Cómo Funciona El Combustible Congelado

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El combustible congelado podría ser utilizado para calentar el planeta. Aprende sobre el combustible congelado y sus usos en este artículo.

Por sí solo, el metano no es muy excitante. Es un gas incoloro e inodoro y el miembro más simple de la serie de hidrocarburos de alcano. Su mayor reclamo a la fama es que, como principal constituyente del gas natural, es útil como fuente de energía.

Recientemente, sin embargo, los geólogos han descubierto un tipo de metano que ha despertado su curiosidad. Parte de su carácter inusual es cómo existe en su estado natural, atrapado dentro de una jaula de hielo. Aún más intrigante es cuánto de este metano congelado parece estar encerrado en la corteza terrestre. Algunas estimaciones indican que hasta 700 cuatrillones (700 × 1015) pies cúbicos (20 cuatrillones de metros cúbicos) de metano están recubiertos en hielo y atrapados en sedimentos de fondo marino en todo el mundo [fuente: Tarbuck]. Eso es el doble de carbono que los otros combustibles fósiles de la Tierra combinados.

El descubrimiento de este nuevo tipo de metano, lo que los científicos llaman hidrato de metano, ha llevado a dos preguntas importantes. El primero es pragmático: ¿Arderá como el metano ordinario? Resulta que lo hará. Si toma un trozo de hidrato de metano, que parece nieve dura, y toca un fósforo encendido, la muestra arderá con una llama rojiza. Y si ese es el caso, podría usarse para calentar hogares, alimentar autos y, en general, para alimentar a naciones hambrientas de energía como Japón, Estados Unidos, India y China. Los datos recientes sugieren que solo el 1 por ciento de los depósitos de hidrato de metano de la Tierra podrían producir suficiente gas natural para satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos durante 170,000 años [fuente: Stone].

La segunda pregunta es en parte una consideración ética: ¿deberíamos nosotros, como comunidad global, tratar fervientemente de desarrollar energía limpia y renovable, abrazar uno de los combustibles fósiles que nos metieron en problemas en primer lugar? La ciencia no puede responder esa pregunta. Sin embargo, puede revelar los desafíos y riesgos que enfrentan los países que esperan aprovechar el hidrato de metano. Uno de los desafíos más importantes es encontrar formas eficientes de extraer el combustible congelado. Más preocupantes son las posibles catástrofes, que van desde los desprendimientos masivos submarinos hasta un efecto invernadero desbocado, relacionado con la minería de metano.

En este artículo, exploraremos todos los aspectos positivos y negativos del hidrato de metano. Veremos su historia relativamente breve, así como la forma en que encaja en algunos posibles escenarios futuros. Y, por supuesto, examinaremos la ciencia básica detrás de este llamado "hielo inflamable".

Empecemos con algo de química.

Cómo funciona el combustible congelado: congelado

Fuego y hielo: la química del hidrato de metano

Representación de una molécula de metano, con la esfera azul que significa carbono y las cuatro esferas rojas que significan hidrógeno.

Representación de una molécula de metano, con la esfera azul que significa carbono y las cuatro esferas rojas que significan hidrógeno.

El combustible congelado es el nombre pegadizo para una familia de sustancias conocidas como hidratos de gas. El gas en cuestión es el gas natural, una mezcla de hidrocarburos, como el metano, el propano, el butano y el pentano. De estos, el metano es, con mucho, el componente más común y uno de los compuestos más estudiados en química.

Como todos los hidrocarburos, el metano contiene solo dos elementos: carbono e hidrógeno. Es un ejemplo de un hidrocarburo saturado, o una molécula compuesta completamente de enlaces simples y, por lo tanto, el número máximo de átomos de hidrógeno permitido. La fórmula general para hidrocarburos saturados es CnorteH2n + 2. El metano solo tiene un átomo de carbono, por lo que su fórmula química es CH4. Los químicos describen esta forma como un tetraedro.

El metano es un gas incoloro, inodoro y combustible producido por la descomposición bacteriana de la materia vegetal y animal. Se forma en un proceso compartido por todos los combustibles fósiles. Primero, las plantas y los animales marinos mueren y caen al fondo marino. A continuación, el lodo y otros sedimentos del fondo marino cubren los organismos en descomposición. Los sedimentos ejercen una gran presión sobre la materia orgánica y comienzan a comprimirla. Esta compresión, combinada con altas temperaturas, rompe los enlaces de carbono en la materia orgánica, transformándola en petróleo y gas natural.

