch den Anteil größerer oder kleiner Partikel unterscheiden: Sand und Sandstein, Ton sowie Mischformen. Sand und Sandstein haben relativ große Poren, aus denen sich das Methan leicht herauslösen lässt. Weltweit gibt es aber nur wenige solcher großen Sandkörper, die überhaupt Methanhydrate enthalten. Aus kompakten Tonsedimenten, in denen die Partikel sehr verdichtet sind, lässt sich Methanhydrat hingegen überhaupt nicht fördern. Weitverbreitet sind sogenannte Turbidite. Dabei handelt es sich um eine Mischform aus Sand- und Tonsedimenten. In den baumkuchenartigen Turbiditsedimenten wechseln sich Sand- und Tonlagen ab. Turbidite sind im Laufe der Zeit vor allem durch Hangrutschungen an Kontinentalabhängen entstanden. Wenn sich zu viel Sediment abgelagert hat, kommt der Hang ins Rutschen. Am Fuß des Hangs schieben sich dann die Sedimente schichtweise übereinander. Zum Teil sind die einzelnen Turbiditschichten nur wenige Zentimeter mächtig. Gelegentlich können die einzelnen Lagen aber auch eine Mächtigkeit von 10 Metern erreichen. Wie gut sich Methan aus Hydraten in Turbiditen fördern lässt, wurde in den vergangenen Monaten mit Probebohrungen vor Japan untersucht. Textende