Gli idrati di metano: fonte energetica del futuro?
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SCIENZE
Gli idrati di metano:
fonte energetica
del futuro?
C.F. Raffaele Gargiulo
Stato Maggiore Difesa - UGPPB
Dott.ssa Amabel Cimenti
Master in Geomatica Marina
S.T.V. Ettore Cimenti
Istituto Idrografico della Marina Militare
O
ggi la civiltà dipende in modo massiccio dalla dissociazione fu affrontato nella seconda metà
fornitura di energia, ed in particolare di del 20° secolo, in seguito all’ostruzione delle
petrolio. C’è abbastanza energia per conti- condutture dei gasdotti siberiani. Fu così accer-
nuare così? Il petrolio, fonte primaria energetica, si tato che le aree siberiane possiedono le condizio-
esaurirà? ni ambientali ideali per la formazione di un
Chiedersi se a lungo termine il petrolio si esau- materiale solido simile al ghiaccio e contenente
rirà è in effetti una domanda bizzarra: è ovvio che al suo interno le molecole di metano. Tuttavia,
alla lunga sarà necessario affidarsi ad altre fonti di solo da pochi anni grazie a programmi di ricerca
energia. Come l’età della pietra non è finita per internazionali, si è constatato che gli idrati di
mancanza di pietre, anche l’età del petrolio giun- metano rappresentano una ingente risorsa di
gerà al termine, ma non sarà per mancanza di energia ancora da sfruttare, presente nella geo-
petrolio. L’uomo ha cessato di usare la pietra per- sfera più superficiale (fino a 2 km) nei margini
ché il bronzo ed il ferro erano materiali di qualità continentali all’interno delle sequenze sedimen-
superiore: allo stesso modo il petrolio non verrà più tarie1 e nel permafrost2 delle regioni polari.
utilizzato quando altre tecnologie energetiche Secondo l’U.S. Geological Survey (USGS) le
saranno in grado di offrire maggiori vantaggi sia in stime sull’ammontare di metano associato ai gas
termini economici che ambientali. L’esistenza di idrati sono ancora speculative, tuttavia, i calcoli
gas idrati naturali contenenti notevoli quantità di eseguiti fanno presupporre che la quantità di
idrocarburi potrebbe rappresentare, nel medio ter- energia disponibile sia circa il doppio dell’ener-
mine, una valida alternativa energetica al petrolio. gia producibile da tutte le riserve di combustibi-
I gas idrati naturali erano noti ai chimici li fossili (carbone petrolio e gas naturali).
tedeschi già nel ‘900, anche se lo studio delle È evidente, quindi, l’interesse verso i gas idra-
loro proprietà e dei fenomeni di formazione e ti, per un potenziale sfruttamento come risorsa
1 Alternanza di rocce sedimentarie di diverso tipo o con differenti strutture sedimentarie, caratteristica di un determinato ambiente for-
matosi con numerosi materiali depositati sulla superficie terrestre da agenti fisici (vento, acqua e ghiaccio), da agenti chimici (precipita-
zione da oceani, mari, laghi e corsi d’acqua), o da agenti biologici (organismi viventi e morti).
2 Stato di congelamento perenne del sottosuolo delle regioni polari e periglaciali, fino a una profondità anche di centinaia di metri.
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energetica per il futuro. Gli studi più avanzati nel
settore sono svolti dal Hawaii Natural Energy
Institute (HNEI) in collaborazione con il Naval
Research Laboratori (NRL), e sono focalizzati
sulla cinetica e la termodinamica dell’idrato per
determinarne il livello di metano al suo interno
non disgiunti dallo sviluppo tecnologico per la
loro estrazione.
Descrizione
Gli idrati sono composti cristallini simili al
ghiaccio, che si formano al contatto tra acqua e
piccole molecole gassose, in condizioni di tempera-
tura prossime a 0° e ad alte pressioni. La particola- Idrati di metano rinvenuti nel Golfo del Messico
re struttura chimica di questi composti permette di
immagazzinare notevoli quantità di idrocarburi, in roccia sedimentaria compatta. Caratteristica pecu-
prevalenza metano. Si stima che, in condizioni di liare del gas batterico è quella di essere costituito
temperatura e pressione normali, un metro cubo di quasi esclusivamente da metano (fino al 99,99 %)
idrato produca circa 160 metri cubi di metano, e perché la quantità di idrocarburi superiori origina-
circa 0.87 metri cubi di acqua. ta dall’attività batterica (etano, propano, ecc.) è
La formazione del metano in idrati è dovuta prin- molto bassa. Si ritiene che il 20% delle riserve ori-
cipalmente a due fattori: ginarie mondiali di gas naturale sia costituito da gas
• Termogenico: il gas si origina in seguito all’alte- batterico.
razione termica della materia organica contenu-
ta nelle rocce madri nel corso del loro progressi- Localizzazione dei giacimenti
vo sprofondamento nei bacini sedimentari.