En general, este metano, lo que los geólogos describen como metano "convencional", se encuentra debajo de la superficie de la Tierra. Para llegar a él, los trabajadores deben perforar rocas y sedimentos y aprovechar los depósitos de metano para liberar el gas. Luego lo bombean a la superficie, donde se transporta a través de tuberías en todo el país.

El metano también puede formarse de manera poco convencional si los sedimentos que lo producen se encuentran a unos 500 metros (1.640 pies) por debajo de la superficie del océano. Las temperaturas cercanas a la congelación y la alta presión de estas condiciones hacen que el metano quede envuelto en hielo. El metano no se une químicamente con el agua. En su lugar, cada molécula de metano tetraédrica se encuentra dentro de una capa cristalina hecha de hielo. Esta sustancia única se conoce como hidrato de metano, y tan pronto como alcanza temperaturas más cálidas y presiones más bajas, el hielo se derrite, dejando atrás el metano puro.

Los geólogos descubrieron el hidrato de metano de origen natural recientemente, pero los químicos lo han sabido durante años, como veremos en la siguiente sección.

Compuestos de Clatrato

El hidrato de metano es un clatrato, una sustancia química hecha de un compuesto anidado dentro de otro. La palabra viene del latín. clatrato, que significa "barras" o "celosía". Un compuesto sirve como anfitrión, el otro como invitado. En el caso del hidrato de metano, el agua es el huésped y el metano es el huésped. Por esta razón, los químicos a veces se refieren a los clatratos como complejos host-guest.

Una breve historia de hidrato de metano

Trozos de hidrato de gas recuperados del Golfo de México en 2002

Trozos de hidrato de gas recuperados del Golfo de México en 2002

La historia de los hidratos de gas se remonta a Humphrey Davy, un químico de Cornwall, Inglaterra, quien identificó el cloro como un elemento en 1810.

Davy y su asistente, Michael Faraday, continuaron trabajando con cloro durante los primeros años del siglo XIX, mezclando el gas verde con agua y enfriando la mezcla a bajas temperaturas.

Es muy probable que Davy haya observado el extraño sólido que resultó cuando los átomos de cloro se encerraron en cristales de hielo, pero Faraday obtiene el crédito oficial por el descubrimiento. En 1823, Faraday emitió un informe que describía la sustancia extraña y lo llamó hidrato de clatrato de cloro. Pronto se descubrieron otros tipos de clatratos, cada uno de los cuales incluía un compuesto huésped encerrado dentro de la estructura reticular de un huésped, pero seguía siendo una curiosidad de laboratorio.

Luego, en la década de 1930, los mineros de gas natural comenzaron a quejarse de un material helado que obstruye las tuberías expuestas a temperaturas frías. Los científicos determinaron que este material no era hielo puro, sino hielo envuelto alrededor de metano. No perdieron el tiempo intentando encontrar formas de evitar la formación de hidratos y se convirtieron principalmente en productos químicos, como el metanol o el monoetilenglicol. Desde entonces, las compañías mineras han agregado estos materiales a sus tuberías de gas natural para inhibir la formación de hidratos.

En la década de 1960, los científicos descubrieron que el hidrato de metano, o "gas natural sólido", existía en el campo de gas de Messoyakha en Siberia occidental. Esto fue significativo porque nunca se habían encontrado hidratos de gas naturales. Los geólogos y los químicos llegaron a la vasta cuenca y comenzaron a estudiar las condiciones en que se formaban los hidratos. Encontraron que los sedimentos sub permafrost eran ricos en hidratos y comenzaron a buscar depósitos similares en otras regiones de latitudes altas. Pronto, otro equipo de investigadores encontró hidrato de metano en sedimentos enterrados muy por debajo de la vertiente norte de Alaska.

Sobre la base de estos hallazgos iniciales, el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) y el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía realizaron una extensa investigación entre 1982 y 1992, revelando que los depósitos de hidrato de metano también se pueden encontrar en los sedimentos marinos. De repente, lo que una vez había sido una curiosidad y una molestia industrial parecía que podría ser un recurso significativo. A mediados de la década de 1990, Japón e India tomaron la iniciativa en la investigación del hidrato de metano, con el objetivo de encontrar más depósitos y desarrollar formas de extraer el metano atrapado económicamente. Desde entonces, los científicos han descubierto depósitos de hidrato de metano en numerosos lugares, incluido el delta del río Mackenzie en Canadá y el canal Nankai en la costa de Japón.

A continuación, consideraremos el impacto que podría tener el hidrato de metano en el suministro de energía del mundo.

