Energie
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WOR 1 Mit den Meeren leben - ein Bericht über den Zustand der Weltmeere | 2010

Hoffnungsträger Methandhydrat

Methanhydrat

> Bis vor zehn Jahren hatte noch kaum jemand von ihnen gehört, den Methanhydraten. Inzwischen aber werden diese chemischen Verbindungen als mögliche künftige Energiequelle im Meeresgrund diskutiert. Die Menge an Erdgas, die in den Hydraten gebunden ist, übersteigt die Erdgasreserven in konventionellen Lagerstätten um ein Vielfaches. Aber die Methanhydrate bergen nicht nur eine potenzielle Energiequelle, sondern auch ein Klimarisiko.

Brutstätte der Methanhydrate: der Meeresgrund

Methanhydrate sind eisähnliche weiße Festkörper, die aus Methan und Wasser bestehen. Die Methanmoleküle sind dabei in mikroskopisch kleinen Käfigen eingeschlossen, die aus Wassermolekülen aufgebaut sind. Methan wird vor allem durch Mikroorganismen gebildet, die in tiefen Sedimentschichten leben und dort organische Substanzen sehr langsam in Methan umwandeln. Die organischen Stoffe, aus denen das Methan gebildet wird, sind Überreste von Plankton, das vor langer Zeit im Ozean gelebt hat, zum Meeresboden gesunken ist und schließlich in die Sedimente eingebettet wurde.
Methanhydrate sind nur bei hohen Drücken von mehr als 35 bar und niedrigen Temperaturen stabil. Der Meeresgrund ist deshalb für die Bildung von Methanhydraten geradezu ideal: Das Bodenwasser der Ozeane und der Tiefseeboden sind mit 0 bis 4 Grad Celsius fast überall sehr kalt. Zudem herrscht ab einer Wassertiefe von circa 350 Metern ein ausreichend hoher Druck, um die Hydrate zu stabilisieren. Dringt man aber tiefer in die mächtigen Sedimentschichten am Meeresboden ein, steigen die Temperaturen durch die zunehmende Nähe zum Erdinnern wieder an. In Sedimenttiefen von mehr als etwa 1 Kilometer steigen die Temperaturen auf über 30 Grad Celsius, sodass keine Methanhydrate abgelagert werden können. Allerdings ist hier die Methanbildung besonders intensiv. Zunächst entstehen kleine Methangasblasen, die aus den Tiefen des Sediments aufsteigen und dann im kühlen Wasser am Meeresboden in Methanhydrate umgewandelt werden. Das Methan wird also in tiefen und warmen Sedimenthorizonten gebildet und erst in den kalten oberen Sedimentschichten in Methanhydrat umgewandelt und fixiert. In flachen Randmeeren und Schelfbereichen gibt es keine Methanhydrate. Dort reicht der Druck am Meeresboden nicht aus, um die Hydrate zu stabilisieren. Am Boden der großen Ozeanbecken wiederum ist zwar der Druck hoch genug, dort sind aber kaum Hydrate vorzufinden, da nur wenig organische Substanz in die Tiefseesedimente eingebettet wird, die den Boden dieser Ozeanbecken bilden. Der Grund: Auf hoher See ist das Meerwasser vergleichsweise nährstoffarm, sodass dort wenig Biomasse produziert wird und absinkt. So kommen Methanhydrate im We­­sentlichen an den Kontinentalrändern in Wassertiefen zwischen 350 und 5000 Metern vor. Zum einen wird dort genügend organische Substanz als Sediment abgelagert. Zum anderen sind die Temperatur- und Druckbedingungen so günstig, dass sich Methan in Methanhydrate umwandeln kann.

