Gas idrati: risorsa energetica per il futuro?


    [27/06/2008]

    Abstract

    Fra 50-70 anni il problema delle risorse energetiche disponibili per l'uomo non sarà più confinato alle tavole rotonde o ai convegni di esperti: sarà  un realtà  concreta e pressante che toccherà  ciascuno di noi, nel quotidiano.

    Immaginiamo come potrebbe essere la nostra vita se dovessimo usare i computer per tempi ridotti e in orari prestabiliti, o se a una certa ora le luci nelle case si spegnessero automaticamente.

    Per non parlare, poi, del problema legato ai mezzi di trasporto o al riscaldamento delle case.

    Per questo motivo, da più parti si sta prendendo in considerazione l'uso degli idrati del gas naturale, in primis come risorsa energetica, ma anche perché essi rappresentano un possibile mezzo per trasportare il metano.

    Il fatto che si concentrino principalmente negli ambienti marini richiede il possesso di adeguate strumentazioni e conoscenze, che permettano di individuarli e di determinarne distribuzione spaziale e volume.

    A tal fine, l'Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale (OGS) di Trieste ha sviluppato diverse tecniche di acquisizione e procedure di inversione, analisi e interpretazione dei dati, che consentono di ottenere i parametri elastici caratteristici dei gas idrati e dei sedimenti che li contengono, parametri indispensabili per stimare la concentrazione degli idrati.

    Cosa sono i gas idrati

    I gas idrati sono composti solidi (clatrati) formati da acqua e gas naturali di basso peso molecolare (generalmente metano), che si formano in ambienti caratterizzati da bassa temperatura, alta pressione e sufficiente concentrazione di gas.

    Queste condizioni sono comunemente presenti nel sottofondo marino, a tutte le latitudini geografiche.

    Nelle aree continentali, i gas idrati sono stati massicciamente individuati nel permafrost: hanno un'apparenza simile al ghiaccio sporco e si dissociano rapidamente se portati a condizioni ambientali di pressione e temperatura, liberando metano e acqua (Fig. 1; Sloan, 1998).

    Figura 1 - Il gas idrato

    Figura 1 - Carota di gas idrato misto a sedimento prelevato con la nave di perforazione scientifica JOOIDES Resolution nell'ambito dell'Ocean Drilling Program (Leg 164; http://www-odp.tamu.edu).

    Il crescente interesse scientifico di cui queste sostanze sono state fatte oggetto è legato principalmente alla loro rilevanza dal punto di vista energetico e ambientale.

    I gas idrati, infatti, sono considerati una possibile fonte di energia del futuro, oltre che un possibile mezzo di trasporto del metano in forma idrata.

    Inoltre, dato il loro elevato contenuto di metano (un gas a forte effetto serra), possono avere un enorme rilevanza sul clima nell'eventualità di una loro dissociazione.

    Non ultimo è il loro ruolo sulla stabilità dei pendii sottomarini e sugli effetti devastanti (quali per esempio frane sottomarine) che potrebbero essere innescati da una dissociazione di grandi quantità di gas idrati al variare delle condizioni di pressione e temperatura, che possono essere causate da fenomeni naturali o antropici.

    Per questi motivi, notevoli sforzi sono stati impiegati dalla comunità  scientifica e petrolifera per individuare riserve di idrati e per quantificare i giacimenti di metano intrappolati nei sedimenti.

    La sismica a riflessione e rifrazione è, di gran lunga, la metodologia più utilizzata per questi obiettivi (per es. Tinivella and Accaino, 2000).

    Infatti, dall'analisi dei dati sismici, è possibile interpretare e tradurre volumi sismici tridimensionali in volumi di concentrazione di gas idrato e gas libero, fornendo informazioni a scala regionale sia sulla loro distribuzione areale, sia sulla quantità di metano intrappolato nei sedimenti.

    A partire dagli anni Ottanta, il progredire delle conoscenze sul sistema integrato degli oceani nell'ambito delle esplorazioni scientifiche dell'Ocean Drilling Program (http://www-odp.tamu.edu), ha collegato l'esistenza dei gas idrati a molti aspetti dell'oceanografia geologica e biologica.

    Così, gli idrati hanno cominciato a occupare un settore sempre più ampio della ricerca di base in geologia, geofisica, biologia, microbiologia ed ecologia.

    Infine, gli idrati sono stati considerati i possibili responsabili di devastanti disastri naturali, come la terrificante esplosione a Tunguska nel 1908 in Siberia (inizialmente attribuita alla caduta di un meteorite) e la misteriosa sparizione di navi ed aerei nel Triangolo delle Bermuda.