El potencial del combustible congelado

Campos principales de hidrato de metano

Campos principales de hidrato de metano

Una vez que los científicos comenzaron a buscar depósitos de hidrato de metano, no se decepcionaron. Los encontraron debajo del permafrost ártico y debajo del lecho marino, especialmente en áreas donde una placa tectónica se desliza sobre otra. Estas regiones son conocidas como zonas de subducción porque el borde de una placa se mueve debajo de otra. Por ejemplo, frente a la costa de Washington y Oregón, la placa de Juan de Fuca se desliza por debajo de la placa norteamericana. Como un pedazo de madera que se dibuja a través de la hoja de un avión, los sedimentos, incluidos los hidratos, de la placa de Juan de Fuca se eliminan por la corteza rocosa de la placa de América del Norte. Esto crea una cresta de hidratos que corre paralela a la costa.

Los depósitos de hidratos también se han encontrado en regiones donde se encuentran grandes corrientes oceánicas. Blake Ridge es una formación ubicada en la costa de Carolina del Sur, en aguas que van desde 6,562 a 15,748 pies (2,000 a 4,800 metros) de profundidad. Los geólogos creen que la cresta se formó durante la época del Oligoceno, hace aproximadamente 33.7 a 23.8 millones de años. El mar de Groenlandia se abrió durante este tiempo, permitiendo que enormes cantidades de agua fría y densa fluyan hacia el sur a lo largo de la costa atlántica. A medida que esta agua fría corría precipitadamente hacia el agua caliente que se transportaba hacia el norte en la Corriente del Golfo, las corrientes se desaceleraron y cayeron grandes cantidades de sedimentos. El material orgánico enterrado en estos sedimentos eventualmente dio lugar a una gran cantidad de hidrato de metano.

¿Cuánto de este combustible congelado existe en Blake Ridge y en otros sitios alrededor del mundo? Según algunas estimaciones, la cantidad de metano almacenado en hidratos oscila entre 100.000 billones y 300.000.000 billones de pies cúbicos (2.832 billones a 8.495.054 billones de metros cúbicos). Compare eso con los 13,000 trillones de pies cúbicos (368 trillones de metros cúbicos) de reservas de gas natural convencionales que quedan en el planeta, y puede comprender por qué las mandíbulas en la comunidad científica han caído [fuente: Collett].

Por supuesto, encontrar los depósitos de hidratos es una cosa. Como veremos en la siguiente sección, sacarlos, y hacerlo de manera segura, es otra cosa completamente.

El Negocio Riesgo de la Minería Hidrato de Metano

Las recompensas potenciales de la liberación de metano de los campos de hidrato de gas deben equilibrarse con los riesgos. Y los riesgos son significativos. Comencemos primero con los desafíos que enfrentan las empresas mineras y sus trabajadores. La mayoría de los depósitos de hidrato de metano se encuentran en los sedimentos del fondo marino. Eso significa que las plataformas de perforación deben poder bajar a través de más de 1,600 pies (500 metros) de agua y luego, porque los hidratos generalmente se ubican muy bajo tierra, otros varios miles de pies antes de que puedan comenzar la extracción. Los hidratos también tienden a formarse a lo largo de los márgenes más bajos de las pendientes continentales, donde los fondos marinos caen desde la plataforma relativamente poco profunda hacia el abismo. El lecho marino con una pendiente aproximada dificulta el funcionamiento de la tubería.

Incluso si puede ubicar un aparejo de manera segura, el hidrato de metano es inestable una vez que se retira de las altas presiones y bajas temperaturas de las profundidades marinas.El metano comienza a escapar incluso cuando se transporta a la superficie. A menos que haya una manera de prevenir esta fuga de gas natural, la extracción no será eficiente. Será un poco como transportar agua de pozo usando un cubo lleno de agujeros.

Lo creas o no, esta fuga puede ser la menor de las preocupaciones. Muchos geólogos sospechan que los hidratos de gas desempeñan un papel importante en la estabilización del fondo marino. La perforación en estos depósitos oceánicos podría desestabilizar el lecho marino, causando que vastas franjas de sedimentos se deslicen por millas en la pendiente continental. La evidencia sugiere que tales deslizamientos de tierra bajo el agua han ocurrido en el pasado (ver barra lateral), con consecuencias devastadoras. El movimiento de tantos sedimentos sin duda provocaría tsunamis masivos similares a los observados en el tsunami del Océano Índico en diciembre de 2004.

Pero quizás la mayor preocupación es cómo la minería de hidrato de metano podría afectar el calentamiento global. Los científicos ya saben que los depósitos de hidratos liberan naturalmente pequeñas cantidades de metano. El gas funciona hacia el cielo, ya sea burbujeando a través del permafrost o el agua del océano, hasta que se libera a la atmósfera. Una vez que el metano está en la atmósfera, se convierte en un gas de efecto invernadero aún más eficiente que el dióxido de carbono para atrapar la radiación solar. Algunos expertos temen que la perforación en depósitos de hidratos pueda causar emisiones catastróficas de metano que acelerarán en gran medida el calentamiento global.

