Clatrato de metano
Inset: clathrate structure (University of Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).
Fuente: Encuesta Geológica de los Estados Unidos.
Clatrato de metano (CH4·5,75H2O) o (8CH4·46H2O), también llamado hidrato de metano, hidrometano, hielo de metano, hielo de fuego, El hidrato de gas natural, o hidrato de gas, es un compuesto de clatrato sólido (más específicamente, un hidrato de clatrato) en el que una gran cantidad de metano queda atrapada dentro de una estructura cristalina de agua., formando un sólido similar al hielo. Originalmente se pensó que solo ocurría 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 debajo de los sedimentos en los fondos oceánicos de la Tierra. El hidrato de metano se forma cuando el agua con 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 poco profunda y ocurren en estructuras sedimentarias profundas y forman afloramientos en el fondo del océano. Se cree que los hidratos de metano se forman por la precipitación o cristalización del metano que migra desde lo profundo de las fallas geológicas. La precipitación ocurre cuando el metano entra en contacto con el agua dentro del lecho marino sujeto a temperatura y presión. En 2008, la investigación en la estación antártica Vostok y los núcleos de hielo EPICA Dome C revelaron que los clatratos de metano también estaban presentes en los núcleos de hielo antárticos profundos y registran un historial de concentraciones de metano atmosférico que data de hace 800 000 años. El registro de clatrato de metano del núcleo de hielo es una fuente principal de datos para la investigación del calentamiento global, junto con el oxígeno y el dióxido de carbono.
Generales
Los hidratos de metano se descubrieron en Rusia en la década de 1960 y los estudios para extraer gas de ellos surgieron a principios del siglo XXI.
Estructura y composición
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 al 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 se fije en su lugar al formarse o anclarse en el sedimento. Por lo tanto, un litro de clatrato de metano sólido completamente saturado contendría alrededor de 120 gramos de metano (o alrededor de 169 litros de gas metano a 0 °C y 1 atm), o un metro cúbico de clatrato de metano libera alrededor de 160 metros cúbicos de gas.
El metano forma una "estructura-I" hidrato con dos jaulas de agua dodecaédricas (12 vértices, por lo tanto, 12 moléculas de agua) y seis tetradecaédricas (14 moléculas de agua) por celda unitaria. (Debido a que las moléculas de agua se comparten entre las jaulas, solo hay 46 moléculas de agua por celda unitaria). Esto se compara con un número de hidratación de 20 para el metano en solución acuosa. Un espectro de RMN de 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 hidrato de metano-arcilla en el que se introdujo un complejo de hidrato de metano en la capa intermedia de una arcilla de montmorillonita rica en sodio. La estabilidad a la temperatura superior de esta fase es similar a la del hidrato de estructura I.
Depósitos naturales
Fuente: SGA
Los clatratos de metano están restringidos a la litosfera poco profunda (es decir, < 2000 m de profundidad). Además, las condiciones necesarias se encuentran únicamente en las rocas sedimentarias continentales de las regiones polares, donde las temperaturas superficiales medias son inferiores a 0 °C; o en sedimentos oceánicos a profundidades de agua superiores a 300 m donde la temperatura del agua del fondo es de alrededor de 2 °C. Además, los lagos profundos de agua dulce también pueden albergar hidratos de gas, p. el agua dulce del lago Baikal, Siberia. Se han localizado depósitos continentales en Siberia y Alaska en lechos de arenisca y limolita a menos de 800 m de profundidad. Los depósitos oceánicos parecen estar muy extendidos en la plataforma continental (ver Fig.) y pueden ocurrir dentro de los sedimentos en profundidad o cerca de la interfaz sedimento-agua. Pueden tapar depósitos aún más grandes de metano gaseoso.