    Quantificazione dei gas idrati e del gas libero

    Le caratteristiche sismiche degli eventi associati ai gas idrati possono essere studiate applicando ai dati sismici tecniche di analisi non convenzionali, per ricostruire le proprietà elastiche dei sedimenti contenenti gas idrato e gas libero con l'aiuto di modelli teorici (Tinivella, 1999; Tinivella, 2002).

    Per stimare l'ammontare dei gas idrati e del gas libero presente nello spazio poroso dei sedimenti è indispensabile conoscere in dettaglio il campo di velocità  delle onde compressionali e/o di taglio nei sedimenti marini, cioè le velocità dei due tipi di onde elastiche che si propagano in seguito a un esperimento sismico.

    Un modello di velocità ad alta risoluzione può essere ricostruito a partire da profili sismici multicanali utilizzando metodi di inversione, che permettono di determinare la velocità  di propagazione delle onde sismiche dalla conoscenza dei tempi di arrivo delle onde rispetto alla posizione in cui sono state generate.

    Le discrepanze che si ricavano tra le strutture di velocità  ottenute dall'inversione dei dati sismici e dall'andamento della velocità  per zone sedimentarie soggette a normale compattazione possono essere interpretate come evidenze di gas idrati (dove sono presenti anomalie positive) e di gas libero (dove le anomalie sono negative).

    Quindi, dalle anomalie di velocità sismiche, è possibile stimare la concentrazione percentuale di gas idrati e gas libero nei sedimenti marini attraverso modelli teorici.

    La teoria si basa sul modello di Biot (http://it.wikipedia.org/wiki/Poroelasticit%C3%A0) per composti a più fase (sedimenti, idrati, acqua e gas).

    La conoscenza del rapporto di Poisson (legato al rapporto della velocità  compressionale e di taglio; http://it.wikipedia.org/wiki/Rapporto_di_Poisson) permette di determinare il tipo di distribuzione del gas libero all'interno dello spazio poroso (Tinivella and Accaino, 2000).

    àˆ possibile estrarre ulteriori informazioni sulle caratteristiche dei sedimenti tramite l'analisi sull'ampiezza del segnale sismico (Amplitude Versus Offset, AVO), quali la cementazione dei grani e la pressione dei pori al di sotto del BSR (Fig. 2; Tinivella, 2002).

    Figura 2 - Coefficienti di riflessione

    Figura 2 - Sopra: coefficiente di riflessione delle onde compressionali che indica una concentrazione di gas idrato non sufficiente per cementare i grani. Sotto: coefficiente di riflessione delle onde di taglio che indica un regime di pressione dei pori normale nello starto di gas libero presente al di sotto degli idrati. Figure tratte da Tinivella (2002;geophysical-press.com).

    Le informazioni ottenibili indirettamente dai dati sismici sono utilizzate per interpretare le sezioni sismiche, o eventualmente il volume di dati se l'acquisizione è 3D, in termini di concentrazione di gas idrato e di gas libero all'interno dello spazio poroso. Un esempio di distribuzione di gas idrato e gas libero ottenuto dall'analisi di dati sismici acquisiti lungo il margine delle isole Shetland meridionali in Antartide è mostrato in Fig. 3.

    Figura 3a - Quantificazione dalla sismica Figura 3b - Quantificazione dalla sismica Figura 3c - Quantificazione dalla sismica

    Figura 3 - Esempio di quantificazione della concentrazione di idrato e di gas libero da dati sismici. a: immagine sismica in profondita'. b: campo di velocita' delle onde compressionali. c: concentrazione del gas idrato (valori positivi) e del gas libero (valori negativi) stimato dai dati sismici.

    fig_3_coefficiente_dalla_sismica.jpg [2974 x 1510 pixel, 565 Kb]

    L'Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale di Trieste (OGS) ha investito notevoli risorse per studiare in dettaglio il reservoir di gas idrato presente in prossimità  del margine Shetland Meridionale, attraverso tre campagne geofisiche (Tinivella and Accaino, 2000; Tinivella et al., 2007).

    Le indagini hanno permesso di mappare e quantificare le riserve di metano presenti sia sotto forma di gas idrato che sotto forma di gas libero. Inoltre, l'analisi dei dati ha permesso di evidenziare frane sottomarine, espulsioni di fluidi e vulcani di fango in prossimità  del reservoir che potrebbero essere spiegati dalla presenza di fluido in sovrappresione a causa della trappola prodotta dai sedimenti idratati (Fig. 4).

