Methanhydrat: Energie aus dem Eis

Es sieht aus wie Wassereis, aber es brennt wie Zunder. Wenn man sieht, wie sich Methanhydrat in Flammen auflöst, wird klar, welches Potenzial der Stoff für die Energieversorgung hat. Erst recht, seit vor wenigen Jahren Untersuchungen des Untergrunds zeigten, dass der Stoff praktisch weltweit in großen Mengen vorkommt. Schätzungen zufolge könnten mindestens 3000 Milliarden Tonnen Methan gefördert werden. Das ist das Dreifache der weltweiten Erdgasreserven, die in konventionellen Lagerstätten stecken.

Am bekanntesten ist Methan im gasförmigen Zustand – als Hauptbestandteil von Erdgas oder als Treibhausgas, das etwa Kühe vorn und hinten gleichermaßen ausstoßen. Unter den Dauerfrostböden und in Meeressedimenten ist Methan aber auch im festen Zustand zu finden. Dort ist die Temperatur so gering, dass sich eine Hydratstruktur bildet: eine Art Käfig aus Wassermolekülen, in denen ein Methanmolekül gefangen ist. Damit diese Struktur erhalten bleibt, muss der Umgebungsdruck mindestens so groß sein wie in 400 Metern Wassertiefe. Andernfalls zerfällt das Methanhydrat und das energiereiche Eis löst sich in Luft auf.

Noch fehlt die Technik, um den Rohstoff aus der Tiefe zu gewinnen. Unter dem Druck steigender Öl- und Gaspreise sowie der Abhängigkeit von Importen treiben vor allem Nordamerika und Japan die Entwicklungen auf dem Gebiet voran. Auch deutsche Wissenschaftler sind an mehreren Forschungsvorhaben beteiligt. Im Projekt „Sugar“ (Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport) wollen sie ein Verfahren entwickeln, bei dem einerseits Methan gewonnen und zugleich das Treibhausgas Kohlendioxid sicher im Meeresboden deponiert werden soll. Mit gut zehn Millionen Euro unterstützt die Bundesregierung das Vorhaben, die beteiligten Firmen bringen knapp drei Millionen Euro auf.

„Im Gegensatz zu Erdgas, das oft in blasenförmigen Strukturen zu finden ist, bildet das Methanhydrat im Sand flache, über viele Kilometer reichende Schichten, die in ihrer Gestalt eher Kohleflözen ähneln“, sagt der Sugar-Projektleiter Klaus Wallmann vom Leibniz-Institut IFM-Geomar in Kiel. „Dementsprechend ist die Fördertechnik angepasst, mit der man die Hydrate gewinnen will.“ Von einem Schiff aus soll ins Sediment gebohrt werden, um das Methan nach oben zu holen. Wenn die Fördermenge abnimmt, wird der Bohrer im Untergrund zur Seite abgelenkt, um die Nachbarregion anzuzapfen. Wenn auch das nichts mehr bringt, soll das ganze Schiff ein Stück weiterrücken und das Procedere von vorn beginnen.

Der Methanabbau kann aber verheerende Auswirkungen auf die Meereswelt haben. Deshalb sollten bestimmte Lagerstätten für die Gewinnung tabu sein, fordern Geowissenschaftler. Dazu gehören Gashydrate, die sich direkt auf dem Meeresgrund befinden, denn sie sind Energielieferanten für sensible Ökosysteme der Tiefsee. Auch die Eislinsen, die an steilen Hängen unter der Wasseroberfläche liegen, sollten nicht angerührt werden, weil das Hydrat dort zur Stabilisierung der lockeren Sedimente beiträgt. Wird es entnommen, könnte ein Teil des Hangs abrutschen. Das ist im Lauf der Erdgeschichte häufiger passiert. Wenn nämlich durch eine Klimaänderung der Meeresspiegel sinkt, wird der Wasserdruck für die Hydrate zu gering. Sie lösen sich auf und steigen als Gas nach oben. Der gleiche Effekt kann auch von steigenden Wassertemperaturen ausgelöst werden. Eine der bedeutendsten Entgasungen jüngerer Zeit hat es vor 7000 bis 25 000 Jahren im Storegga-Canyon vor der norwegischen Küste gegeben. Dabei brach ein so großes Stück vom Unterwassergebirge ab, dass ein Tsunami ausgelöst wurde, der die Küsten Schottlands und Irlands überrollte. Das freigesetzte Methan wiederum heizte dem Planeten ein. Denn das Gas ist für den Treibhauseffekt 23-mal wirksamer als Kohlendioxid.