Oceánico
El hidrato de metano puede presentarse en varias formas, como masivo, disperso dentro de los espacios porosos, nódulos, vetas/fracturas/fallas y horizontes estratificados. Generalmente, se encuentra inestable en condiciones estándar de presión y temperatura, y 1 m3 de hidrato de metano al disociarse produce alrededor de 164 m3 de metano y 0,87 m3 de agua dulce. Hay dos tipos distintos de depósitos oceánicos. El más común está dominado (> 99%) por metano contenido en una estructura I clatrato y generalmente se encuentra en profundidad en el sedimento. Aquí, el metano es isotópicamente ligero (δ13C < −60‰), lo que indica que se deriva de la reducción microbiana de CO2. 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 el metano disuelto circundante son similares. Sin embargo, también se cree que el agua dulce utilizada en la presurización de pozos de petróleo y gas en permafrost y a lo largo de las plataformas continentales en todo el mundo se combina con metano natural para formar clatratos en profundidad y presión, ya que los hidratos de metano son más estables en agua dulce que en agua salada. Las variaciones locales pueden estar muy extendidas 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 del líquido poroso del que se forman. Por lo tanto, exhiben una alta resistividad eléctrica como el hielo, y los sedimentos que contienen hidratos tienen una resistividad más alta que los sedimentos sin hidratos de gas (Juez [67]).
Estos depósitos están ubicados dentro de una zona de profundidad media de alrededor de 300 a 500 m de espesor en los sedimentos (la zona de estabilidad de hidratos de gas, o GHSZ) donde coexisten con el metano disuelto en las aguas intersticiales frescas, 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. Debajo de él, el metano es gaseoso. En Blake Ridge, en la elevación continental del Atlántico, la GHSZ 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 ocupaba del 0 al 9 % por volumen en la GHSZ y ~12 % en la zona gaseosa.
En el segundo tipo menos común que se encuentra cerca de la superficie del sedimento, algunas muestras tienen una mayor proporción de hidrocarburos de cadena más larga (< 99 % de 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 se formó metano por descomposición térmica de la materia orgánica. Se han encontrado ejemplos de este tipo de depósito en el Golfo de México y el Mar Caspio.
Algunos depósitos tienen características intermedias entre los tipos de origen microbiano y térmico y se consideran formados a partir de una mezcla de los dos.
El metano en los hidratos de gas es generado predominantemente por consorcios microbianos que degradan la materia orgánica en ambientes con poco oxígeno, y el metano mismo es producido por arqueas metanogénicas. La materia orgánica en los pocos centímetros superiores de los sedimentos es atacada primero por bacterias aeróbicas, generando CO2, que escapa de los sedimentos a la columna de agua. Por debajo de esta región de actividad aeróbica, los procesos anaeróbicos toman el control, incluyendo, sucesivamente con la profundidad, la reducción microbiana de nitrito/nitrato, óxidos metálicos y luego los sulfatos 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 (alrededor de 1 cm/año), el contenido de carbono orgánico es bajo (alrededor del 1 %) y el oxígeno es abundante, las bacterias aeróbicas pueden consumir toda la materia orgánica de los sedimentos más rápido que el oxígeno. agotado, por lo que no se utilizan aceptores de electrones de baja energía. Pero donde las tasas de sedimentación y el contenido de carbono orgánico son altos, como suele ser el caso en las plataformas continentales y debajo de las zonas de afloramiento de corrientes fronterizas occidentales, el agua intersticial de los sedimentos se vuelve anóxica a profundidades de unos pocos centímetros o menos. En tales sedimentos marinos ricos en materia orgánica, el sulfato se convierte en el aceptor terminal de electrones más importante debido a su alta concentración de agua de mar. Sin embargo, también se agota a una profundidad de centímetros a metros. Por debajo de esto, 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 consorcio sintrófico complejo de diferentes variedades de arqueas y bacterias. Sin embargo, solo las arqueas emiten metano.
En algunas regiones (por ejemplo, el Golfo de México, la cuenca de Joetsu), el metano en los clatratos puede derivar, al menos parcialmente, de la degradación térmica de la materia orgánica (por ejemplo, la generación de petróleo), y el aceite incluso forma un componente exótico dentro del hidrato mismo que puede recuperarse cuando el hidrato se disocia. El metano en los clatratos típicamente tiene una firma isotópica biogénica y δ13C altamente variable (−40 a −100‰), con un promedio aproximado de alrededor de −65‰. Debajo de la zona de clatratos sólidos, grandes volúmenes de metano pueden formar burbujas de gas libre en los sedimentos.
