مزیت های استفاده از هیدرات متان و دشواری های استخراج آن

یخ آتش زا یا گازهای طبیعی هیدراته یخ زده، منبعی عظیم از انرژی هستند که سال ها است شناخته شده اند و مقدار آنها در کره زمین بسیار بیشتر از منابع نفت و گاز و زغال سنگ است. این یخ ها در واقع گازهای هیدروکربنی ای هستند که در میان مولکول های آب به دام افتاده و در نبود گرما، به شکل یخ در آمده و در لایه های زمین ذخیره شده اند. منابع عظیمی از این یخ ها در لایه های قطبی و در زیر اقیانوس ها (که فشار زیاد و سرد است)، شناخته شده اند اما هنوز روش اقتصادی و غیر آزمایشگاهی ای برای استفاده از آن پیدا نشده است.

ژاپن به تازگی اعلام کرده است که دولت این کشور تاکنون یک میلیارد دلار برای تحقیقات در زمینه روش های استخراج و استفاده از یخ های آتش زا هزینه کرده و به پاسخ نزدیک است. دو دلیل اصلی برای علاقه ژاپن به این یخ ها عبارت است از: اول اینکه منابع عظیم این انرژی در آب های عمیق اقیانوسی در اختیار این کشور قرار دارد و توکیو را از وابستگی به دیگر کشورها نجات می دهد (عمیق ترین شکاف های اقیانوسی جهان به عمق بیش از 11 کیلومتر در اطراف ژاپن قرار دارند) و دوم اینکه گازهای هیدروکربنی موجود در این یخ ها، راه حل مناسبی برای تامین انرژی و کاهش دی اکسید کربن کره زمین هستند.

در این مقاله شما می توانید با یخ های آتش زا و پیشرفت هایی که تا به امروز حاصل شده است، آشنا شوید.

یخ آتشین چیست؟
شکل ظاهری اش بسیار شبیه به یخ هایی است که تابستان ها در لیوان های شربت می ریزیم تا نوشیدنی خنک بنوشیم و این شباهت از این فراتر نمی رود. مکعبی سرد و فشرده که ظاهرش همان آب یخ زده است، در واقع گاز متانی است که در میان مولکول های هیدراته، یخ زده است و به جای آب شدن، می سوزد. این خبر خوب نشان می دهد که مشکلی برای استفاده از این سوخت وجود ندارد، کافی است در کوره بریزیم و کبریت را بکشیم تا هرچه نفت و گاز طبیعی به ما می دهد، از یخ قابل اشتعال بدست آوریم اما دو گام نخست استفاده از این منابع عظیم یخ – متان، دشوار و در نتیجه این منابع تا امروز بلا استفاده مانده است.

کشف منابعی که در اعماق دریا یا یخ های اقیانوس منجمد شمالی قرار دارند و سپس بیرون کشیدن یخ ها، کاری دشوار است. بر اساس پژوهش های ژاپنی ها، هر متر مکعب از یخ آتشین، معادل 164 متر مکعب متان در خود دارد که بیانگر وجود رقمی شگفت انگیز از مخازن این سوخت است. مشکل گام نخست یعنی اکتشاف منابع در ژاپن حل شده است. مرز دریای ژاپن و اقیانوس آرام در شرق جزیره مرکزی ژاپن، جایی است که میدان های بزرگی از یخ آتشین کشف شده و بطور ویژه در نواری به فاصله 50 کیلومتر از سرزمین اصلی، میدانی بزرگ پیدا شده که 1.1 تریلیون متر مکعب متان در خود دارد. این مقدار متان برای تامین کل انرژی مورد نیاز ژاپن طی یک دهه کافی است، توجه داشته باشید که این فقط یک میدان است.

ژاپنی ها اولین چاه را حفر کردند.
پس از آنکه ارزش سرمایه گذاری برای پژوهش در زمینه بکارگیری یخ آتشین به اثبات رسید و از آنجایی که ژاپنی ها برای اختراع تکنولوژی لازم، هیچ نگرانی ای نداشتند، در سال 2013 کنسرسیومی با نام MH21 تاسیس شد که مجموعه ای از متخصصان حفاری، مهندسان، شیمیدان ها و البته سیاستگذاران ژاپنی در آن عضویت داشتند. این کنسرسیوم مسئول تدارک آنچه برای رسیدن به متان های هیدارته لازم است، شد.