Durante la catagenesi3, principale fase di forma- Sulla base di queste prime informazioni è stato pos-
zione dell’olio, vi è produzione di gas umidi sibile indirizzare le ricerche per identificare i giacimen-
costituiti da metano con consistenti quantità ti. Sebbene le condizioni di temperatura e di pressione
(fino al 40%) di idrocarburi superiori (princi- consentano la formazione di idrati nel 90% dei fonda-
palmente etano, propano e butano). Nell’ultima li marini del globo, sono stati, tuttavia, individuati i
fase della catagenesi a causa del progressivo giacimenti di idrati nei sedimenti nella fascia di fonda-
aumento della temperatura si genera una mag- le più prossima ai continenti; questa scelta è dettata sia
giore quantità di gas umidi principalmente per
cracking termico dell’olio. L’ulteriore incremen-
to della temperatura nel corso della metagenesi4
origina gas secco, prevalentemente per cracking
termico della materia organica. Si ritiene che
l’80% delle riserve originarie mondiali di gas
naturale siano costituite da gas termogenico;
• Biogenico: il gas viene prodotto dalla decomposi-
zione della materia organica per attività dei batteri
metanogenici che operano grosso modo dall’inter-
faccia acqua-sedimento fino a qualche centinaio di
metri di profondità. É l’unico idrocarburo che si
forma durante, lo stadio della diagenesi durante
cioè, quei processi che trasformano il sedimento in Distribuzione dei depositi di idrati conosciuti
3 Fase successiva alla diagenesi in cui il materiale viene ulteriormente compattato con conseguente diminuzione di porosità e per-
meabilità.
4 Fase finale del processo di trasformazione in cui si producono le ultime quantità di metano.
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per l’apporto di materia organica delle coste che favo- ta e la possibilità di estrazione, mediante lo sviluppo di
risce la formazione di metano biogenico in situ, (il tecnologie innovative che contribuiscano a rendere
rapido seppellimento dei sedimenti facilita la matura- vantaggioso il processo di estrazione e produzione. Da
zione di gas in profondità e la sua migrazione in super- non trascurare, infine, il problema, non secondario,
ficie) sia per una maggiore facilità di estrazione. Nella dell’impatto degli idrati di metano sull’ambiente: lo
localizzazione dei depositi, la sismica a riflessione è il sfruttamento su larga scala potrebbe avere conseguen-
metodo più indicato per evidenziare la presenza di ze sul clima terrestre.
idrati di gas naturale.
Nelle sezioni sismiche appare infatti un orizzon- Gli studi in situ
te sismico anomalo Bottom Simulating Reflector
(BSR), molto probabilmente dovuto al contrasto tra Le principali attività sono basate principalmen-
l’alta velocità di propagazione degli idrati soprastan- te sulla ricerca e la raccolta di campioni. Il NRL
ti e la più bassa velocità degli strati sedimentari sot- costituisce un laboratorio all’avanguardia nello stu-
tostanti. dio delle caratteristiche dei giacimenti, e nella
Questo contrasto viene esaltato se gli strati sot- stima della loro distribuzione nel globo. Particola-
tostanti sono saturati d’acqua oppure di gas natu- re attenzione è rivolta anche allo sviluppo della
rale libero. Importanti depositi di idrati di gas esi- strumentazione per rilevare il metano nei sedimen-
stono nelle aree di permafrost (Siberia, Alaska e ti. Secondo l’USGS gli idrati possiedono proprietà
Canada, a profondità fra 200 e 1000 m) e sui fondi acustiche particolari che hanno aperto prospettive
oceanici (margini continentali dell’Oceano Pacifi- di ricerca ed applicazioni anche in altri settori, tra
co, dell’Oceano Atlantico, degli USA, dell’America cui quello militare. La velocità del suono al contat-
Centrale, del Nord Australia e dell’Antartide). Il to con questi composti, infatti, è altissima per cui
giacimento di Messoyakha (Siberia nord-occiden- la velocità di propagazione negli strati degli idrati
tale) è l’unico giacimento al mondo ove si estrag- superficiali è più elevata di quella degli strati sedi-
gono i gas dagli idrati. mentari sottostanti; potrebbero avere implicazioni
I programmi di studio si sviluppano attraverso ana- significative nell’uso di apparecchiature sonar per
lisi in situ e ricerche in laboratorio al fine di determi- l’esplorazione sismica, la ricerca e le applicazioni
nare la distribuzione dei giacimenti di idrati sul piane- militari (sorveglianza, ricerca mine, ecc.).
