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Bruciare ghiaccio per produrre energia, sembrerebbe fantascienza ma non lo è! In un mondo sempre più bisognoso di nuovi combustibili, una nuova fonte di energia sta per entrare in scena, influenzando radicalmente il mercato globale dell’energia. Parliamo degli idrati di metano. Cosa sono esattamente?

L’alba di una nuova fonte di energia

Il 16 maggio di quest’anno è passata quasi indifferentemente una notizia apparentemente non molto rilevante ma con una enorme importanza nell’ambito dell’assetto energetico mondiale: Cina e Giappone sono riusciti ad estrarre idrati di metano nel mar Cinese Meridionale.

Piattaforma offshore idrati di metano
A Maggio di quest’anno, Cina e Giappone sono riusciti a produrre idrati di metano nel mar cinese meridionale.

Infatti, questa notizia segna una pietra miliare nello sviluppo e commercializzazione di questi giacimenti che, a livello globale, vengono stimati nell’ordine dei 2800 trilioni (migliaia di miliardi) di metri cubi di gas naturale. In confronto, la produzione mondiale di gas naturale da riserve convenzionali è dell’ordine di 3.5 miliardi di metri cubi, ciò vorrebbe dire soddisfare i fabbisogni mondiali di gas per oltre 800 anni al tasso di consumo attuale. Ma facciamo un passo indietro e vediamo cosa sono esattamente gli idrati di metano.

Ghiaccio infuocato

In termini tecnici, i gas idrati sono detti anche clatrati, facendo riferimento a un particolare fenomeno di inclusione in cui una o più molecole di una certa sostanza vengono inglobate nel reticolo cristallino di un’altra. È importante specificare che ciò che avviene non è una reazione chimica in quanto non si formano legami veri e propri tra le due diverse sostanze, è un fenomeno fisico che avviene tra la matrice (in questo caso ghiaccio) e la sostanza “ospite” (nel nostro caso metano).

struttura molecolare idrato di metano
La molecola di metano è intrappolata all’interno di un reticolo cristallino composto da molecole d’acqua. L’ingabbiamento è un fenomeno fisico e non coinvolge legami chimici.

Queste strutture sono molto comuni in natura e si formano in particolari condizioni di pressione e temperatura. È necessaria anche la presenza di una giusta concentrazione di molecole ospiti e che le molecole stesse abbiano dimensioni adeguate: azoto e idrogeno sono troppo piccoli per poter essere ingabbiati e tendono a “scappare” via, mentre molecole superiori al butano (formato da 4 atomi di carbonio e 10 di idrogeno) sono troppo grandi per poter essere contenute da una matrice di idrogeni; il metano, invece, rientra nella finestra di condizioni ottimali e tende ad accumularsi con una densità, in media, pari a 160 volte quella del metano a pari condizioni di pressione e temperatura. Ciò significa che un metro cubo di idrato contiene ben 160 metri cubi di metano!

Primo ingrediente: il metano

Per creare un idrato di metano è ovviamente necessario il metano, nelle giuste quantità. Questo piccolo idrocarburo è molto particolare, poiché è uno dei pochi che può avere sia origine da attività organica oppure chimica:

  • Il metano biogenico è dovuto alla composizione anaerobica della biomassa e si stima che rappresenti circa l’80-90% del metano contenuto nei giacimenti di idrati globali. Questa biomassa è formata tendenzialmente da plancton, micro-alghe e krill che, morendo, si depositano sul fondale oceanico venendo ricoperti da ulteriori sedimenti.formazione depositi idrato di metano Al di sotto dei dieci metri di profondità, le condizioni anerobiche sono ottimali per consentire a particolari microorganismi di “digerire” la materia organica, producendo metano, il quale rimarrà intrappolato nei sedimenti venendo a formare, in seguito, i gas idrati.
  • Invece, il gas termogenico tende a formarsi a diversi km di profondità nel sottosuolo, dove elevate pressioni e, sopratutto, temperature superiori ai 100 gradi centigradi, permettono la decomposizione chimica della materia organica accumulatasi milioni di anni prima. In seguito il metano, tramite fissurazioni della roccia e sfruttando la permeabilità di particolari rocce, tende a risalire e ad accumularsi nei sedimenti superiori.

Secondo e terzo ingrediente: temperatura e pressione

Oltre che dalla concentrazione di metano, la formazione di idrati è influenzata fortemente anche da pressione e temperatura; infatti, esiste una ben precisa “finestra” di pressione e temperatura in cui questo particolare solido è in grado di esser stabile.

