Wenn wir unsere Heizung aufdrehen oder uns Essen am Gasherd kochen, verbrauchen wir eine Menge Energie in Form von Methan. Dieses Methangas wird durch verschiedene Verfahren gefördert und verwendet. Doch aufgrund des Klimawandels und der Tatsache, dass die fossilen Brennstoffe begrenzt verfügbar sind, suchten Forscher in den letzten Jahrzehnten verstärkt nach neuen und alternativen Energiequellen. Dabei wurde eine bestimmte chemische Kuriosität immer interessanter. Die Rede ist hier vom Methanhydrat. Das Thema um Methan und Methanhydrat erstreckt sich über die Entstehung dieser chemischen Kuriositäten über die Förderung bis hin zum Massensterben, Energiekrisen und sogar dem Bermuda-Dreieck. Ist das eine Option, welche die Menschheit in Zeiten des hohen Energieverbrauchs und des Klimawandels eingehen sollte? Jedenfalls ist es dies, mit dem sich die folgende wissenschaftliche Arbeit befassen wird, mit besonderem Augenmaß auf die Förderung von Methan aus Gashydraten.
Eine Auseinandersetzung mit dem Thema ist sinnvoll, da der heutige Trend eher dazu neigt auf erneuerbaren Energien zu setzen. Zudem wird die Debatte um den Klimawandel immer größer. Ziel dieser Facharbeit wird es sein herauszufinden, ob Methan ein Energieträger der Zukunft sein kann und was dies für den Klimawandel im Hinblick auf die Erderwärmung zu bedeuten mag. Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Entstehung von Methan und Methanhydrat. Im Anschluss geht es um die Verwendung von Methan als Energiequelle sowie um die verschiedenen Arten der Gewinnung und deren Risiken. Im dritten Teil dieser Arbeit wird dies mit Methanhydrat wiederholt und zusätzlich ein momentaner Ausblick auf die heutigen Forschungen gegeben. Zuletzt wird es um den resultierenden Klimawandel durch Methan gehen. Die vorliegende Facharbeit endet mit einem abschließenden Fazit, das die Ergebnisse zusammenfassend reflektiert.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1. Einleitung
2. Hauptteil: Begriffsdefinition und Entstehung
2.1. Methan
2.2. Methanhydrat
3. Hauptteil: Förderung von Methan
3.1. Verwendung als Energiestoff
3.1.1. Fracking
3.1.2. Biogas
3.2. Risiken der Förderung
4. Hauptteil: Förderung von Methanhydrat
4.1. Energiepotenzial
4.1.1. Nachweis
4.1.2. Spülung mit Wasser
4.1.3. Druckentlastung
4.1.4. Injektion von Kohlenstoffdioxid
4.2. Chancen und Stand der Forschung
4.3. Risiken der Förderung
5. Hauptteil: Folgen für den Klimawandel
6. Schluss: Zusammenfassung und Fazit
7. Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Methan Lewis Schreibweise
Abbildung 2: Struktur eines Wassermolekül Käfig
Abbildung 3: Formale Betrachtung der Verbrennung von Methan
Abbildung 4: Acetoklastische Methanogenese
Abbildung 5: Methanogenese aus Kohlenstoffdioxid und elementarem Wasserstoff
Abbildung 6: Das Methan lässt sich auf verschiedene Art und Weise fördern
Einleitung