La presencia de clatratos en un sitio determinado a menudo se puede determinar mediante la observación de un "reflector de simulación de fondo" (BSR), que es una reflexión sísmica en la interfaz de la zona de estabilidad de sedimentos a clatratos causada por las densidades desiguales de los sedimentos normales y aquellos ligados con clatratos.
Se han descubierto pingos de hidrato de gas en los océanos árticos, el mar de Barents. El metano está burbujeando desde estas estructuras en forma de cúpula, y algunas de estas llamaradas de gas se extienden cerca de la superficie del mar.
Tamaño del depósito
El tamaño del reservorio de clatratos de metano oceánico es poco conocido y las estimaciones de su tamaño disminuyeron aproximadamente 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. Las estimaciones más altas (por ejemplo, 3×10< /span>18 m3) se basaron en la suposición de que los clatratos completamente densos podrían ensuciar todo el suelo de las profundidades del océano. 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 en el 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 concentraciones bajas (0,9 a 1,5 % por volumen) en los sitios donde ocurren. Estimaciones recientes limitadas por el muestreo directo sugieren que el inventario global ocupa entre 1×1015 y 5×1015 metros cúbicos (0,24 y 1,2 millones de millas cúbicas). 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. El reservorio de permafrost se ha estimado en alrededor de 400 Gt C en el Ártico, pero no se han realizado 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: presencia).
Estas estimaciones modernas son notablemente más pequeñas que las 10 000 a 11 000 Gt C (2×1016 m3) propuesta por investigadores anteriores como una razón para considerar que los clatratos son geoorgánicos recurso combustible (MacDonald 1990, Kvenvolden 1998). La abundancia más baja de clatratos no descarta su potencial económico, pero un volumen total más bajo y una concentración aparentemente baja en la mayoría de los sitios sugiere que solo un porcentaje limitado de depósitos de clatratos puede proporcionar un recurso económicamente viable.
Continentales
Los clatratos de metano en las rocas continentales quedan atrapados en lechos de arenisca o limolita a profundidades de menos de 800 m. El muestreo indica que se forman a partir de una mezcla de gas derivado térmica y microbianamente de la cual los hidrocarburos más pesados se eliminaron selectivamente más tarde. Estos ocurren 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 sitio 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 pudieron extraer gas bajando la presión, sin calentamiento, lo que requirió significativamente menos energía. El campo de hidratos de gas Mallik fue descubierto por primera vez por Imperial Oil en 1971–1972.
Uso comercial
Los depósitos económicos de hidrato se denominan hidrato de gas natural (NGH) y almacenan 164 m3 de metano, 0,8 m3 de agua en 1 m3. sup > hidratar. La mayor parte del NGH se encuentra debajo del lecho marino (95 %), donde se encuentra en equilibrio termodinámico. El depósito de hidrato de metano sedimentario probablemente contiene de 2 a 10 veces las reservas actualmente conocidas de gas natural convencional, a partir de 2013. Esto representa una fuente futura potencialmente importante de combustible de hidrocarburo. Sin embargo, en la mayoría de los sitios se cree que los depósitos están demasiado dispersos para la extracción económica. 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 yacimientos de hidratos.
En agosto de 2006, China anunció planes para gastar 800 millones de yuanes (100 millones de dólares estadounidenses) durante los próximos 10 años para estudiar los hidratos de gas natural. Una reserva potencialmente económica en el Golfo de México puede contener aproximadamente 100 mil millones de metros cúbicos (3,5×10 12 cu ft) de gasolina. Bjørn Kvamme y Arne Graue del Instituto de Física y Tecnología de la Universidad de Bergen han desarrollado un método para inyectar CO2 en hidratos e invertir el proceso; extrayendo así CH4 por intercambio directo. El método de la Universidad de Bergen está siendo probado en el campo por ConocoPhillips y la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC), de propiedad estatal, y financiado parcialmente por el Departamento de Energía de EE. UU. El proyecto ya llegó a la fase de inyección y estaba analizando los datos resultantes el 12 de marzo de 2012.
