Beschreibung: The recovery of natural gas from CH4-hydrate deposits in sub-marine and sub-permafrost environments through injection of CO2 is considered a suitable strategy towards emission-neutral energy production. This study shows that the injection of hot, supercritical CO2 is particularly promising. The addition of heat triggers the dissociation of CH4-hydrate while the CO2, once thermally equilibrated, reacts with the pore water and is retained in the reservoir as immobile CO2-hydrate. Furthermore, optimal reservoir conditions of pressure and temperature are constrained. Experiments were conducted in a high-pressure flow-through reactor at different sediment temperatures (2 °C, 8 °C, 10 °C) and hydrostatic pressures (8 MPa, 13 MPa). The efficiency of both, CH4 production and CO2 retention is best at 8 °C, 13 MPa. Here, both CO2- and CH4-hydrate as well as mixed hydrates can form. At 2 °C, the production process was less effective due to congestion of transport pathways through the sediment by rapidly forming CO2-hydrate. In contrast, at 10 °C CH4 production suffered from local increases in permeability and fast breakthrough of the injection fluid, thereby confining the accessibility to the CH4 pool to only the most prominent fluid channels. Mass and volume balancing of the collected gas and fluid stream identified gas mobilization as equally important process parameter in addition to the rates of methane hydrate dissociation and hydrate conversion. Thus, the combination of heat supply and CO2 injection in one supercritical phase helps to overcome the mass transfer limitations usually observed in experiments with cold liquid or gaseous CO2.

Beschreibung: Geochemical data (CH4, SO42−, I−, Cl−, particulate organic carbon (POC), δ13C-CH4, and δ13C-CO2) are presented from the upper 30 m of marine sediment on a tectonic submarine accretionary wedge offshore southwest Taiwan. The sampling stations covered three ridges (Tai-Nan, Yung-An, and Good Weather), each characterized by bottom simulating reflectors, acoustic turbidity, and different types of faulting and anticlines. Sulfate and iodide concentrations varied little from seawater-like values in the upper 1–3 m of sediment at all stations; a feature that is consistent with irrigation of seawater by gas bubbles rising through the soft surface sediments. Below this depth, sulfate was rapidly consumed within 5–10 m by anaerobic oxidation of methane (AOM) at the sulfate-methane transition. Carbon isotopic data imply a mainly biogenic methane source. A numerical transport-reaction model was used to identify the supply pathways of methane and estimate depth-integrated turnover rates at the three ridges. Methane gas ascending from deep layers, facilitated by thrusts and faults, was by far the dominant term in the methane budget at all sites. Differences in the proximity of the sampling sites to the faults and anticlines mainly accounted for the variability in gas fluxes and depth-integrated AOM rates. By comparison, methane produced in situ by POC degradation within the modeled sediment column was unimportant. This study demonstrates that the geochemical trends in the continental margins offshore SW Taiwan are closely related to the different geological settings.

Beschreibung: Gashydrate sind eisähnliche Verbindungen, in denen Hydratbildner, z.B. Methan, in hoher Dichte gespeichert werden können. Methanhydrate sind nur bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen sowie in Anwesenheit hoher Methankonzentrationen stabil. Diese Stabilitätsbedingungen sind unter bestimmten Voraussetzungen in marinen Sedimenten erfüllt, in denen Methan durch den mikrobiellen Abbau von abgelagerter Biomasse entsteht oder aus größeren Tiefen zugeführt wird. Die globale Menge an Methan in marinen Gashydraten überschreitet die Menge an Erdgas in konventionellen Lagerstätten vermutlich um ein Mehrfaches. Eine potenzielle Nutzung von Gashydraten als zukünftige Energiequelle wird daher gegenwärtig weltweit untersucht. Erste Feldtests in Permafrostregionen und marinen Lagerstätten haben gezeigt, dass eine Produktion von Methan aus Gashydraten prinzipiell möglich ist. Eine Förderung von Methan aus Gashydraten kann technisch realisiert werden mittels Druckabsenkung, durch thermische Stimulation oder chemische Aktivierung. Die Injektion von CO2, ebenfalls ein Hydratbildner, kann eine solche Aktivierung der natürlichen Hydrate bewirken und das Methan in der Hydratstruktur ersetzen. Infolgedessen erscheint eine verfahrenstechnische Kombination von Hydratabbau und CO2-Speicherung als besonders sinnvoll, da im Idealfall eine emissionsarme bis -freie Energiegewinnung ermöglicht würde. Untersuchungen zur Aufklärung mechanistischer und fluiddynamischer Aspekte der CH4-CO2-Hydratumwandlung sowie zur Entwicklung eines technischen Verfahrens werden in unterschiedlichen Hochdruckanlagen auf verschiedenen Skalen durchgeführt. Diese speziellen Systeme bieten die Möglichkeit, marine Druck-, Temperatur- und Durchflussbedingungen zu simulieren. Sie sind mit verschiedenen Sensoren und Messsystemen (z.B. CTD, IR, Raman, MRI) ausgerüstet, um den Prozessverlauf störungsfrei zu überwachen. Basierend auf derzeitigen Ergebnissen erscheint die Injektion von erwärmtem, überkritischem CO2 als vielversprechender technischer Baustein für die Verfahrensentwicklung. Die Zuführung von Wärmeenergie bewirkt die initiale Destabilisierung der Gashydrate und die Freisetzung von CH4, während nach Abkühlung das CO2 seinerseits Hydrate bildet und als feste, immobile Phase im Sediment zurückgehalten wird. Sowohl Methanproduktion als auch CO2-Speicherung sind dabei abhängig von der Reservoirtemperatur, so dass die Prozesseffizienz und -ausbeute bei mittleren Temperaturen (8°C) höher ist als bei niedrigeren (2°C) und höheren Temperaturen (10°C). Dies deutet darauf hin, dass der Gesamtprozess durch die Raten der jeweiligen Teilreaktionen der Hydratzersetzung und Hydratneubildung stark beeinflusst wird. Der experimentelle Vergleich unterschiedlicher Injektionsmodi zeigt, dass eine alternierende CO2-Injektion bestehend aus Injektions- und Reaktionsintervallen höhere Ausbeuten erreicht als eine kontinuierliche Injektion.

Beschreibung: The accumulation of methane hydrate in marine sediments is controlled by a number of physical and biogeochemical parameters including the thickness of the gas hydrate stability zone (GHSZ), the solubility of methane in pore fluids, the accumulation of particulate organic carbon at the seafloor, the kinetics of microbial organic matter degradation and methane generation in marine sediments, sediment compaction and the ascent of deep-seated pore fluids and methane gas into the GHSZ. Our present knowledge on these controlling factors is discussed and new estimates of global sediment and methane fluxes are provided applying a transport-reaction model at global scale. The modeling and the data evaluation yield improved and better constrained estimates of the global pore volume within the modern GHSZ ( ≥ 44 × 1015 m3), the Holocene POC accumulation rate at the seabed (~1.4 × 1014 g yr−1), the global rate of microbial methane production in the deep biosphere (4−25 × 1012 g C yr−1) and the inventory of methane hydrates in marine sediments ( ≥ 455 Gt of methane-bound carbon).