Hydrát methanu (vzorec CH 4 5,75H 2 O nebo 4CH 4 23H 2 O) nebo hydrát methanu je supramolekulární sloučenina methanu s vodou , stabilní při nízkých teplotách a zvýšených tlacích. Jedná se o nejrozšířenější hydrát plynu v přírodě - jeho zásoby se odhadují na 10 16 kg, což je o dva řády více než světové zásoby ropy [1] .
Ve 40. letech 20. století sovětští vědci ( Strizhov , Mokhnatkin , Chersky ) předpokládali přítomnost usazenin hydrátu plynu v zóně permafrostu . V 60. letech 20. století byla na severu SSSR objevena první ložiska hydrátů plynu . Od té doby jsou hydráty plynu považovány za potenciální zdroj paliva . Postupně se ukázalo jejich široké rozšíření v oceánech a nestabilita s rostoucí teplotou.
Hydráty zemního plynu nyní přitahují zvláštní pozornost jako možný zdroj fosilních paliv a také jako přispěvatel ke změně klimatu (viz hypotéza metanového hydrátu ).
Hydráty plynů vypadají jako stlačený sníh , mohou hořet, snadno se rozkládají na vodu a plyn, když teplota stoupá. Díky své klatrátové struktuře může hydrát plynu o objemu 1 m³ obsahovat až 160–180 Nm³ čistého plynu. Tento ukazatel je srovnatelný s některými perspektivními typy objemových detonačních trhavin.
Většina přírodních plynů ( CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , CO 2 , N 2 , H 2 S , isobutan atd.) tvoří hydráty , které existují za určitých termobarických podmínek. Oblast jejich existence je omezena na sedimenty mořského dna a oblasti permafrostu . Převládajícími hydráty zemního plynu jsou metan a hydráty oxidu uhličitého .
Fázový diagram a pole stability hydrátu metanu v mořích a na kontinentech . V moři je rozsah stability hydrátu metanu určen teplotou vody ve spodní vrstvě a geotermálním gradientem . Teplota spodní vody v severních mořích je +4 °C. Níže v sedimentárních horninách roste v souladu s geotermálním gradientem, při určité teplotě se hydrát metanu stává nestabilním a rozkládá se na vodu a metan. Podobný obrázek je pozorován na kontinentech, ale hloubka rozpadu hydrátů na nich závisí na hloubce vývoje permafrostu .
Jak vyplývá z fázového diagramu hydrátu methanu, jeho vznik vyžaduje nízké teploty a relativně vysoký tlak a čím vyšší tlak, tím vyšší je teplota, při které je hydrát metanu stabilní. Takže při 0 °C je stabilní při tlacích řádově 25 barů a vyšších. Takový tlak je dosahován např. v oceánu v hloubce asi 250 m. Při atmosférickém tlaku vyžaduje stabilita hydrátu metanu teplotu asi −80 °C. Hydráty metanu však mohou existovat ještě poměrně dlouhou dobu při nízkých tlacích a při vyšší teplotě, ale nutně negativní - v tomto případě jsou v metastabilním stavu , jejich existence zajišťuje efekt sebezáchovy - během rozkladu metan hydratuje jsou pokryty ledovou krustou, která zabraňuje dalšímu rozkladu.
S nárůstem tloušťky srážek v moři a poklesem nebo snížením tloušťky permafrostu dojde k rozkladu hydrátu metanu a v malé hloubce se vytvoří zásobník plynu, ze kterého může plyn pronikat na povrch. Takové emise jsou skutečně pozorovány v tundře a někdy i v mořích.
Katastrofický rozpad hydrátu metanu je považován za příčinu teplotního maxima pozdního paleocénu , geologické události na hranici paleocénu a eocénu , která vedla k vyhynutí mnoha živočišných druhů, změně klimatu a sedimentaci . .
Proces průlomu metanu z ložisek hydrátu plynu na moři byl použit k vysvětlení zmizení lodí v Bermudském trojúhelníku a na některých dalších místech. Hypotéza je taková, že když metan stoupá k hladině, voda je nasycena bublinkami plynu a hustota směsi prudce klesá, v důsledku toho loď ztrácí vztlak a potápí se. Existuje předpoklad, že metan stoupající do vzduchu může také způsobit havárie letadel - například v důsledku snížení hustoty vzduchu, což vede ke snížení vztlaku a zkreslení údajů výškoměru . Kromě toho může metan ve vzduchu způsobit zastavení nebo explozi motorů.
Experimentálně byla skutečně potvrzena možnost poměrně rychlého (během desítek sekund) zaplavení nádoby, která byla na hranici úniku plynu, pokud se plyn uvolní v jedné bublině, jejíž velikost je větší nebo rovna délka plavidla. Otázka těchto emisí plynů však zůstává otevřená. Kromě toho se hydrát metanu nachází i na dalších místech světových oceánů, kde nebyly zaznamenány hromadné případy pohřešovaných lodí.
V srpnu 2006 bylo oznámeno, že čínští obchodníci investují 800 milionů jüanů (100 milionů $) v průběhu příštích 10 let, aby prozkoumali možnost těžby plynu z ložisek hydrátu [2] . Univerzita v Bergenu (Norsko) vyvinula techniku pro začlenění CO 2 do hydrátových usazenin s následnou regenerací CH 4 . Dne 12. března 2013 oznámila společnost ConocoPhillips společně s Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) úspěšnou aplikaci této metody poblíž Japonska [3] [4] .
V květnu 2017 Japonsko a Čína oznámily průlom v otázce produkce plynu z hydrátových ložisek [5] . Nicméně, konsensus ropného a plynárenského průmyslu je, že to bude trvat roky, než komerční výroba hydrátů [6] .
Při těžbě a přepravě zemního plynu v plynné formě mohou ve vrtech, polních komunikacích a hlavních plynovodech vznikat hydráty . Hydráty, které se usazují na stěnách potrubí, prudce snižují jejich průchodnost. Pro boj s tvorbou hydrátů v plynových polích se do vrtů a potrubí zavádějí různé inhibitory ( metylalkohol , glykoly , 30% roztok CaCl2 ) a teplota proudu plynu se udržuje nad teplotou tvorby hydrátu pomocí ohřívačů, tepelných izolace potrubí a výběr provozního režimu zajišťující maximální teplotu proudu plynu. Pro zamezení tvorby hydrátů v hlavních plynovodech je nejúčinnější dehydratace plynu – čištění plynu od vodní páry.