    Figura 4 - Vulcani di fango

    Figura 4 - Sopra: posizione dei vulcani di fango e di altre strutture scoperti dall'OGS al largo delle isole Shetland Meridionali. Frecce nere: collassi gravitativi. Frecce tratteggiate: frane sottomarine. 1: Vulcano di fango Flop 2:Vulcano di fango Grauzaria 3:Vulcano di fango Sernio 4:Vulcano di fango Vualt 5:Alto strutturale Chiavals. Sotto: immagine sismica ad altissima risoluzione del Vualt. Inserto: mappa batimetria e posizione della linea sismica (linea rossa). Modificato da Tinivella et al. (2007).

    fig_4_vulcani_di_fango.jpg [1547 x 2163 pixel, 347 Kb]

    Uno sguardo al domani

    I gas idrati continueranno a occupare un posto importante nelle ricerche future, interessando diverse discipline tecnico-scientifiche. Tra le varie applicazioni della fase idrata del metano, l'industria petrolifera sta valutando la possibilità di trasportare il metano non più in forma liquida, ma in forma solida.

    L'idrato, infatti, concentra una gran quantità di metano e non esplode. La solidificazione del metano potrebbe quindi risolvere problemi di sicurezza ed economicità nel trasporto marino del futuro.

    Inoltre, poiché le previsioni indicano un crescente utilizzo del metano come fonte energetica, USA, Giappone, Cina e altri stati asiatici stanno finanziando importanti progetti pluriennali volti alla valutazione della fattibilità dell'estrazione e dello sfruttamento degli idrati, attraverso stimolazione termica, depressurizzazione e immissione nel fondale di inibitori chimici (Giavarini et al., 2007).

    Da un punto di vista ambientale, una conoscenza approfondita dell'origine degli idrati e la loro quantificazione può permettere di modellare scenari futuri legati a perturbazioni del campo di pressione e di temperatura del fondo del mare, causati da eventi naturali (variazioni climatiche) o antropici (per esempio perforazioni).

    La concentrazione della popolazione lungo le aree costiere comporta oggi un rischio in caso di maremoto indotto da un franamento sottomarino.

    Inoltre, la moderna antropizzazione dei fondali dovuta a posa di cavi, piattaforme, tubature ecc., implica un pericolo per la stabilità  di queste opere.

    Infine, la conoscenza sui gas idrati presenti in natura potrà  essere applicata nella nuova frontiera del confinamento del biossido di carbonio (CO2) nel sottosuolo. Infatti, il gas iniettato può formare idrato di CO2 con tutte le problematiche di instabilità  ad esso associato.

    Umberta Tinivella Ricercatrice

    Sitografia:

    OGS - Dipartimento GDL Dipartimento Geofisica della Litosfera

    OGS research on gas hydrates http://www2.ogs.trieste.it/OGS/gl/umberta/Gas_Hydrates.html

    Leonid Kulik - Da Wikipedia - L'enciclopedia libera <a href="http://it.wikipedia.org/wiki/Leonid_Kulik" target="_blank rel="nofollow">http://it.wikipedia.org/wiki/Leonid_Kulik

    Methane clathrate - From Wikipedia - The free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate

    AQUAlibrium© - Software for Phase Equilibria in Natural Gas-Water Systems www.telusplanet.net/public/jcarroll/HLINKS.HTM

    GEOPHYSICAL PRESS LTD. Scientific Publishing Company www.geophysical-press.com

    Bibliografia

    Giavarini C., Camerlenghi A., Maccioni F., Panieri G., e Tinivella U., Energia immense e sfida ambientale. Gli idrati di metano, Ed. La Sapienza, 1° ed., 2007. Sloan, E.D., Clathrate hydrates of natural gases, Ed. Marcel Dekker, 2° ed., 1998, ISBN 0-8247-9937-2. Tinivella U., 1999, A method for estimating gas hydrate and free gas concentrations in marine sediments, Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata , 40:19-30. Tinivella U., 2002, The seismic response to overpressure versus gas hydrate and free gas concentration, J. Seismic Exploration , 11:283-305. Tinivella U., and Accaino, F., 2000, Compressional velocity structure and Poisson's ratio in marine sediments with gas hydrate and free gas by inversion of reflected and refracted seismic data (South Shetland Islands, Antarctica), Marine Geolog y, 164:13-27 Tinivella U., Accaino F., and Della Vedova, B., 2007, New geophysical data to map the active fluid outflow in gas hydrate reservoir offshore Antarctic Peninsula, GeoMarine Letters, DOI 10.1007/s00367-007-0093-z



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