El 12 de marzo de 2013, los investigadores de JOGMEC anunciaron que habían extraído con éxito gas natural de hidrato de metano congelado. Para extraer el gas, se utilizó equipo especializado para perforar y despresurizar los depósitos de hidratos, lo que provocó que el metano se separara del hielo. Luego, el gas se recolectó y se condujo a la superficie donde se encendió para probar su presencia. Según un portavoz de la industria, "[fue] el primer experimento marino del mundo que produjo gas a partir de hidrato de metano". Anteriormente, el gas se extraía de depósitos terrestres, pero nunca de depósitos marinos, que son mucho más comunes. El campo de hidratos del que se extrajo el gas se encuentra a 50 kilómetros (31 mi) del centro de Japón en Nankai Trough, 300 metros (980 pies) bajo el mar. Un portavoz de JOGMEC comentó: 'Japón finalmente podría tener una fuente de energía propia'. El geólogo marino Mikio Satoh comentó: "Ahora sabemos que la extracción es posible". El siguiente paso es ver hasta dónde Japón puede reducir los costos para que la tecnología sea económicamente viable”. Japón estima que hay al menos 1,1 billones de metros cúbicos de metano atrapados en el canal de Nankai, suficiente para satisfacer las necesidades del país durante más de diez años.
Tanto Japón como China anunciaron en mayo de 2017 un gran avance en la extracción de clatratos de metano, cuando extrajeron metano de hidratos en el mar de China Meridional. China describió el resultado como un gran avance; Praveen Linga, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad Nacional de Singapur, estuvo de acuerdo: "En comparación con los resultados que hemos visto de la investigación japonesa, los científicos chinos han logrado extraer mucho más gas en sus esfuerzos". El consenso de la industria es que aún faltan años para la producción a escala comercial.
Preocupaciones ambientales
Los expertos advierten que los impactos ambientales aún se están investigando y que el metano, un gas de efecto invernadero con alrededor de 25 veces más potencial de calentamiento global durante un período de 100 años (GWP100) que el dióxido de carbono, podría escapar a la atmósfera si algo sale mal. equivocado. Además, aunque es más limpio que el carbón, la quema de gas natural también genera emisiones de dióxido de carbono.
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 las moléculas de hidrocarburos más grandes como el etano y el propano también pueden formar hidratos, aunque las moléculas más largas (butanos, pentanos) no pueden encajar en la estructura de la jaula de agua y tienden a desestabilizar la formación de hidratos.
Una vez formados, los hidratos pueden bloquear las tuberías y los equipos de procesamiento. Luego, generalmente se eliminan reduciendo la presión, calentándolos o disolviéndolos por medios químicos (comúnmente se usa metanol). Se debe tener cuidado para garantizar que la eliminación de los hidratos se controle cuidadosamente, debido a la posibilidad de que el hidrato experimente una transición de fase del hidrato sólido para liberar agua y metano gaseoso a un ritmo elevado cuando se reduce la presión. La rápida liberación de gas metano en un sistema cerrado puede provocar un rápido aumento de la presión.
En general, es preferible evitar que los hidratos formen o bloqueen el equipo. Esto se logra comúnmente eliminando el agua o agregando etilenglicol (MEG) o metanol, que actúan para reducir la temperatura a la que se formarán los hidratos. En los últimos años, se han desarrollado otras formas de inhibidores de hidratos, como los inhibidores cinéticos de hidratos (que aumentan el subenfriamiento requerido que requieren los hidratos para formarse, a expensas de una mayor tasa de formación de hidratos) y antiaglomerados, que no previenen formación de hidratos, pero evite que se peguen entre sí para bloquear el equipo.
Efecto de la transición de fase de hidrato durante la perforación en aguas profundas
Al perforar en formaciones que contienen petróleo y gas sumergidas en aguas profundas, el gas del yacimiento puede fluir hacia el interior del pozo y formar hidratos de gas debido a las bajas temperaturas y las altas presiones que se encuentran durante la perforación en aguas profundas. Los hidratos de gas pueden entonces fluir hacia arriba con 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, lo que reduce aún más la presión, lo que conduce a una mayor disociación de hidratos y a una mayor eyección de fluido. La expulsión violenta resultante de fluido del espacio anular es una causa potencial o contribuyente a la "patada". (Las patadas, que pueden causar explosiones, generalmente no involucran hidratos: consulte Explosión: patada de formación).