Profilo sismico a riflessione ottenuto al margine delle isole Shetland meridionali. Il campo di velocità associato al BSR (in rosso) denota la
maggiore velocità di propagazione delle onde preceduta da uno strato a velocità nettamente inferiore probabilmente dovuto ad acqua resi-
dua o gas naturale libero.
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Gli idrati di metano: fonte energetica del futuro?
• la stimolazione termica, mediante l’immissione
locale di calore (in questo caso acqua calda) che pro-
vocherebbe lo scioglimento dei composti ghiacciati
di acqua e gas con conseguente liberazione del gas;
• la depressurizzazione attraverso il pompaggio;
• l’introduzione di agenti inibitori quali il metanolo,
che provocano una rapida dissoluzione dei gas in
situ per effetto del cambiamento del loro campo di
stabilità.
Affinché ciò sia possibile, è necessario che i deposi-
ti sfruttabili presentino determinate caratteristiche
geologiche tipiche dei giacimenti di gas convenzionali:
un “serbatoio” con idonea porosità e permeabilità e un
“tappo” stratigrafico che ne permetta l’accumulo. La
sorgente di gas naturale nei campi produttivi verrebbe,
in questo caso, sia dal metano dissociato dai gas idrati,
Immagine del DTAGS sia dal metano presente nei pori del sedimento al di
In particolare, il Deep Towed Acoustic/Geophysics sotto del livello idrato, e quindi anche il “tappo” stra-
System (DTAGS), che è costituito da un’apparecchia- tigrafico diventerebbe una risorsa energetica. Sino ad
tura sismica multicanale rimorchiata da una nave per oggi, comunque, non si è ancora in grado di dire se la
ottenere immagini del fondo e dei substrati oceanici ad maggior parte delle aree dove sono presenti livelli a gas
alta risoluzione, offre potenzialità enormi nell’esplora- idrati hanno queste caratteristiche. Un’area candidata,
zione dei fondali. La sua capacità di risoluzione è di 5 in questo senso, alla luce dei dati acquisiti, è, per i
metri in verticale e 15 metri in orizzontale per più di 1 ricercatori, quella del Blake Ridge (al largo delle coste
Km di profondità. Ottimi risultati si sono ottenuti della Florida), dove il BSR sembra effettivamente indi-
durante la scansione dei fondali di Black Ridge e di care condizioni favorevoli per l’accumulo di metano.
Nakai. L’importanza della conoscenza dei potenziali giaci-
menti rappresenta il maggior incentivo da parte dei
Gli studi di laboratorio Paesi tecnologicamente avanzati, in considerazione
della possibilità di disporre di ingenti risorse energeti-
La stretta dipendenza degli idrati di metano da che, sia come alternativa alle fonti energetiche attual-
temperatura e pressione, rende questi composti mente in uso, sia egemonica, in caso del loro esauri-
estremamente instabili dalla superficie fino a 450 mento.
metri di profondità. Questo significa che il variare
di uno solo di questi parametri può provocare la Problematiche legate all’estrazione di metano
violenta dissociazione chimica dei componenti. Gli da idrati
studi di laboratorio, si effettuano in particolari
camere iperbariche per testare le diverse reazioni L’eventuale estrazione del gas metano dagli idrati
degli idrati alle varie profondità fino a circa 1000 presenta anche delle problematiche, e di seguito si illu-
metri. Si pensa, in questo modo, di poter trovare strano quelle principali.