Affinché l’idrato di metano sia stabile, particolari condizioni di pressione e temperatura devono sussistere. Questa finestra di stabilità viene anche chiamata GHSZ

Questa finestra viene anche chiamata Gas Hydrate Stable Zone (GHSZ). Al di sopra di questa zona, le pressioni non sono sufficienti per garantire la stabilità dell’idrato, separandosi in due fasi: acqua e gas. Al di sotto di questa fascia, l’eccessiva temperatura impedisce la formazione dei legami necessari alla stabilizzazione del cristallo. Per questa ragione i giacimenti di idrato di metano sono molto comuni nelle zone costali, ricche di vita e di biomassa, dove il metano si è potuto formare nei milioni di anni di decomposizione; è raro, infatti, trovare giacimenti importanti in zone a profondità marine elevate, dove la quantità di organismi è nettamente inferiore.

mappa di distribuzione degli idrati di metano
Gli idrati di metano sono presenti in tutto il globo e tendono a concentrarsi nelle zone costiere, dove esiste un’alta concentrazione di biomassa.

Prospezione ed esplorazione

La prima fase in assoluto è individuare zone geografiche potenzialmente ricche di tale combustibile, tramite simulazioni al computer, con zone ottimali per la formazione di idrati nel corso dei milioni di anni. Identificata una zona interessante, diverse tecnologie permettono di ricercare ulteriori indizi della presenza di giacimenti: il Multibeam Swath Sounder è uno strumento collegato al fondo di una nave, in grado di trasmettere ultrasuoni per identificare la presenza di bolle di metano, dovute a delle fuoriuscite naturali. La difficoltà principale risiede nel filtrare il rumore di fondo dal segnale utile. Alternativamente, la metodologia più utilizzata è l’analisi sismica, che con il tempo è diventata sempre più accurata ed efficiente. In questo caso, un array di geofoni e air guns trainate da una nave preposta e disposti a circa un metro e mezzo l’uno dall’altro, sparano impulsi di pressione che vengono riflessi dai sedimenti sottostanti; maggiore la differenza di densità tra i vari sedimenti e maggiore e la riflessione, in questa maniera è possibile identificare strati di metano libero appena sotto la GHSZ, dove la temperatura è troppo elevata per permettere la stabilizzazione del cristallino. È anche possibile posizionare i geofoni e le air guns a pochi metri dal fondale, per garantire una maggiore penetrazione e precisione, oppure utilizzando una configurazione a griglia, permettendo di ottenere un’immagine sismica in 3D.

Una volta ottenuti indizi della presenza di gas metano, è necessario verificare che l’idrato sia effettivamente presente. La tecnica più frequente è il Coring, che consiste nel perforare una zona interessante e prelevare una carota per verificare, in laboratorio, qualità e quantità dell’idrato. Alternativamente, è possibile utilizzare dei particolari sismometri ancorati al fondale oceanico: questi strumenti sono capaci di analizzare le più piccole oscillazioni dovute all’attraversamento di onde sonore; maggiore è la densità del sedimento, maggiore è l’oscillazione. Un’altra tecnologia sfrutta invece un set di antenne che inviano degli impulsi elettromagnetici nei sedimenti, analizzando l’intensità del segnale riflesso: diversi materiali posseggono infatti differenti conduttività elettromagnetiche, è così possibile quantificare sia la presenza di idrato sia la quantità di metano in esso contenuto. Il maggior svantaggio è dovuto al fatto che è difficile focalizzare questi segnali elettromagnetici in comparazione alle onde di pressione generate da un’air gun e, di conseguenza, è complesso poter triangolare con precisione la posizione di strati con particolari conduttività. In più, la capacità di penetrazione è minore rispetto alle onde di pressione. Per questa ragione si tende a combinare le due tecniche e, tramite particolari algoritmi, si utilizzano le informazioni di entrambe le tecnologie per ottimizzare i risultati.

Come lo estraiamo?

Il punto critico che ancora oggi non permette la produzione sostenibile di questo gas è la difficoltà tecnologica dell’estrazione del gas stesso dall’idrato. L’estrazione di questo idrocarburo è sostanzialmente molto diversa dalla normale produzione di olio e gas. La differenza fondamentale risiede nel fatto che questi ultimi sono fluidi liberi capaci di muoversi nel mezzo poroso della roccia tramite un certo gradiente di pressione, mentre nel gas idrato le molecole di idrocarburo sono fisicamente “imprigionate” nel reticolo cristallino del ghiaccio; è necessario, quindi, dissociare il metano. Negli ultimi dieci anni, tre differenti tecniche hanno mostrato risultati promettenti e sono attualmente le più utilizzate:

  • Circolazione d’acqua: in questo caso, l’acqua ad alta temperatura viene pompata all’interno del giacimento tramite un apposito pozzo. L’elevata temperatura destabilizza il reticolo cristallino, liberando il gas. Quest’ultimo fluisce verso la parte produttiva del pozzo stesso. Uno dei problemi principali è l’enorme quantità di acqua ed energia necessarie per l’estrazione, rendendo la tecnica appetibile solo per prezzi del gas abbastanza elevati;
  • Depressurizzazione: in questo caso si sfrutta semplicemente la depressurizzazione dovuta al pozzo, come se si bucasse un palloncino. Il gradiente di pressione destabilizza gli idrati, dissociando lentamente il gas. Rispetto alla circolazione d’acqua, questa tecnica è molto più economica ma richiede tempistiche particolarmente lunghe data la lentezza della dissociazione degli idrati. Un secondo problema è dovuto al fatto che la reazione di dissociazione è endotermica, cioè assorbe energia dall’esterno in forma di calore per avvenire e, man mano che il gas viene prodotto, sempre più energia viene assorbita dall’esterno diminuendo la temperatura nella zona di produzione; la diminuzione di temperatura rende, di fatto, più stabile il reticolo cristallino diminuendo ulteriormente il processo di dissociazione.