Wenn wir unsere Heizung aufdrehen oder uns Essen am Gasherd kochen, verbrauchen wir eine Menge Energie in Form von Methan. Dieses Methangas wird durch verschiedene Verfahren gefördert und verwendet. Doch aufgrund des Klimawandels und der Tatsache, dass die fossilen Brennstoffe begrenzt verfügbar sind, suchten Forscher in den letzten Jahrzehnten verstärkt nach neuen und alternativen Energiequellen. Dabei wurde eine bestimmte chemische Kuriosität immer interessanter. Die Rede ist hier vom Methanhydrat. Das Thema um Methan und Methanhydrat erstreckt sich über die Entstehung dieser chemischen Kuriositäten über die Förderung bis hin zum Massensterben, Energiekrisen und sogar dem Bermuda-Dreieck. Ist das eine Option, welche die Menschheit in Zeiten des hohen Energieverbrauchs und des Klimawandels eingehen sollte? Jedenfalls ist es dies, mit dem sich die folgende wissenschaftliche Arbeit befassen wird, mit besonderem Augenmaß auf die Förderung von Methan aus Gashydraten. Eine Auseinandersetzung mit dem Thema ist sinnvoll, da der heutige Trend eher dazu neigt auf erneuerbaren Energien zu setzen. Zudem wird die Debatte um den Klimawandel immer größer. Ziel dieser Facharbeit wird es sein herauszufinden, ob Methan ein Energieträger der Zukunft sein kann und was dies für den Klimawandel im Hinblick auf die Erderwärmung zu bedeuten mag. Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Entstehung von Methan und Methanhydrat. Im Anschluss geht es um die Verwendung von Methan als Energiequelle sowie um die verschiedenen Arten der Gewinnung und deren Risiken. Im dritten Teil dieser Arbeit wird dies mit Methanhydrat wiederholt und zusätzlich ein momentaner Ausblick auf die heutigen Forschungen gegeben. Zuletzt wird es um den resultierenden Klimawandel durch Methan gehen. Die vorliegende Facharbeit endet mit einem abschließenden Fazit, das die Ergebnisse zusammenfassend reflektiert.
2.Hauptteil: Begriffsdefinition und Entstehung
2.1 Methan
Um zu verstehen, warum Methan als Rohstoff für die Energiegewinnung genutzt wird, muss man zunächst den Aufbau und die Eigenschaften kennen. Methan ist nämlich ein Gas und dazu noch ein sehr einfacher Kohlenwasserstoff. Um genauer zu sein, der einfachste den es gibt. Ein Molekül Methan (CH4) besteht aus einem Kohlenstoffatom (C), an dem vier Wasserstoffatome (H) gebunden sind (Abbildung 1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Methan Lewis Schreibweise ©Wikipedia
Noch dazu ist Methan brennbar. Führt man allerdings Methangas in die Luft ein, wird dieser kaum erkannt. Denn Methan ist farb- und geruchslos.1 Das Methangas entsteht in der Natur hauptsächlich durch die Umwandlung von organischem Material, welches unter Sauerstoffabschluss geschieht.2 Dies geschieht durch den Stoffwechsel spezielle Mikroorganismen wie die Archaebakterien. Bei erhöhten Temperaturen laufen diese Prozesse schneller ab.3 Die Forschergruppe Global Carbon Project gibt an, dass 40 % des Vorkommens an Methan in der Luft aus natürlichen Quellen der Erde stammt. An erster Stelle dieser natürlichen Quellen stehen Feuchtgebiete, gefolgt von Gewässern, geologischen Quellen wie Vulkane, wild lebenden Wiederkäuern und Termiten. Ebenso ist das Methanhydrat in sogenannten ,,Permafrostböden‘‘ zu finden. Dabei handelt es sich um einen Untergrund, dessen Temperatur über einen langen Zeitraum kontinuierlich unter 0°C liegen müssen, damit es zu dieser Bezeichnung käme.
