Co je to vlastně plynový hydrát?

Led, který hoří a uchovává v sobě velké množství energie. Plynové hydráty vás prostě musí fascinovat... (délka blogu ca. 8 min.) 

Hydráty plynů jsou ledu podobné sloučeniny molekul vody a molekul různých plynů (methan, propan, butan, etc.). Nacházejí se ve velkém množství na kontinentálních svazích na okrajích oceánů. V posledních desetiletích zaujaly odborníky hlavně jako potenciální zdroj energie.

Vzhled a struktura

Hydrát methanu je bílá pevná látka podobná ledu. Skládá se z hostitelských molekul vody, tvořících klec, ve které jsou uzavřené molekuly plynu. 

Klatráty (jak se jim také říká) mohou přitom obsahovat až šestkrát více plynu než otevřený a plynem nasycený systém pórů v sedimentových vrstvách na dně moře. Je tedy obrovským zásobníkem látky, kterou umíme využít jako palivo. Není divu, že se jejich výzkumu v poslední době věnuje hodně vědců. 

Na pohled vypadají hydráty podobně jako bílý prachový sníh. Struktura může být překvapivě různorodá. Hydrát methanu například existuje ve třech různých variantách, nazývaných hydrát methanu I, II a H. Nejběžnější formě přirozeně se vyskytujícího hydrátu methanu se říká typ 1, což vás jistě nepřekvapí. Ostatní jsou vzácnější. 

Struktura hostitelských klecí je popsána pomocí zápisu AB , kde A je počet plošek klece a B je počet typů plošek. Ne všechny mají totiž stejný tvar. 

Hydrát methanu se strukturou typu 1, vytvořený z mhetanu biogenního původu, obsahuje jako zachycenou složku plynu téměř výhradně methan. A právě on je nejčastějším plynovým hydrátem na naší planetě. Tato forma představuje více než 95 % všech ložisek.

V hydrátu methanu typu 2 jsou kromě methanu přítomny další uhlovodíky, jako je například  propan. Struktura H obsahuje ještě větší molekuly, jako je hexan, methylcyklopentan, cyklohexan a methylcyklohexan . 

Menší struktury pojmou až osm molekul methanu ve 46 molekulách vody. Tento klatrát ovšem může obsahovat nejen methan, ale také ethan, sirovodík nebo oxid uhličitý. Větší klatráty mohou obsahovat i 136 molekul vody. Takový klatrát může pak logicky obsahovat i daleko větší molekuly uhlovodíků, jako například pentany (uhlovodík s pěti atomu uhlíku). 

Původ

Hydrátům plynů byl v minulosti přisuzován hlavně biogenní původ. Mělo se za to, že jsou primárně tvořeny mikroorganismy, které žijí v hlubokých vrstvách sedimentu a pomalu přeměňují organické látky na methan. 

Dnes jsou často diskutovány i zdroje v zemské kůře, která zásobuje dno moří anorganicky vzniklým methanem. Rozdíl se dá zjistit pomocí izotopové analýzy. Oba druhy methanu mají trochu jiná zastoupení různých uhlíkových izotopů. 

Izotopový rozbor mimochodem naznačil, že původní domněnka o biologickém původu klatrátů je správná. Hydráty, které tvoří zásobárny methanu na mořském dně, pocházejí hlavně z mikrobiálního methanu, pravděpodobně generovaného degradací mořské organické hmoty zachycené v sedimentu a poté uložené do klatrátů. 

Naleziště

Hydráty různých plynů byly až do konce 20. století považovány za vzácnou kuriozitu. Ledu podobné sloučeniny molekul vody, které ve svém nitru zapouzdřují plyny, byly například nepříjemnou komplikací při těžbě plynu z podmořských nalezišť. 

Teprve v 90. letech vědci zjistili, že se velká ložiska těchto látek vyskytují na kontinentálních svazích prakticky u všech okrajů oceánů. Je to logické - ke svému vzniku potřebují sedimenty, které obsahují organickou hmotu. A ty se do oceánů a moří dostávají právě z kontinentů. Globální zásoby hydrátu hse dnes odhadují na 2 × 10^(14)  m3 methanu. 

Hydráty methanu jsou stabilní pouze při vysokých tlacích (přesahujících 35  barů) a při nízkých teplotách (ve spodních vodách oceánů a hlubokého mořského dna). 

V praxi to znamená, že dostatečný tlak a teplota se nacházejí v hloubce minimálně 350 m.

Jak staré jsou klatráty methanu na dně moří? 

Vědcům se podařilo vypracovat počítačový model vzniku a vývoje nalezišť klatrátů methanu. 

Zohlednili jak fyzikální zákony, tak údaje o paleoklimatu a vývoji oceánu. Po zhruba měsíci měl počítač hotovou simulaci vzniku a vývoje ložisek v Mexickém zálivu. 

Nakonec porovnali výsledky s existujícími daty, získanými pomocí geologických průzkumů a vrtů. Model souhlasí a dobře odráží realitu. 

Jedním z překvapení bylo zjištění, že ložiska hydrátů plynu jsou mnohem mladší, než se dříve předpokládalo. Na spodním okraji vrstev hydrátu plynu zřejmě probíhá neustálá recyklace. 

Hydráty jsou stabilní pouze v určité hloubce pod mořským dnem - v oblasti s vyhovující teplotou a tlakem. Když se na mořském dně usadí desítky metrů nového sedimentu, hydráty to zjevně destabilizuje. Tepelná rovnováha, která ve vrstvě dosud panovala, se s příchodem nových sedimentů naruší, pevné vrstvy hydrátových usazenin se rozpadnou a nové vrstvy hydrátů se znovu vytvoří ve vyšším “patře”.  

To se mimochodem muselo stát na konci minulé doby ledové u pobřeží Norska. Tající ledovce uvolnily do moře velké množství sedimentu. 

Pokud je navíc v tomto období voda nad mořským dnem už nasycena methanem, není kondenzace methanu (příchozího z hlubších vrstev pod sedimentem) jednoduchá. Daleko větší je pravděpodobnost, že se uvolní do atmosféry. Na “tání” methanových hydrátů se tak překvapivě nepodílí teplota, ale spíše sedimentový přírůstek, dodávaný z pevniny. 

Zdroje:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017GC006876,https://www.nature.com/articles/s41467-018-03043-z, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0264817219303861?via%3Dihub