Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Gashydrate, auch „brennendes Eis“ genannt, sind faszinierende, eisähnliche Feststoffe, die aus Wasser- und Gasmolekülen aufgebaut sind und weltweit an allen aktiven und passiven Kontinentalhängen und in Permafrostgebieten vorkommen. Doch ihr unauffälliges Erscheinungsbild täuscht: Die Einschlussverbindungen können beachtliche Mengen Methangas enthalten. Daher besteht einerseits die Hoffnung auf einen möglichen neuen Energieträger und andererseits die Sorge um eine nicht zu unterschätzende Quelle an klimaschädlichem Methangas. Gashydrate, hat die neueste Forschung gezeigt, bieten zudem in vielen Bereichen industrieller Anwendung eine durchaus vielversprechende Alternative zu konventionellen Verfahren.

Das vorliegende Buch gibt eine Einführung in die physikalisch-chemischen Grundlagen der Hydratbildung und die Strukturen der Gashydratphasen. Basierend auf diesem grundlegenden Verständnis erklärt es die natürlichen Gashydratvorkommen und zeichnet mögliche Methoden des Abbaus und der Gewinnung von Methangas auf. Es beleuchtet Risiken, die von den Gashydratvorkommen in der Natur ausgehen könnten, und führt in die Möglichkeiten der Nutzung dieser Einschlussverbindungen in verschiedenen industriellen Anwendungsbereichen wie z.B. der Aufbereitung von Abwässern oder der Speicherung von Gasen ein.

Zielgruppe dieser kompakten Einführung in die verschiedenen Aspekte der Gashydratforschung sind Studierende der Chemie und Geowissenschaften, Ingenieure, Techniker oder auch Wissenschaftler.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung: Von der zufälligen Entdeckung zur gezielten Beobachtung: Gashydratforschung von 1811 bis zur Gegenwart

Zusammenfassung
In Kap. 1 wird die geschichtliche Entwicklung der Gashydratforschung von den ersten Laborbeobachtungen über ihre Erforschung im Zusammenhang mit der Produktion von Erdöl und Erdgas bis zu ihrer Entdeckung als potentiell relevanter Faktor im Kreislauf des Systems Erde zusammengefasst.
Judith M. Schicks

2. Molekularer Aufbau und Struktur der Gashydrate

Zusammenfassung
In Kap. 2 werden der Aufbau verschiedener Käfigtypen und deren Merkmale beschrieben und erklärt, aus welcher Kombination der Käfige die verschiedenen Hydratstrukturen resultieren. Es wird vermittelt, welchen Einfluss das Gastmolekül und insbesondere das Gast-zu-Käfig-Verhältnis auf die Bildung der unterschiedlichen Hydratstrukturen hat. Außerdem wird auf die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Eis und Gashydraten eingegangen. In Exkursen werden Grundlagen zu Wasserstoffbrückenbindungen und zur korrekten Bezeichnung von Flüssigkeits- und Gashydraten vermittelt
Judith M. Schicks

3. Bildung und Wachstum von Gashydraten – Labor versus Natur

Zusammenfassung
In Kap. 3 werden die grundlegenden thermodynamischen Voraussetzungen zur Bildung von Gashydraten vermittelt. Es werden verschiedene Erklärungsansätze zur Keimbildung, wie die Theorie der labilen Cluster, die Theorie der lokalen Strukturänderung, die Theorie der Keimbildung an der Grenzfläche zwischen wässriger Phase und Gasphase sowie die Keimbildung aus der Eisphase vorgestellt. Im Anschluss an die Keimbildung wird das weitere Hydratwachstum auf molekularer Ebene beschrieben. Anschließend werden experimentelle Hinweise im Hinblick auf eine Verifizierung der verschiedenen Modelle ausgewertet. Abschließend werden mögliche Einflüsse von Sedimenten, Mikroorganismen und Salinität der wässrigen Phase auf die Hydratbildung beschrieben. In einem Exkurs werden Grundlagen zur Löslichkeit von Gasen in der wässrigen Phase und deren Abhängigkeit von der Anwesenheit einer Hydratphase vermittelt.
Judith M. Schicks

4. Thermodynamische Eigenschaften einfacher und gemischter Gashydrate

Zusammenfassung
In Kap. 4 wird zunächst das Druck-Temperatur-Diagramm einfacher Gashydrate mit dem Verlauf der Gleichgewichtskurven und der koexistierenden Phasen für unterkritische und überkritische Hydratbildner diskutiert und das erste grundlegende Modell von van der Waals und Platteeuw sowie dessen Weiterentwicklungen zur Vorhersage des Phasenverhaltens vorgestellt. Anschließend wird auf den Einfluss der Eigenschaften der Gastmoleküle auf die thermodynamischen Eigenschaften der resultierenden Hydratphase wie z. B. die Stabilitätsbereiche (p-T-Bedingungen) und Zersetzungsenthalpien eingegangen. Schließlich wird der Einfluss von Salzen, thermodynamischen Inhibitoren und Sedimenten auf die thermodynamischen Eigenschaften einer Hydratphase erläutert.
Judith M. Schicks