Las medidas que reducen el riesgo de formación de hidratos incluyen:
- Alto caudal, que limita el tiempo para la formación de hidratación en un volumen de fluido, reduciendo así el potencial de patada.
- Medición cuidadosa del flujo de línea para detectar el enchufe de hidratación incipiente.
- Cuidado adicional en la medición cuando las tasas de producción de gas son bajas y la posibilidad de formación de hidratación es mayor que a tasas de flujo de gas relativamente altas.
- El monitoreo de la buena carcasa después de que es "shut in" (isolado) puede indicar la formación de hidratación. A raíz de "shut in", la presión aumenta mientras que el gas se difunde a través del embalse hasta el agujero de bore; la tasa de aumento de presión muestra una tasa de aumento reducida mientras que los hidratos están formando.
- Las adiciones de energía (por ejemplo, la energía liberada mediante el establecimiento de cemento utilizado en la terminación bien) pueden elevar la temperatura y convertir los hidratos a gas, produciendo un "coche".
Recuperación de reventones
A profundidades suficientes, el metano forma complejos 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 e implementaron un sistema submarino de recuperación de petróleo sobre el derrame de petróleo de un pozo de petróleo en aguas profundas a 5000 pies (5000 pies) (1.500 m) por debajo del nivel del mar para capturar el petróleo que se escapa. Esto implicó colocar una cúpula de 125 toneladas (276 000 lb) sobre la fuga más grande del pozo y canalizarla a un recipiente de almacenamiento en la superficie. Esta opción tenía el potencial de recolectar alrededor del 85 % del petróleo que se filtraba, pero no se había probado anteriormente a tales profundidades. BP implementó el sistema del 7 al 8 de mayo, pero falló debido a la acumulación de clatrato de metano dentro del domo; con su baja densidad de aproximadamente 0,9 g/cm3, los hidratos de metano se acumularon en el domo, agregando flotabilidad y obstruyendo el flujo.
Clatratos de metano y cambio climático
La mayoría de los depósitos del clato de metano están en sedimentos demasiado profundos para responder rápidamente, y el modelado de 2007 por Archer sugiere que el forzamiento de metano derivado de ellos debe seguir siendo un componente menor del efecto invernadero general. Los depósitos de estrato se desestabilizan desde la parte más profunda de su zona de estabilidad, que suele estar a cientos de metros por debajo del fondo marino. Un aumento sostenido de la temperatura del mar calentará su camino a través del sedimento eventualmente, y hará que el clathrate más marginal y poco profundo comience a descomponerse; pero normalmente tomará el orden de mil años o más para que la señal de temperatura llegue.
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Sin embargo, algunos depósitos de clatratos de metano en el Ártico son mucho más ligeros que el resto, lo que podría hacerlos mucho más vulnerables al calentamiento. Un depósito de gas atrapado en la pendiente continental fuera de Canadá en el Mar de Beaufort, situado en una zona de pequeñas colinas cónicas en el piso del océano es sólo 290 metros debajo del nivel del mar y considerado el depósito poco más conocido de hidrato de metano. Sin embargo, el East Siberian Arctic Shelf promedio 45 metros de profundidad, y se supone que debajo del fondo marino, sellado por capas submarina permafrost, se ubican depósitos de hidratación. Esto significaría que cuando el calentamiento potencialmente taliks o características similares al pingo dentro del estante, también servirían como vías de migración de gas para el metano previamente congelado, y se ha prestado mucha atención a esa posibilidad. Shakhova et al. (2008) estima que no menos de 1.400 gigatonnes de carbono están actualmente encerrados como hidratantes de metano y metano bajo el submarino del Ártico permafrost, y el 5–10% de esa zona está sujeta a perforación por los taliks abiertos. Su papel inicialmente incluía la línea que "la liberación de hasta 50 gigatonnes de la cantidad predicha de almacenamiento de hidratación [es] altamente posible para la liberación abrupta en cualquier momento". Una liberación en esta escala aumentaría el contenido de metano de la atmósfera del planeta por un factor de doce, equivalente en efecto invernadero a una duplicación en el nivel de CO 20082.
