ENERGI

Energikrisen og klimakrisen – bruker vi alle mulighetene vi har?

Metanhydrater er grunnlaget for en av de kraftigste klimagassene, men kan også utnyttes for å produsere naturgass og hydrogen.

Metan som siver ut fra havbunnen påvirker klimaet og det biologiske mangfoldet, men hydrater kan også utnyttes til å produsere hydrogen i fremtiden.
Metan som siver ut fra havbunnen påvirker klimaet og det biologiske mangfoldet, men hydrater kan også utnyttes til å produsere hydrogen i fremtiden. Illustrasjon: Kongsberg Maritime
Bjørn Kvamme, rådgiver i Strategic Carbon LLC
19. apr. 2023 - 16:35

Klimakrisen er ikke bare menneskeskapt. I tillegg til CO2 (karbondioksid) er CH4 (metan) en stor synder i dette bildet. Store mengder CH4 slippes ut fra landbruk over hele kloden. CH4 er en sterkere klimagass enn CO2, men har heldigvis kortere levetid (ca. 7 år) i atmosfæren enn CO2 på grunn av lav tetthet.

Det er veldig mange ulike kilder til CH4-utslipp. Over hele verden lekker hydrokarboner ut fra sjøbunnen over hydrokarbonforekomster. Det er veldig variabelt hvor mye av dette som ender opp direkte til luft, men resten av lekkasjene ender i havet og påvirker karbonbalansen. Dette reduserer den globale innløsningen av CO2 fra luft.

Tredelt lekkasje til hav

Artikkelforfatter Bjørn Kvamme er professor emeritus fra Universitetet i Bergen og jobber nå som rådgiver i USA-baserte Strategic Carbon LLC.
Artikkelforfatter Bjørn Kvamme er professor emeritus fra Universitetet i Bergen og jobber nå som rådgiver i USA-baserte Strategic Carbon LLC.

I et forenklet bilde kan man skille disse hydrokarbonlekkasjene til hav i tre kategorier. Den første kategorien er lekkasjer fra vanlige hydrokarbonkilder direkte til sjø gjennom sprekker i sedimentene under sjøbunnen.

For noen lekkasjer er betingelsene av trykk og temperatur slik at de lettere hydrokarbonene kan danne en fast forbindelse med vann. Dette skjer ved at små hydrokarboner omsluttes av vann under dannelsen av hulrom rundt disse. Disse hulrommene er typisk dannet av 20, 24 og 28 vannmolekyler i spesifikke arrangement omtalt som struktur I eller II. Hvilken struktur som dannes, avhenger av sammensetningen av det som kommer opp, inklusive også innhold av uorganiske gasser som CO2 og H2S.

Det eksisterer også noen andre strukturer med enda større hulrom, men det er ikke så vanlig og mindre viktig i denne sammenheng.

Dannelsen av disse hydratene, som man kaller disse is-lignende krystallene, fører ofte til ustabile «lokk» over sprekker og hull i bunnformasjonene. Disse hydrat-«lokkene» konsumeres av bio-organismer som får næring fra hydrokarbonene i hydratet. Men de konsumeres også rent termodynamisk fordi metan (og andre hydrokarboner) får gunstigere energiforhold i omgivende sjøvann.

Smelter under sjøbunnen

En tredje kategori lekkasjer kommer fra hydrater som smelter under sjøbunnen. Disse kan smelte på grunn av endringer i temperatur, men den mer konstante smeltingen skjer ved at sjøvann renner inn i nedenforliggende sedimenter som inneholder hydrat. Hydratet smelter fordi hydrokarbonene er bedre termodynamisk begunstiget av å løses inn i sjøvannet.

Dette er prosesser som har pågått i millioner av år også under varierende temperatur – fra kalde sykluser til varmere sykluser.

Figur 1 illustrerer løselighet av CH4 i sjøvann sammen med laveste konsentrasjon av CH4 som er nødvendig for å holde hydrat stabilt. Alle konsentrasjoner av CH4 i sjøvannet som er i kontakt med hydratet, og som er lavere enn den svarte kurveflaten i figur 1, vil føre til smelting av hydrat. Konsentrasjoner av CH4 i sjøvann som er mellom den svarte kurveflaten og den blå kurveflaten (løselighet av CH4 i vann væske) kan gi hydratdannelse fra oppløst CH4 i vann.

 

Figur 1. Løselighet av CH<sub>4</sub> i vann (blå kurveflate) som funksjon av temperatur og trykk for betingelser av CH<sub>4</sub> hydrat i Nyegga og Danube i Svartehavet. Svart kurveflate er laveste konsentrasjon av CH<sub>4</sub> i sjøvann som er nødvendig for å holde hydratet stabilt.
Figur 1. Løselighet av CH4 i vann (blå kurveflate) som funksjon av temperatur og trykk for betingelser av CH4 hydrat i Nyegga og Danube i Svartehavet. Svart kurveflate er laveste konsentrasjon av CH4 i sjøvann som er nødvendig for å holde hydratet stabilt.