Diese befinden sich in der nördlichen Hemisphäre. Innerhalb dieser Permafrostböden sind nach Modellrechnungen bis zu ca. 15.000 Gigatonnen Kohlenstoff gespeichert.4 Hinzu kommen allerdings noch die ,, anthropogenen Quellen‘‘. Das sind die von Menschen gemachten Quellen, welche rund 60 % der Methanemissionen ausmachen. Zu den anthropogenen Quellen zählt vor allem die Landwirtschaft. Hinzu kommen noch die unverarbeiteten Abfälle in den Mülldeponien oder der Gülle. Durch die Zersetzung der darin enthaltenen organischen Stoffe entstehen hierbei auch Methangase.5 Ein Beispiel für die Landwirtschaft wäre der Reisanbau. Da hier viel Wasser zum Einsatz kommt, verhindert das Wasser den Sauerstofffluss zum Boden. Die Folge ist das Entstehen von Methan.6 7
2.2 Methanhydrat
Methanhydrat besteht zwar auch aus Methan, welches allerdings in gefrorenem Wasser eingelagert ist. Die Wassermoleküle bilden dabei Wasserstoffbrückenbindungen, welches eine anziehende Wechselwirkung mit sich bringt. Sie tritt zwischen dem gebundenen Wasserstoffatom des einen Moleküls und dem stark elektronegativen Atom des zweiten Moleküls, welches in dem Fall das Kohlenstoffatom ist, auf. Dabei wird das Gasmolekül vollständig innerhalb einer Käfigstruktur abgeschlossen. (Abbildung 2). Dies bezeichnet man auch als einen sogenannten ,,Clathrat‘ (lat. clatratus: vergittert)[1]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das menschliche Auge sieht Methanhydrat dennoch als normales Eis. Unter normalen Umständen würde ein Methanmolekül keine Verbindung mit Wassermolekülen eingehen. Damit es zu solch einer Form kommt, sind folgende Bedingungen in der Umgebung nötig zu erfüllen: niedrige Temperaturen und ein sehr hoher Druck.8 Eine Temperatur von unter 10 °C und ein Druck von mehr als 30 bar, welches dem 30-Fachen des Atmosphärendrucks ausmacht, wäre eine gute Voraussetzung für die Entstehung von Methanhydrat.9 Das ist auch der Grund, warum riesige Methanhydratvorkommen in den Tiefen des Ozeans zu finden sind. Dazu zählen vor allem auch Kontinentalabhänge. Denn an diesen Orten werden große Mengen an organischem Material abgelagert, welche dann von Mikroorganismen zersetzt werden. Bei der Zersetzung entsteht als Produkt eine hohe Gasbildung. Vorwiegend aus Methan.10 Somit kann Methanhydrat auch nur dort vorkommen, wo auch ausreichend Methan und Wasser zur Verfügung steht.11 Allerdings ist Vorsicht angebracht. Das Eis fängt nämlich unter Atmosphärendruck an, instabil zu werden und zu zerfallen. Das entweichende Methan ist dem Erdgas gegenüber sehr ähnlich und somit leicht entflammbar. Somit macht Methanhydrat seinen Spitznamen „brennendes Eis‘ alle Ehre.
3. Hauptteil: Förderung von Methan
3.1. Verwendung als Energiestoff
Die Verbrennung von Methan (Abbildung 3) ist eine exotherme chemische Reaktion.12 Die Energie wird hierbei auf die Umgebung abgegeben und in andere Energieformen wie Wärme oder Licht umgewandelt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3 Formale Betrachtung der Verbrennung von Methan ©SURFGRUPPY
Methan gilt als Hauptbestandteil des Erdgases, dadurch findet dieser in vielen verschiedenen Bereichen des Lebens seine Verwendung. Dazu zählt z.B. die Verwendung im Haushalt beim Gasherd, bei der Betreibung einer Heizung oder in der Industrie. Aber vor allem kommt es beim Antrieb von Erdgasautos zum Einsatz. Im Unterschied zur Kohle bietet das Erdgas eine viel höhere Energieeffizienz bei der Verbrennung.13 Beim Vergleich von Erdgas als Kraftstoff für Fahrzeuge mit Benzin oder Diesel weist das Erdgas tendenziell niedrigere Kraftstoffkosten auf. Generell sind Erdgasbetriebene Fahrzeuge auch umweltfreundlicher, denn der Kohlendioxid-Ausstoß ist bei weitem niedriger als bei Fahrzeugen, welche mit einem Diesel- oder Verbrennungsmotor ausgestattet sind.14 Methan kann man auf unterschiedlicher Weise durch verschiedene Formen gewinnen. Nachfolgend werden einige Beispiele dazu erläutert.