Produzione di idrati di metano

  • Iniezione di anidride carbonica: al momento è la tecnica più promettente ed efficiente, sfrutta l’abilità dell’anidride carbonica di “rimpiazzare” come molecola ospite il metano. Il fenomeno fisico è dovuto al fatto che un idrato di anidride carbonica, a pari condizioni di pressione e temperatura, è più stabile rispetto ad un idrato di metano, e il sistema tende spontaneamente a riportarsi nella condizione migliore. Il vantaggio principale è che non si verifica dissociazione del reticolo cristallino, che rimane in forma solida portando anche sostanziali vantaggi dal punto di vista geomeccanico. L’anidride carbonica potrebbe essere prodotta in superficie bruciando combustibile convenzionale, oppure, e in maniera molto più appetibile, si potrebbe utilizzare la CO2 prodotta dagli impianti industriali e le centrali convenzionali, evitando che si accumuli nell’atmosfera terrestre. Per accelerare lo scambio CO2-metano, il gas viene iniettato in condizioni supercritiche.

Gli idrati di metano e l’ambiente

È indubbio che, tra gli idrocarburi, il metano sia in assoluto il più pulito una volta combusto, ma nella sua forma originale presenta un’elevata pericolosità per l’ambiente. Il metano, infatti, è un potentissimo gas serra (ben 20 volte il potere dell’anidride carbonica) e un enorme liberazione di questo gas nell’atmosfera provocherebbe sconvolgimenti irreparabili al nostro fragile ecosistema.

permafrost
Enormi giacimenti di questo combustibile sono anche presenti sulla terraferma, particolarmente in zone in cui è presente il permafrost, minacciato dal riscaldamento globale.

Gli idrati di metano sono stabili solo in condizioni specifiche e, ad una certa temperatura, tendono a decomporsi, liberando enormi quantità di CH4. Alcune teorie ipotizzano che, milioni di anni fa, particolari cambiamenti climatici repentini fossero stati innescati dalla destabilizzazione di enormi giacimenti di idrati di metano. Al momento, queste ipotesi sono dibattute e non confermate, ma è indubbio che un’analisi di rischio sia necessaria nel momento in cui si pensi di produrre questo solido su scala industriale. È inoltre cruciale capire come l’attuale riscaldamento globale possa influire sui depositi esistenti i quali, nel destabilizzarsi, potrebbero ulteriormente accentuare tale fenomeno.

Attualmente esistono diversi modelli matematici che tentano di simulare la complessità del fenomeno, tenendo in considerazione vari scenari e integrando complessi algoritmi per le correnti oceaniche e i fenomeni atmosferici. Da questi modelli si è osservato che nel peggiore dei casi, assumendo un incremento della temperatura media degli oceani di 3°C, circa l’85% del metano intrappolato in questi giacimenti verrebbe rilasciato. Altri modelli predicono che i giacimenti più profondi non verrebbero influenzati, ma i depositi vicini alla zona di destabilizzazione tenderebbero a decomporsi già con l’aumento di un solo grado.

In conclusione

Che ci piaccia o no, il mondo ha puntato gli occhi su questa nuova, abbondantissima forma di energia. I vantaggi degli idrati di metano sono innumerevoli, partendo dalla semplificazione del trasporto e stoccaggio (attualmente il gas naturale viene trasportato solo tramite gasdotti lunghi migliaia di km, o liquefacendolo a temperature bassissime) al fatto che, data la sua distribuzione geografica, permetterebbe a nazioni storicamente povere di combustibili, e che devono importarne in grandi quantità, di ottenere l’indipendenza energetica. Non è quindi strano che il Giappone, il più grande importatore al mondo di LNG (Gas Naturale Liquido), stia investendo cospicuamente per far sì che la produzione su larga scala diventi realtà. In una simile situazione si trovano anche Corea del Sud, Taiwan, Vietnam, Nuova Zelanda, India e Cina. Per quest’ultime, gli idrati di metano permetterebbero di allentare, se non annullare, la loro pesantissima dipendenza dal carbone (con grande sollievo per l’ambiente e per i polmoni dei loro cittadini).

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti
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Gianluca Lubelli
Neo-laureato in Ingegneria petrolifera in cerca di opportunità lavorative nel settore oil & gas. Da sempre grande appassionato di scienza ed energia in particolare. Sognatore e viaggiatore, amo imparare e divulgare fino al punto di essere etichettato come saccente e logorroico da amici e conoscenti. Sogno una società fondata sul pensiero scientifico.