Deshalb blicken Klimaforscher auch mit Sorge auf die arktischen Gewässer. Berechnungen zufolge werden sich dort im Zuge der Erderwärmung große Mengen Gashydrat auflösen und in die Atmosphäre gelangen. „Vor Spitzbergen hat man das eindeutige Blubbern unlängst beobachtet“, berichtet Wallmann.

Damit der Methanausstoß durch den Hydratabbau nicht noch zusätzlich beschleunigt wird, empfehlen die Sugar-Wissenschaftler, nur jene Vorkommen anzubohren, die unter einer dichten Tonschicht lagern. Wie ein großer Deckel verhindert diese, dass unfreiwillig Gas freigesetzt wird.

Doch wie kann es überhaupt gelingen, das feste Methaneis durch ein wenige Zentimeter dünnes Bohrloch zutage zu fördern? „Wir müssen das Hydrat noch in der Lagerstätte so weit erwärmen, dass es zu Gas wird und abgepumpt werden kann“, sagt Wallmann. Dazu verfolgen die Forscher verschiedene Ansätze.

Am elegantesten erscheint die Idee, die Methanschmelze mithilfe von Kohlendioxid (CO2) auszulösen, das massenhaft in Kohle- und Gaskraftwerken anfällt und dort ein ungeliebtes Abfallprodukt ist. Das CO2 reagiert mit dem Methaneis, was am Ende zu einem Rollentausch führt: Das Methan wird gasförmig und das Kohlendioxid bildet selbst eine feste Hydratstruktur – was wiederum die Sedimentschichten stützt. „CO2-Hydrate sind chemisch sogar stabiler als die aus Methan“, sagt Wallmann. Er glaubt deshalb, dass die Verbrennungsreste der Kraftwerke dauerhaft dort unten bleiben. „Aus meiner Sicht ist diese Art der CO2-Deponierung sicherer als in tiefen Erdschichten an Land“, sagt er. Denn dort bleibe das Gas im „superkritischen Zustand“, das heißt, es ähnelt einer Flüssigkeit und ist chemisch sehr aktiv. Nach wie vor ist unsicher, ob und wenn ja welche Mengen sicher unter unseren Füßen verwahrt werden können. Das TiefseeCO2 hingegen würde selbst bei stark steigenden Temperaturen lediglich eine Flüssigkeitslinse bilden, die am Meeresgrund bleibt.

Allerdings gibt es bei dem Rollentausch zwischen CO2 und Methan ein Problem: Es dauert viel zu lange. Deshalb arbeiten verschiedene Forschergruppen an Verfahren, die die Reaktion beschleunigen sollen. Das könnten Gase wie Stickstoff und Argon sein, die in die tiefen Reservoirs gepumpt werden, oder biologisch abbaubare Polymere. Möglicherweise genügt es auch, einfach erwärmtes CO2 nach unten zu bringen.

Sollte die Wärme nicht ausreichen, müssten die Wissenschaftler eine Art Heizung in den Hydraten errichten. Daran arbeiten etwa Judith Schicks vom Geoforschungszentrum in Potsdam und ihr Team. Sie wollen kleine Reaktoren in die Lagerstätten bringen, die zur Wärmeerzeugung direkt das dort unten liegende Methan nutzen. „Das energiereiche Gas wird mit Luft von der Oberfläche vermischt und an einem Katalysator oxidiert“, sagt die Forscherin. „Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, die dann weiteres Hydrat zum Schmelzen bringt.“

Welches Verfahren am besten geeignet ist, lasse sich jetzt noch nicht sagen, meint Wallmann. „Das ist sicher auch von der jeweiligen Lagerstätte abhängig.“ Erste Fördertests im Meer könnten aber in zwei Jahren starten, hofft der Projektleiter. Dazu verhandelt er gerade mit Indien. Das Land hat gut erkundete Methanvorkommen und ist wegen seiner vielen Kohlekraftwerke zugleich ein bedeutender CO2-Emittent. Gemeinsam mit einer US-Firma, die auf die CO2-Abscheidung aus Kraftwerksabgasen spezialisiert ist, wollen die Forscher demonstrieren, wie man Methan gewinnen und dabei Kohlendioxid loswerden kann.

Einen industriellen Abbau von Methanvorkommen wird es dennoch zuerst auf dem Festland geben, sagt Wallmann. „Das ist weniger kompliziert als mitten im Meer.“ In fünf Jahren, schätzt er, werde es in Alaska so richtig losgehen.