این کنسرسیوم شناور حفاری چیکیو را بالای ساخته ای به نام داینی آتسومی کنول بردند. این ساخت در عمق 1000 متری دریای جنوبی ژاپن و در نزدیکی شهر ناگایا واقع شده بود. از آنجایی که این اولین اقدام برای حفاری و دستیابی به یخ آتشین در دریا بود، هیچ مدرک فیزیکی مبنی بر وجود این منبع در زیر آب دریا در دست نبود و از سوی دیگر مشکل بزرگ دیگری به نام شیوه استخراج سر راه بود، اما اولین چاه حفر شد.

برای استخراج یخ آتشین باید این منبع انرژی از حالت جامد خارج و به صورت گاز در آید تا بتوان از آن بهره برد اما مسئله اینجا است که برای اینکار یا باید یخ ها تا دمای مایع شدن، گرم شوند و فرآیند آب شدن آغاز شود تا آب از گاز متان جدا شود یا اینکه فشار به اندازه ای پایین آید که آب و متان از یکدیگر جدا شوند. از آنجایی که گرم کردن هوا و آب و پمپاژ آن به عمق دریا برای ذوب کردن یخ ها انرژی بسیار زیادی مصرف می کند، مهندسان ژاپنی روش دوم را انتخاب کردند. آنها برای پایین آوردن فشار، یک پمپ کف کش به داخل رسوبات فرستادند و آب موجود در رسوبات چاه را به بیرون پمپ کردند. با خروج آب از رسوبات، فشار افت کرده و گاز متان آزاد و از طریق لوله ای به سطح آورده می شود، آب هم به دریا می ریزد. این روش برای اولین بار موفق به استخراج یخ آتشین شد اما این عملیات چند روز بیشتر به طول نینجامید چون ورود شن به لوله انتقال گاز موجب توقف پروژه شد.

ژاپنی ها در دومین تلاش، لوله های انتقال گاز را با پوششی از نوع خاصی پلمیر پوشانده و به کف دریا فرستادند. این پلیمر متان را از خود عبور می دهد اما مانع عبور شن ها می شود. این بار دو چاه حفر و همزمان آزمایش در هر دو میدان آغاز شد اما یکی از چاه ها به زودی با مشکل ورود شن روبرو شد و دیگری به آرامی به تولید خود ادامه می دهد. ژاپن تاکنون موفق به تولید 233 هزار متر مکعب متان با این روش شده اما تیم مهندسی اعلام کرده که این موقتی است و هنوز راه حل با ثباتی برای جلوگیری از ورود شن به لوله انتقال گاز پیدا نکرده اند.

رقبا از راه می رسند.
جدی ترین رقیب ژاپن، همان هماورد قدیمی یعنی چین است. پکن در دریای جنوبی چین منابع عظیمی از گاز طبیعی به صورت یخ آتشین کشف کرده و چند حفاری آزمایشی نیز انجام داده که یکی از آنها در ماه می 2017 (خرداد 1396) به نتیجه رسید ولی استخراج آنها هم هنوز مقرون به صرفه نیست. چینی ها به تازگی حتی یک شناور حفاری منحصر به فرد و تخصصی برای این کار به آب انداخته اند.

رقیب بعدی برای ژاپنی ها آمریکا است که از دیرباز بر سر تکنولوژی های مختلف با یکدیگر چالش داشته اند. آمریکا مدت ها قبل توانسته از زیر یخ های آلاسکا، یخ آتشین استخراج کند اما با انقلاب شیل و بدست آمدن گاز طبیعی ارزان از آن، هیچ تمایلی به سرمایه گذاری های کلان در این حوزه در آمریکا وجود ندارد. از سوی دیگر دانشگاه MIT در حال پژوهش های گسترده برای یافتن راهی اقتصادی برای آزاد کردن متان از یخ های گازی است و امیدهایی نیز بدست آورده است.

ناظران و کارشناسان معتقد هستند که یخ آتشین قابلیت اثرگذاری در آینده انرژی جهان را دارد، فقط باید تکنولوژی و تکنیک های علمی لازم ایجاد شود. دو دهه قبل، اثرگذاری شیل و منابع گاز شیل در معادلات انرژی جهان، خواب و خیال می نمود اما امروز با تکنولوژی چاه های افقی و شکست هیدرولیکی، این کار ممکن شده و به نظر می رسد آینده مشابهی در انتظار یخ های آتشین است.