Esto es lo que llevó a la hipótesis original de Clathrate gun, y en 2008 el sistema de Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Programa de Ciencias del Cambio Climático de la Encuesta Geológica de los Estados Unidos identificaron la desestabilización potencial de clathrate en el Ártico como uno de los cuatro escenarios más graves para el cambio climático abrupto, que se han señalado para la investigación prioritaria. El USCCSP publicó un informe a finales de diciembre de 2008 estimando la gravedad de este riesgo. Un estudio de 2012 de los efectos para la hipótesis original, basado en un modelo de ciclo climático-carbono combinado (GCM) evaluó un aumento de metano de 1000 veces (de 0 a 1000 ppmv) —dentro de un solo pulso, de hidratantes de metano (basado en estimaciones de la 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. Otra evaluación de 2012 de la literatura identifica los hidratos de metano en la plataforma de los mares del Ártico Oriental como un potencial desencadenante.
También se ha considerado el riesgo de que la actividad sísmica sea potencialmente responsable de las liberaciones masivas de metano. En 2012, las observaciones sísmicas que desestabilizan el hidrato de metano a lo largo de la ladera continental de los Estados Unidos orientales, tras la intrusión de corrientes oceánicas más cálidas, sugieren que los deslizamientos submarinos podrían liberar el metano. La cantidad estimada de hidratación de metano en esta pendiente es de 2,5 gigatonnes (alrededor del 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 poco probable que el margen del Atlántico Norte Occidental sea el único área que experimenta cambios en las corrientes oceánicas; nuestra estimación de 2,5 gigatonnes de hidratación desestabilizadora del metano puede representar por lo tanto sólo una fracción del hidratado del metano que se está desestabilizando mundialmente". Bill McGuire señala, "Puede haber una amenaza de deslizamientos submarinos alrededor de los márgenes de Groenlandia, que son menos explorados. Groenlandia ya está aumentando, reduciendo la presión sobre la corteza debajo y también sobre los hidratantes de metano submarinos en el sedimento alrededor de sus márgenes, y el aumento de la actividad sísmica puede ser evidente dentro de décadas ya que se descargan fallas activas debajo de la hoja de hielo. Esto podría proporcionar el potencial para la desestabilización de sedimentos submarinos por el terremoto o el hidrato de metano, lo que llevaría a la formación de toboganes submarinos y, quizás, tsunamis en el Atlántico Norte".Las investigaciones realizadas en 2008 en el Ártico Siberiano mostraron liberaciones de metano a escala anual de millones de toneladas, lo que fue un aumento sustancial en la estimación anterior de 0,5 millones de toneladas anuales. aparentemente a través de perforaciones en el fondo marino permafrost, con concentraciones en algunas regiones alcanzando hasta 100 veces niveles normales. El exceso de metano ha sido detectado en puntos calientes localizados en la caída del río Lena y la frontera entre el Mar Laptev y el Mar Siberiano Oriental. En ese momento, se pensaba que algunos de los derretimientos eran el resultado de la calefacción geológica, pero se creía que más agitación se debía a los grandes volúmenes de agua derretida que se descargaban de los ríos siberianos que fluían hacia el norte.
Para 2013, el mismo equipo de investigadores utilizó múltiples observaciones sonar para cuantificar la densidad de burbujas que emanan de subsea permafrost en el océano (un proceso llamado ebullición), y encontró que el metano de 100 a 630 mg por metro cuadrado se emite diariamente a lo largo de la plataforma ártica siberiana oriental (ESAS), en la columna de agua. También encontraron que durante tormentas, cuando el viento acelera el intercambio de gas de mar, los niveles de metano en la columna de agua caen dramáticamente. Las observaciones sugieren que la liberación de metano de permafrost de los fondos marinos progresará lentamente, en lugar de abruptamente. Sin embargo, los ciclones árticos alimentados por el calentamiento global y la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera podrían contribuir a una liberación más rápida de metano de esta fuente. En total, su estimación actualizada ha ascendido ahora a 17 millones de toneladas anuales.