3.1.1. Fracking
Da wie schon erwähnt Methan als Hauptbestandteil des Erdgases gilt, ist das Erdgas ein fossiler Brennstoff, welcher durch die Zersetzung von toten Kleinstlebewesen und Plankton vor ca. 100 Millionen Jahren unter anaeroben Bedingungen und hohem Druck stattfand. Dieser sogenannte ,,Faulschlamm‘‘ welcher sich in die tiefen Schichten herabsetzte, besteht aus verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, wozu Methan als Hauptbestandteil gilt. Ein eher umstrittenes Verfahren zur Gewinnung des Erdgases ist das sogenannte ,, Fracking ‘‘. Hierbei wird ein Gemisch, welches zu ca. 94,5 % aus Wasser, 5 % aus Sand und 0,5 % aus weiteren chemischen Zusätzen besteht, in eine tiefe Gesteinsschicht gefördert. Da dieser Vorgang unter einem hohen Druck geschieht, werden geschlossene Gesteinsporen aufgebrochen. Genau an dieser Gesteinsschicht ist das Erdgas gebunden.15 Nun kommt der zusätzlich gepresste Sand zum Einsatz. Denn dieser macht die Ausbeutung der Gasvorkommen überhaupt erst möglich, indem es die Gesteinsrisse offenhält.
3.1.2. Biogas-Anlagen
Eine weitere Möglichkeit an Methan heranzukommen ist, den natürlichen Vorgang zur Entstehung von Methan zunutze zu machen. Dies geschieht bei den Verfahren von sogenannten Biogas-Anlagen. Genau wie Mikroorganismen in der Natur unter Ausschluss von Sauerstoff organisches Material abbauen, passiert dies in ähnlicher Weise in den Biogas-Anlagen.16 Die Grundlage bilden hier tierische Exkremente wie Gülle und Pflanzenreste, welche überwiegend aus Maisresten bestehen. Bis zum endgültigen Produkt lässt sich die Methangärung in verschiedene Stufen einteilen. Zunächst werden sogenannte große ,,Makromoleküle‘‘ welche überwiegend aus Fetten und Kohlenhydraten bestehen, mithilfe von Mikroorganismen und deren Enzymen in kleinere Einheiten aufgespalten. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als ,,Hydrolyse‘‘. Die entstandenen Fette und Kohlenhydrate werden in der anschließenden ,,Versäuerungsphase‘‘ zu kleinen Fettsäuren und Alkoholen vergoren. Diese Produkte werden im weiteren Schritt durch eine Essigsäuregärung in Essigsäure umgewandelt.17
Im finalen Schritt wird die Essigsäure unter anaeroben Bedingungen zu Methan und Kohlenstoffdioxid reagieren (Abbildung 4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4 Acetoklastische Methanogenese ©chemie.de
Gleichzeitig kann allerdings auch Methan aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff entstehen, welches durch die Schritte zuvor entstanden ist (Abbildung 5).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5 Methanogenese aus Kohlenstoffdioxid und elementarem Wasserstoff ©chemie.de
Dieses Methan kann nun verschiedene Wege der Nutzung streiten. Ob in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie oder zur Nutzung als Treibstoff.
3.2. Risiken der Förderung
So schön diese unterschiedlichen Vorgehensweisen der Gewinnung von Methan auch zu scheinen, mögen umso viele Risiken und Probleme bringen sie mit sich. Um ohne zunächst auf die Folgen für den Klimawandel zugehen, entsteht durch das Fracking eine Verunreinigung des Grundwassers. Denn im Gemisch, welches für die Frac-Aktivitäten genutzt wird, sind verschiedene giftige Chemikalien enthalten, welche teilweise erbgutverändernde Eigenschaften haben. Dies bringt ein erhebliches gesundheitliches Risiko mit sich. Des Weiteren kommt es aufgrund des hohen Flächenverbrauchs zu einer Zerstörung der Natur und der Landschaft.18 Die Idee der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern wie in Biogasanlagen bleibt von Risiken und Problemen ebenso nicht verschont. Da innerhalb der Anlagen äußerst entzündbare und schädliche Gase produziert werden, ist das Risikopotenzial sehr hoch. Besonders besteht bei der sicherheitsrelevanten Technik ein großer Verbesserungsbedarf. Denn „durchschnittlich etwa 5 %, des in Biogasanlagen produzierten Methans entweicht unkontrolliert in die Atmosphäre", so das Umweltbundesamt.19 Teilweise laufen in mehreren Millionen von Litern Gärreste oder Gülle aus den Anlagen heraus. Des Weiteren entsteht für die in der Nähe der Biogasanlagen gelegenen Nachbarschaften eine hohe Geruchsbelästigung.