¿Eso hace que el metano de los campos de hidratos esté fuera de los límites? Esta es la pregunta que los científicos de todo el mundo están tratando de responder.

Moviendo montañas

Uno de los deslizamientos más grandes de la historia no se produjo en tierra, sino bajo el agua, cerca de la costa de Noruega. Tampoco ocurrió en la historia reciente, pero en la época del Holoceno, hace aproximadamente 8,000 años. Conocido como el desprendimiento de tierra submarino de Storegga, el evento provocó que enormes cantidades de sedimentos se deslizaran a unas 497 millas (800 kilómetros) por la pendiente continental. Esto a su vez provocó un mega tsunami, quizás de 82 pies (25 metros) de altura, que golpeó a Noruega y Escocia.

En 1998, investigadores rusos descubrieron un campo de hidratos inestable cerca del sitio del tobogán Storegga. Ahora los científicos creen que una rápida descomposición de los hidratos, relacionada con los cambios de temperatura y presión que se produjeron al final de la última era glacial, desestabilizó los sedimentos y causó el desprendimiento de tierras.

El futuro del combustible congelado

Los manifestantes en Corea del Sur en 2006 se manifestaron contra el plan de Japón de enviar buques de reconocimiento a las aguas reclamadas por ambos países. Las aguas en disputa son un rico territorio de pesca y se pensaba que tenían depósitos de hidrato de metano.

Los manifestantes en Corea del Sur en 2006 se manifestaron contra el plan de Japón de enviar buques de reconocimiento a las aguas reclamadas por ambos países. Las aguas en disputa son un rico territorio de pesca y se pensaba que tenían depósitos de hidrato de metano.

En 1997, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) inició un programa de investigación que finalmente permitiría la producción comercial de metano a partir de depósitos de hidratos de gas para 2015. Tres años después, el Congreso autorizó la financiación a través de la Ley de Investigación y Desarrollo de Hidrato de Metano de 2000. The Interagency El Comité de Coordinación (ICC), una coalición de seis agencias gubernamentales, ha estado avanzando en la investigación en varios frentes. Gran parte de lo que sabemos sobre la ciencia básica del hidrato de metano, cómo se forma, dónde se forma y qué papel desempeña, tanto en la estabilización del fondo marino como en el calentamiento global, proviene de la investigación de la CPI.

También están surgiendo ideas interesantes sobre cómo extraer el metano de los hidratos de manera eficiente. Algunos expertos proponen una técnica en la que los mineros bombean agua caliente por un agujero de perforación para derretir el hidrato y liberar el metano atrapado. A medida que el metano se escapa, se bombea al fondo marino a través de un agujero de perforación compañero. Desde allí, las tuberías submarinas transportan el gas natural a tierra. Desafortunadamente, tales tuberías tendrían que viajar sobre terrenos submarinos difíciles. Una solución es construir una instalación de producción en el lecho marino para que esté situada cerca de los depósitos de hidratos. A medida que el metano se escapa de los sedimentos calientes, los trabajadores de la planta volverían a congelar el gas para formar hidrato de metano "limpio". Los submarinos luego remolcarían el combustible congelado en enormes tanques de almacenamiento a aguas menos profundas, donde el metano podría extraerse y transportarse de manera segura y eficiente.

¿Es todo esto necesario? ¿Las fuentes de energía no renovables hacen que sea una pérdida de tiempo buscar otro combustible fósil no renovable tan vigorosamente? De manera realista, los combustibles fósiles seguirán siendo un componente importante de la combinación global de energía del mundo en las próximas décadas. Según la Administración de Información de Energía (EIA), se espera que el consumo total de gas natural en los Estados Unidos aumente de 22 billones de pies cúbicos (0,622 billones de metros cúbicos) en la actualidad a alrededor de 27 billones de pies cúbicos (0,76 billones de metros cúbicos) en 2030. Gas natural global se espera que el consumo aumente a 182 billones de pies cúbicos (5,15 billones de metros cúbicos) durante el mismo período [fuente: EIA]. El aprovechamiento del metano encerrado en los hidratos obviamente desempeñará un papel clave para satisfacer esa demanda.

Eso significa que el combustible congelado del hidrato de metano puede ganar más tiempo a medida que los científicos buscan alternativas para alimentar nuestro planeta. Piense en ello como un importante escalón en nuestra transición a fuentes de energía más limpias y ecológicas.


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