Bildung von Treibhausgas

In den Sedimentablagerungen der Kontinentalhänge schlummern gewaltige Massen Methanhydrat. Die globale Gesamtmenge an Methankohlenstoff, die in diesen Hydratvorkommen gebunden ist, beträgt ungefähr 1000 bis 5000 Gigatonnen Kohlenstoff – das ist in etwa 100- bis 500-mal mehr Kohlenstoff, als jährlich durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern (Kohle, Öl, Gas) in die Atmosphäre freigesetzt wird. Bei niedrigen Temperaturen sind die Methanhydrate am Meeresboden stabil. Erwärmt sich das Wasser und damit der Meeresboden, können die Hydrate jedoch zerfallen. Da Mikroorga­nismen das dabei entstehende Methangas zum Treib­hausgas Kohlendioxid (CO2) oxidieren, wird das Thema Me­thanhydrat derzeit intensiv im Kontext Klimawandel diskutiert. Zwar würde Methan, das selbst als starkes Treibhausgas wirkt, aufgrund der Wandlung zu CO2 nicht direkt als Methan aus dem Meer entweichen. Die Bildung und Freisetzung von Kohlendioxid aber ist beträchtlich. Ein weiteres Problem: Durch die Bildung des Kohlendioxids wird der Sauerstoff im Meerwasser aufgezehrt (Kapitel 2).
7.7 > Bekannt ist, dass Methanhydrate weltweit vor allem an den Kontinentalrändern zu finden sind. Schätzungen über die Menge der gesamten Vorkommen sind bislang aber recht ungenau.
7.7 > Bekannt ist, dass Methanhydrate weltweit vor allem an den Kontinentalrändern zu finden sind. Schätzungen über die Menge der gesamten Vorkommen sind bislang aber recht ungenau. © maribus (nach Klauda & Sandler, 2005)
Im Jahr 2008 entdeckten britische und deutsche Wissenschaftler in einer Wassertiefe von 350 Metern Gasquellen am Kontinentalhang vor Spitzbergen, die wahrscheinlich durch schmelzende Hydrate gespeist werden. Langzeitmessungen der Wassertemperaturen vor Spitzbergen zeigen, dass sich die Bodenwassermassen und damit die Hangsedimente während der letzten Jahrzehnte deutlich erwärmt haben. Modelle sagen zudem voraus, dass der Meeresboden in den arktischen Gebieten während der kommenden Jahrzehnte und Jahrhunderte durch den Klimawandel weiter aufgeheizt wird. Wissenschaftler befürchten daher, dass dort in Zukunft große Mengen Methanhydrat schmelzen werden, wodurch verstärkt CO2 in den Ozean und in die Atmosphäre gelangt. Der Sauerstoffgehalt des Meerwassers wird sich entsprechend verringern.
Hinzu kommt, dass das freigesetzte CO2 nicht nur zu einer weiteren globalen Erwärmung beiträgt, sondern zu einer Versauerung der Ozeane führt (Kapitel 2). Beispiele aus der geologischen Vergangenheit unterstützen dieses Szenario. Die geologischen Archive lassen vermuten, dass die Hydrate mehrmals in der Erdgeschichte in gro­ßem Ausmaß zersetzt wurden und es im Zuge dessen zu einer extremen globalen Erwärmung und zu einem massiven Artensterben am Meeresboden kam. Um herauszufinden, in welchem Ausmaß der zukünftige Klima- und Ozeanwandel durch die Freisetzung von Methangas am Meeresboden verstärkt wird, sind aber noch weitere Untersuchungen nötig.

Eine künftige Energiequelle?

Die riesigen Methanhydratvorkommen sind nicht nur ein Klimarisiko, sondern auch eine potenzielle Energiequelle. Die Menge an Erdgas, die in den Hydraten gebunden ist, übersteigt die Erdgasreserven in konventionellen Lagerstätten um ein Vielfaches. Erdgas, das aus konventionellen Quellen in die Versorgungsleitungen eingespeist wird, besteht bereits heute zu mehr als 95 Prozent aus Methan. Bislang war der Hydratabbau im Meer vergleichsweise teuer. Mit den steigenden Rohstoffpreisen rückt diese Ressource aber in den Fokus der Offshore-Industrie. Viele Wissenschaftler schätzen, dass der Abbau der Hydrate ab einem Erdölpreis von etwa 50 bis 60 US-Dollar pro Barrel wirtschaftlich sein kann. Damit wäre die Gewinnung schon heute rentabel. Besonders in Japan, China, Indien, Südkorea und Taiwan werden derzeit große Anstrengungen unternommen, um die Hydratvorkommen in den nationalen Hoheitsgebieten zu erschließen.

7.8 > Methanhydrat kommt weltweit vor. Dieser eisähnliche Block mit Wabenstruktur wurde während einer Forschungsfahrt vor der Küste Oregons vom Meeresboden geerntet.

7.9 > Im Methanhydrat sind die Methangasmoleküle fest in Käfige aus Wassermolekülen eingesperrt. Mit steigender Temperatur wird dieser Käfig instabil. Das Gas entweicht wieder.

7.8 > Methanhydrat kommt weltweit vor. Dieser eisähnliche Block mit Wabenstruktur wurde während einer Forschungsfahrt vor der Küste Oregons vom Meeresboden geerntet. 
© http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Gashydrat_mit_Struktur.jpg [Stand: 5.10.2010]
7.9 > Im Methanhydrat sind die Methangasmoleküle fest in Käfige aus Wassermolekülen eingesperrt. Mit steigender Temperatur wird dieser Käfig instabil. Das Gas entweicht wieder. © maribus (nach IFM-GEOMAR)

 