5. Gashydratvorkommen in der Natur

Zusammenfassung
Kap. 5 gibt zunächst eine Übersicht, wo in der Natur die notwendigen Voraussetzungen für eine Gashydratbildung erfüllt sind und aus welchen Quellen die hydratbildenden Gase stammen können. In diesem Zusammenhang wird auch die Isotopenfraktionierung des Kohlenstoffs besprochen. Darauf basierend werden die verschiedenen Ansätze zur Abschätzung der globalen Hydratvorkommen und deren stark variierende Ergebnisse besprochen, bevor das Phänomen koexistierender Hydratphasen mit unterschiedlicher Struktur und Zusammensetzung in der natürlichen Umgebung erläutert wird. Abschließend werden die verschiedenen direkten und indirekten Methoden zum Nachweis von Gashydratvorkommen in der Natur beschreiben.
Judith M. Schicks

6. Gewinnung von Erdgas durch den Abbau natürlicher Gashydratvorkommen

Zusammenfassung
In Kap. 6 werden zunächst Kriterien zur Klassifikation natürlicher Gashydratvorkommen in Hinsicht auf eine wirtschaftlich sinnvolle Förderung des darin gespeicherten Gases vorgestellt. Anschließend werden die bisher entwickelten und im Labor wie im Feld getesteten Methoden zur Förderung von Gas aus natürlichen Hydratvorkommen beschrieben. Dazu gehören die thermische Stimulation mithilfe eines heißen Fluids oder der In-situ-Verbrennung, die Druckreduktion und die chemische Stimulation u.a. mittels der Injektion von Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffdioxid-Stickstoff-Gemischen. Abschließend wird auf die Risiken und Herausforderungen einer Exploitation natürlicher Gashydratvorkommen eingegangen.
Judith M. Schicks

7. Industrielle Nutzung von Gashydraten

Zusammenfassung
In Kap. 7 werden verschiedene potentielle Anwendungsbereiche für die Nutzung von Gashydraten vorgestellt. Dazu gehören die Speicherung und der Transport von Erdgas und Wasserstoff in Gashydraten, die Speicherung von Kohlenstoffdioxid in Gashydraten als Alternative zur geologischen Speicherung, die Reinigung und Separation von Gasen, die Meerwasserentsalzung und Abwasseraufbereitung sowie der Einsatz von Gashydraten als Kältemittel in Kühlkreisläufen.
Judith M. Schicks

8. Zersetzung natürlicher Gashydratvorkommen: potentielle Folgen für Hangstabilitäten und Klima

Zusammenfassung
In Kap. 8 wird die Zersetzung von Gashydraten beschrieben und auf Phänomene wie den Memory-Effekt und den Selbsterhaltungseffekt (self-preservation effect oder anomalous preservation) eingegangen. Es wird beschrieben, unter welchen Umständen sich porenfüllendes, gerüstbildendes oder zementierendes Hydrat im Sediment bildet, wann dieses Hydrat die mechanischen Eigenschaften des Wirtssediments beeinflusst und wann der Abbau von Gashydraten in hydratführenden Sedimenten zu Hangrutschungen führen kann. Ferner wird auf die möglichen Wechselwirkungen zwischen Gashydraten im und unterhalb des Permafrostes sowie in marinen Sedimenten und dem Klima eingegangen.
Judith M. Schicks

9. Analysenmethoden zur Charakterisierung von Gashydraten

Zusammenfassung
In Kap. 9 werden verschiedene Methoden zur Analyse und Charakterisierung von Gashydraten vorgestellt. Dazu gehört neben der Raman-Spektroskopie, der Röntgendiffraktometrie und Neutronendiffraktometrie auch die magnetische Kernresonanzspektroskopie, Elektronenmikroskopie und Differenzkalorimetrie. Es werden jeweils die allgemeinen Grundlagen erklärt und Beispiele für die Anwendungen in der Gashydratforschung gegeben.
Judith M. Schicks

10. Ausblick

Zusammenfassung
In Kap. 10 werden verschiedenen Bereiche der Gashydratforschung erwähnt, die relativ
unerforscht sind oder in denen es trotz vieler Erkenntnisse noch offene Fragen gibt.
Judith M. Schicks

Backmatter

Weitere Informationen

Premium Partner

    Bildnachweise