خطرات یخ آتشین جدی است.
مانند هر استخراج دیگری، بهره کشی از رسوبات دریایی نیز خطرات خود را دارد چرا که این کار هم به نوعی بر هم زدن نظام طبیعت محسوب می شود. اولین خطر این است که با برداشت هیدرات متان از کف دریا، به مرور زمان بستر اقیانوس دچار رانش رسوبات شده و با فرو ریختن رسوبات به لایه های زیر قاره ای، سونامی و زمین لرزه ایجاد می شود.

در حال حاضر پژوهشگران ژاپنی تعداد زیادی حسگرهای رانشی در نقاط مختلف در اطراف سایت های حفاری و برداشت آزمایشی نصب کرده اند تا با استفاده از آنها، رفتارهای لایه ها را بررسی کرده و احتمال سونامی را زیر نظر داشته باشند. نتیجه این پژوهش ها تا به امروز نشان داده که احتمال بروز چنین حادثه ای بسیار اندک است. توضیح علمی این است که برای استخراج متان از یخ آتشین کف دریا، باید انرژی به سیستم طبیعی تزریق شود و اینکار به دلیل آنکه بر هم زدن یک سیستم با ثبات طبیعی است، نیازمند صرف کار است. در صورتی که این انرژی قطع شود، بلافاصله سیستم به وضعیت با ثبات باز می گردد و نگرانی از تشدید فرآیند خالی شدن زیر رسوبات وجود ندارد.

دغدغه دوم، نشت چاه ها ذکر شده است. در تمامی حفاری های نفت و گاز طبیعی، مقداری نشتی ایجاد می شود. وقتی این نشتی از حد و اندازه قابل کنترل خارج شود، حادثه آغاز خواهد شد. یکی از تاسف بارترین حوادث تاریخ نفت و گاز، در دکل حفاری دیپ واتر هورایزن اتفاق افتاد که نه تنها انفجار و تلفات داشت، بلکه حجم زیادی از نفت را روانه دریا کرد و لکه بزرگی در خلیج مکزیک در سواحل آمریکا به وجود آورد. داستان متان از این هم خطرناک تر است.

گاز طبیعی و متان به لحاظ آلایندگی در مصرف، از نفت و مشتقات آن یا زغال سنگ بسیار پاک تر هستند. اما باز هم سوخت فسیلی محسوب می شوند و دی اکسید کربن تولید می کنند اما متان یک خطر دیگر نیز دارد. در صورتی که متان از بستر دریا آزاد و با آب واکنش دهد، آب محیط را اسیدی می کند اما احتمال این واکنش بیشتر شبیه یک داستان علمی – تخیلی است. خطر دیگر این است که متان نشت کرده و به سطح آب بیاید و از آنجا وارد جو زمین شود. میزان اثر گلخانه ای متان 83 برابر دی اکسید کربن است و این بدان معنی است که در بازه عمر 20 ساله این گاز در جو زمین، می تواند حیات را بطورکلی از بین ببرد. علت غیر قابل زیست بودن بسیاری از سیارات شناخته شده که جو اطراف آنها را فرا گرفته، وجود مقدار زیادی متان در اتمسفر آنها است. زمین نیز در دورانی از شکل گیری خود حاوی مقدار زیادی گاز متان بوده که این گاز به شکلی یا به فضای بیرونی پمپ شده یا در اقیانوس ها به دام یخ های آتشین افتاده است. نتیجه نهایی این است که نشت از سایت حفاری دریایی یخ آتشین، بسیار جدی تر و خطرناک تر از نشت یک چاه گاز طبیعی معمولی است و برای استفاده از این منبع باید روش ها و تجهیزات بسیار قابل اعتمادی در اختیار داشته باشیم.

چه در توکیو و چه در پکن یا ماساچوست، پژوهشگران در حال تلاش برای یافتن منابع نو انرژی یا اقتصادی کردن منابع موجود هستند و ژاپنی ها برنامه ای برای عملیاتی کردن استخراج یخ آتشین تا سال 2020 تعریف کرده اند. آنها معتقد هستند با راهی که علم تا امروز طی کرده، رسیدن به این هدف دور از ذهن نیست و مطمئناً سال 2020 رقیب جدیدی برای جایگزینی سوخت های فسیلی آلاینده مانند زغال سنگ و نفت خام به بازار خواهد آمد که بنیانی مشابه اما عملکردی بسیار تمیزتر و موثرتر دارد.

[toggle title=”برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.” state=”close” ]

مقاله علمی و آموزشی «مزیت های استفاده از هیدرات متان و دشواری های استخراج آن»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت CNN ترجمه شده توسط بهزاد احمدی نیا از مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

[/toggle]