Sin embargo, estos hallazgos fueron pronto cuestionados, ya que esta tasa de liberación anual significaría que el ESAS solo representaría entre el 28% y el 75% de las emisiones observadas de metano Ártico, que contradice muchos otros estudios. En enero de 2020, se encontró que la tasa en que el metano entra en la atmósfera después de haber sido liberado de los depósitos de estante en la columna de agua había sido enormemente sobreestimada, y las observaciones de los flujos de metano atmosféricos tomados de múltiples cruceros en el Ártico indican que sólo alrededor de 3.02 millones de toneladas de metano se emiten anualmente de la ESAS. Un estudio de modelado publicado en 2020 sugirió que bajo las condiciones actuales, la liberación anual de metano de la ESAS puede ser tan baja como 1000 toneladas, con 2.6 – 4.5 millones de toneladas que representan el potencial máximo de emisiones turbulentas de la plataforma.Hong et al. 2017 estudiaron el metano en los mares árticos poco profundos del Mar de Barents cerca de Svalbard. La temperatura en el fondo marino ha fluctuado estacionalmente durante el siglo pasado, entre -1.8 y 4.8 °C, sólo ha afectado la liberación del metano a una profundidad de aproximadamente 1,6 metros en la interfaz sedimentaria-agua. Los hidratos pueden ser estables a través de los 60 metros superiores de los sedimentos y las actuales liberaciones observadas se originan desde el fondo del suelo marino. Concluyen que el aumento del flujo de metano comenzó hace cientos a miles de años, señaló acerca de ello, ".. ventilación episódica de depósitos profundos en lugar de la disociación de hidratación de gas inducida por el calentamiento." Summarizing his research, Hong stated:
Los resultados de nuestro estudio indican que la inmensa siembra que se encuentra en esta área es el resultado del estado natural del sistema. Comprender cómo el metano interactúa con otros importantes procesos geológicos, químicos y biológicos en el sistema terrestre es esencial y debe ser el énfasis de nuestra comunidad científica.
La investigación de Klaus Wallmann et al. 2018 concluyó que la disociación de hidratación en Svalbard hace 8.000 años se debió a la rebotes isostaticos (continental uplift following deglaciation). Como resultado, la profundidad del agua se desbordó con menos presión hidrostática, sin más calentamiento. El estudio también encontró que los depósitos de hoy en el sitio se vuelven inestables a una profundidad de ~ 400 metros, debido al calentamiento del agua inferior estacional, y no queda claro si esto es debido a la variabilidad natural o el calentamiento antropogénico. Además, otro artículo publicado en 2017 encontró que sólo el 0,07% del metano liberado de la disociación de gas hidratado en Svalbard parece llegar a la atmósfera, y por lo general sólo cuando las velocidades del viento eran bajas. En 2020, un estudio posterior confirmó que sólo una pequeña fracción de metano de los visores Svalbard alcanza la atmósfera, y que la velocidad del viento tiene una mayor influencia en la tasa de liberación que la concentración disuelta de metano en el sitio.
Por último, un documento publicado en 2017 indicó que las emisiones de metano de al menos un campo de aguas residuales en Svalbard fueron más que compensadas por el aumento de la absorción de dióxido de carbono debido al aumento considerable de la actividad fitoplancton en este agua rica en nutrientes. La cantidad diaria de dióxido de carbono absorbida por el fitoplancton fue 1.900 mayor que la cantidad de metano emitido, y el forzamiento radiativo negativo (es decir, indirectamente enfriamiento) del CO2 la absorción fue hasta 251 veces mayor que el calentamiento de la liberación del metano.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 frente a −162 °C), existe cierto interés en convertir el gas natural en clatratos (gas natural solidificado o SNG) en lugar de licuarlo. al transportarlo en buques de navegación marítima. 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. Contrarrestando esto, por 100 toneladas de metano transportado, habría que transportar 750 toneladas de hidrato de metano; dado que esto requeriría un barco de 7,5 veces mayor desplazamiento, o requeriría más barcos, es poco probable que resulte económicamente factible. Recientemente, el hidrato de metano ha recibido un interés considerable para la aplicación de almacenamiento estacionario a gran escala debido a las condiciones de almacenamiento muy suaves con la inclusión de tetrahidrofurano (THF) como co-invitado. 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. Un estudio reciente ha demostrado que SNG se puede formar directamente con agua de mar en lugar de agua pura en combinación con THF.
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