[...]
1 Vgl. Dr. Rüdiger Paschotta: Methan (29.10.2010). https://www.energie-lexikon.info/methan.html (o.O) [12.02.22]
2 Vgl. Methan in der Atmosphäre (o.A) (o.D) https://www.bpb.de/themen/umwelt/anthropozaen/256771/methan-in-der-atmosphaere-ch-sub-4- sub/ [06.03.22]
3 Vgl. Neue Methan-Mikroben entdeckt (o.A) (12.03.2019) https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/neue-methan-mikroben-entdeckt [06.03.22]
4 Methan in der Atmosphäre: https://www.bpb.de/themen/umwelt/anthropozaen/256771/methan-in- der-atmosphaere-ch-sub-4-sub/ (o.A) (o.D) [10.03.22]
5 Vgl. Global Methane Budget (o.A) (o.D) https://www.globalcarbonproiect.org/methanebudget/16.del/hl-compact.htm [06.03.2022]
6 Vgl. (o.A) Reisanbau schadet dem Klima enorm. Das muss nicht so bleiben. (02.09.21) https://www.fr.de/zukunft/storys/ernaehrung/reisanbau-schadet-dem-klima-enorm-das-muss-nicht-so- bleiben-90957699.html [13.02.22]
7 Vgl. Judith M. Schicks: Methan im Gashydrat (2008)
8 Vgl. Prof. Dr. TinaTreude: Methahydrat das brennende Eis (o.D) https://www.geomar.de/news/article/methanhydrat-das-brennende-eis [13.02.22]
9 Brennbares Eis aus Methan und Wasser (o.A) (o.D) https://worldoceanreview.com/de/wor- 3/methanhydrat/die-entstehung/brennbares-eis-aus-methan-und-wasser/ [06.03.22]
10 Vgl. Judith M. Schicks: Methan im Gashydrat (2008)
11 Vgl. Christian Gutt: Methanhydrat - Energiequelle der Zukunft oder Gefahr fürs Klima? (2001)
12 Vgl. Robert Bittorf (2018) Chemie heute SII Gesamtband: Schülerband (Druck A). Westermann
13 Kai Rüsberg: Forscher warnen „Erdgas ist ein Klimaschädling genau wie Kohle“ (06.02.2020) https://www.deutschlandfunk.de/forscher-warnen-erdgas-ist-ein-klimaschaedling-genau-wie-100.html (o.O) [21.02.22]
14 Erdgasauto (o.A) https://www.energis.de/ratgeber/mobilitaet/erdgasauto (o.O) (o.D) [21.02.2022]
15 Vgl. Robert Bittorf (2018) Chemie heute Sil Gesamtband: Schülerband (Druck A). Westermann
16 Vgl. Robert Bittorf (2018) Chemie heute SII Gesamtband: Schülerband (Druck A). Westermann
17 Hans Günther Gassen: Ein Beitrag zur umweltfreundlichen Energieversorgung: Biogasanlagen (2005) 6
18 Vgl. Risiken durch Fracking (o.A) (26.05.2020) https://www.leibniz-gemeinschaft.de/ueber- uns/neues/forschungsnachrichten/forschungsnachrichten-single/newsdetails/risiken-durch-fracking [24.02.22]
19 Umweltbundesamt: Biogasanlagen (01.02.2019) (o.A) https://www.umweltbundesamt.de/themen/wirtschaftkonsum/industriebranchen/biogasanlagen#einfu hrung [24.02.22]
- Quote paper
- Anonymous,, 2022, Methan und Methanhydrat. Chancen und Risiken ihrer Gewinnung und Verwendung in Zeiten des Klimawandels, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1325550