Kohlendioxidendlager im Ozean

Gleichzeitig werden in Deutschland neue Technologien entwickelt, die für die Erkundung der Vorkommen und den Abbau der Hydrate genutzt werden können. Die Kern­idee ist ganz einfach: Man erntet das Methan (CH4) aus den Hydraten, indem man es gegen Kohlendioxid (CO2) austauscht. Studien zeigen, dass das grundsätzlich möglich ist, weil flüssiges CO2 spontan mit Methanhydrat reagiert. Ließe sich dieses Konzept tatsächlich wirtschaftlich umsetzen, hätte man zwei positive Effekte auf einmal erzielt, denn der Gasaustausch in den Hydraten ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus klimapolitischer Perspektive eine interessante Option.
Erdgas ist eine relativ saubere fossile Energiequelle. So stoßen Erdgaskraftwerke etwa 50 Prozent weniger CO2 aus als herkömmliche Kohlekraftwerke. Doch auch die Emissionen moderner Gaskraftwerke lassen sich noch beträchlich verringern, wenn in den Kraftwerken die sogenannte CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) eingesetzt würde. Dabei wird CO2 direkt am Kraftwerk abgeschieden und im geologischen Untergrund gespeichert. Eine andere Option wäre, das CO2 in die marinen Methanhydrate einzuleiten, wodurch nicht nur Methangas gewonnen, sondern auch das Kohlendi­oxid sicher unter Verschluss gehalten würde. Denn bei der Speicherung an Land liegt das CO2 als superkriti­sches Fluid vor, das mobil und chemisch sehr aggressiv ist. Manche Experten befürchten, dass die unterirdischen Lager deshalb mit der Zeit möglicherweise leckschlagen könnten. Speicherte man Kohlendioxid stattdessen im kalten tiefen Mee­resboden als Hydrat, wäre es viel sicherer entsorgt, denn CO2-Hydrate sind thermisch deutlich stabiler als Methanhydrate. Ihnen kann selbst eine Erwärmung des Meeresbodens überhaupt nichts anhaben.
Aber auch dieser Ansatz birgt ökologische Risiken. So könnte beim Hydratabbau unkontrolliert Methan in das Bode nwasser entweichen. Um dieses Risko auszuschließen, sollten nur tief liegende Hydratvorkommen erschlossen werden, die von einer mindestens 100 Meter mächtigen feinkörnigen Sedimentschicht überdeckt sind. Nur so kann das Methangas gezielt und kontrolliert über eine Bohrung gefördert werden, ohne dass es in die Umwelt gelangt. Zudem muss darauf geachtet werden, dass der Lagerstättendruck beim Abbau nur um maximal 10 bar erhöht wird, da die Sedimentschichten anson­sten aufreißen und große Methanmengen entweichen könnten.

7.10 > Die in Methanhydrat am Meeresboden gespeicherte Menge an Kohlenstoff (C in Gigatonnen) übersteigt die in Gas, Öl und Kohle um ein Vielfaches.

7.11 > Auf dem Deck eines Forschungsschiffs entzünden Wissenschaftler Methangas, das aus einem zerfallenden Hydratbrocken entweicht.

7.10 > Die in Methanhydrat am Meeresboden gespeicherte Menge an Kohlenstoff (C in Gigatonnen) übersteigt die in Gas, Öl und Kohle um ein Vielfaches. © maribus (nach Energy Outlook 2007; Buffett & Archer, 2004)
7.11 > Auf dem Deck eines Forschungsschiffs entzünden Wissenschaftler Methangas, das aus einem zerfallenden Hydratbrocken entweicht. © Marc Steinmetz/Visum

Ist in Zukunft eine Methanförderung denkbar?

Die für einen Abbau erforderliche Technologie wurde bisher nur im Labormaßstab erprobt. Noch sind viele Jahre Entwicklungsarbeit nötig, um die Potenziale und Risiken zuverlässig einschätzen zu können und den Abbau im industriellen Maßstab zu realisieren.
An Land wurde die Erdgasgewinnung aus Methanhydraten indes schon im Jahr 2008 erstmals erfolgreich von japanischen und kanadischen Wissenschaftlern getestet. In nördlichen Regionen lagern die Methanhydrate Hunderte von Metern tief unter den Permafrost-ablagerungen. Auch dort ist es kalt und der Druck hoch genug, dass sich Hydrate bilden können. Anders als die Lagerstätten im Meeresboden sind diese Hydratvorkommen aber leicht zugänglich und damit für Produktionstests geeignet. Die Tests zeigten, dass es möglich ist, Methanhydrate durch Wärmezufuhr oder Druckentlas­tung zu zersetzen und dadurch Erdgas zu gewinnen.
Derzeit soll an Land auch die Ernte von Methan durch die Einlagerung von Kohlendioxid getestet werden. Dazu wird ein norwegisch-amerikanisches Konsortium einen Produktionstest in Alaska durchführen. Die ersten Offshore-Versuche sind dann für die Jahre 2012 bis 2014 am Kontinentalhang vor Japan geplant. Wann und wie die Methanhydrate künftig abgebaut werden, hängt nicht zuletzt von den Ergebnissen dieser Felduntersuchungen ab. Und natürlich kommt es auch auf die Entwicklung der Weltmarktpreise für Erdgas und CO2-Emissionsrechte an, die mit einen Einfluss darauf haben, wann der Abbau im Meer in großem Stil beginnen kann. Textende