Et eksempel som ble studert i et nasjonalt hydratprosjekt er knyttet til et område kalt Nyegga. I dette området kan man se aktive lekkasjer i former av bobler og store forsenkninger skapt av veldig mange år med slike lekkasjer gjennom havbunnen.

En måte å redusere disse lekkasjene på, er å injisere CO2. Dette må imidlertid gjøres slik at blandingen av CO2 og andre gasser som vi injiserer, foretrekker å danne hydrat med denne CO2-blandingen fremfor dannelse av CH4 hydrat,

Dernest må hydratet som dannes, være mer stabilt enn hydrat dannet av CH4. Det første kriteriet kan vi evaluere ved å se på hvilke betingelser av trykk og temperaturer som favoriserer de to typene av hydrater: hydrat fra CO2-blanding og hydrat fra CH4.

Dette er illustrert i figur 2 under. Hydrat kan dannes for temperaturer som ligger til venstre for de ulike kurvene og for samtidige trykk som ligger over kurvene. Den bratte endringen i hydratbetingelser for CO2 (stiplet og prikk) skyldes en overgang til høyere tetthet. En effekt av dette finner man også igjen i blandinger med CO2 og andre komponenter, men med langt mindre utslag i trykk.

 
 

Det andre kriteriet er litt mer komplekst å forklare folkelig. Gibbs fri energi kan forenklet betraktes som tilgjengelig energi for utveksling minus det som tapes i prosesser som ikke kan reverseres. Veldig sterkt forenklet kan vi sammenligne det siste med friksjonstap. Desto mer negativ Gibbs fri energi, desto høyere stabilitet. Gibbs fri energi for de ulike rene komponenter og blandinger i figur 2 er plottet i figur 3.

                                                                                        

Figur 3. Gibbs fri energi for hydrater dannet av de ulike komponentene og blandingene i figur 1 langs grensene for hydrat eksistens.
Figur 3. Gibbs fri energi for hydrater dannet av de ulike komponentene og blandingene i figur 1 langs grensene for hydrat eksistens.

Injeksjon av ren CO2 vil ikke være gunstig for noen av de ulike hydratfylte seksjonene i Nyegga og Danube. Nyegga-hydratene og den høyest liggende (nærmest havbunnen) hydrat-seksjonen i Danube egner seg utmerket for injeksjon av en blanding av 1 mol % CH4, 2 mol % C2H6, 70 mol % CO2 og 27 mol % N2. Innholdet av H2S i den dypereliggende Danube-seksjonen gjør det mindre aktuelt å utnytte denne.

Nå er det også slik at hydrat av CO2 også vil smelte mot omgivende sjøvann. Denne smeltingen er imidlertid langsommere enn tiden for å løse frigjort CO2 inn i vann. Omgivende vann blir tyngre med innløst vann og vil derfor synke. Dette er en av de bærende prinsippene for vanlig lagring av CO2 i vannfylte sedimenter under sjøbunnen.

Kan utvinne ren energi

Equinor har lagret 1 million tonn CO2 pr. år fra Utsira i vandige bergarter. Men det ligger også en mulighet for kombinasjon med utvinning av ren energi fra dette.

Dannelsen av hydrat fra CO2-blandingen frigjør nemlig mer energi enn det som er nødvendig for å smelte det hydratet som finnes der naturlig. Som et snitt for Nyegga så er volumprosenten hydrat i porene (volumet av sedimenter som er fylt med vann, gass og hydrat) regnet å være 7-15 prosent. Den frigjorte gassen kan konverteres til H2 og CO2 ved hjelp av vanndamp. Dette er en standard prosess som først var patentert av Norsk Hydro i 1913 som en del av ammoniakk-produksjon for produksjon av kunstgjødsel. CO2 kan enkelt separeres fra og sendes tilbake i formasjonen.

Oppsummert gir dette konseptet tre betydelige effekter for miljøet:

1. Reduksjon i naturlige lekkasjer av CH4 til hav og luft.

2. Sikker lagring av CO2.

3. Utvinning av frigjort CH4 og konvertering av CH4 til H2 og CO2 (som returneres til hydrat-fylte sedimenter).

Injeksjon av CO2 i vannholdige sedimenter er velkjent fra Equinors prosjekter på Utsira og Snøhvit. Det er mer motstand ved injeksjon i hydratfylte sedimenter, men på den annen side er gasstettheten lavere for de aktuelle blandingene over. Men skal dette lykkes, trengs det en annen type tilsetningsstoff i tillegg som sørger for at ikke porene i sedimentene blokkeres av hydrat. Dette har vært studert i en rekke nyere studier. Senest i noen eksperimentelle studier som jeg gjorde sammen med en doktorgradsstudent ved University of California. 

Dette er Orca-anlegget på Island, hvor Climeworks fanger CO2 fra luft. Her får et internasjonalt TV-team instruksjoner av selskapets islandske guide, Bryndis Nielsen, om hvor de får lov til å filme.
Les også

– Dette er nærmest en slags air condition for naturen

Del
Kommentarer:
Du kan kommentere under fullt navn eller med kallenavn. Bruk BankID for automatisk oppretting av brukerkonto.