un metodo estrattivo che permetta di dissociare i
a. Instabilità dei versanti
gas idrati in situ e quindi il successivo prelievo del
gas naturale, evitando il processo di instabilità che Il passaggio di fase (dalla fase solida a quella liquida
causerebbe oltre alla violenta fuoriuscita di gas, e gassosa) del metano all’interno dei sedimenti, genera
anche una ben più pericolosa perdita di stabilità instabilità dei versanti sottomarini. Il prelievo di
dei versanti sottomarini con il possibile franamen- ingenti quantità di gas naturale dissociato dai gas idra-
to dei pendii sottomarini, il danneggiamento delle ti solidi, può contribuire a generare sovrappressioni
strutture estrattive nonchè delle coste adiacenti ad (aumento del carico della colonna d’acqua) che deter-
opera di eventuali onde di maremoto. Si ritiene che minano la diminuzione della resistenza meccanica dei
alcuni dei metodi estrattivi attualmente sviluppabi- sedimenti, i quali tendono perciò a scivolare lungo il
li possano essere: versante con il danneggiamento delle strutture estrat-
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Gli idrati di metano: fonte energetica del futuro?
tive e delle coste adiacenti, ad opera di eventuali onde
di maremoto. È quindi necessaria, secondo gli esperti,
un’attenta e precisa valutazione di impatto ambienta-
le, che tenga conto delle caratteristiche geologiche
della zona ed in particolare dei parametri fisici e litolo-
gici delle formazioni sedimentarie del giacimento. In
ambienti continentali i gas idrati sono presenti nelle
aree coperte dal permafrost, che notoriamente sono
zone estremamente vulnerabili a variazioni, anche pic-
cole, di fattori esterni quali quelli derivanti dall’antro-
pizzazione.
b. Immissione di metano nell’atmosfera
Un’ulteriore interazione con l’ambiente è quella
dovuta all’immissione periodica nell’oceano di gas Esempi di instabilità dei versanti dovuti a rilascio di gas
metano, proveniente dalla dissociazione di idrati, e il che le risorse sono fisicamente limitate e che devono
conseguente aumento di CH4 nell’atmosfera. Sebbe- necessariamente diventare più scarse, e dall’altro, colo-
ne questo gas naturale sia un componente minoritario ro che invece credono nell’abbondanza e che confida-
dell’atmosfera, esso ha un potenziale “effetto serra” no nell’ingegnosità umana per migliorare le modalità
almeno dieci volte superiore a quello dell’anidride car- di utilizzo delle risorse disponibili e di cercarne altre.
bonica. Come è noto, questo effetto è legato all’assor- È il caso degli idrati di metano che rappresenta una
bimento della radiazione elettromagnetica emessa risorsa energetica le cui reali dimensioni dei giacimen-
dalla Terra da parte del vapore acqueo e delle moleco- ti sfruttabili non è ancora stabilito, ma potrebbe rap-
le di certi gas, che permettono il riscaldamento dell’at- presentare una sicura fonte alternativa al petrolio. La
mosfera terrestre. La radiazione ultravioletta invece, cooperazione internazionale, attraverso la ricerca e lo
prodotta per gran parte dallo spettro di emissione sola- sviluppo di nuove tecnologie potrà, in breve tempo,
re, è quasi completamente assorbita dalle molecole di consentire di raggiungere l’obiettivo dell’estrazione e
ozono della stratosfera, e questo spiega le attuali preoc- dello sfruttamento del gas metano contenuto negli
cupazioni ed inquietudini sul decremento dello strato idrati, in maniera economica, efficace e soprattutto nel
di ozono indotto dall’immissione di gas dissocianti rispetto del protocollo di Kyoto per la tutela dell’am-
quali i clorofluorocarburi (CFC). È quindi facile intui- biente.
re come elevate concentrazioni di CO2 e di CH4 nel- In tale settore l’Italia si trova nelle condizioni di
l’atmosfera inducano un riscaldamento globale del poter concorrere, al pari delle altre nazioni, alla ricerca
clima. di tecniche estrattive innovative grazie all’esperienza
È opinione dei ricercatori che queste idee possano acquisita negli anni nel campo energetico nonché
risultare esagerate. Analisi su carote di ghiaccio recu- come paese promotore, attraverso la partecipazione di
perate a Vostok in Antartide, dove la calotta ha uno aziende italiane al Clean Development Mechanism
spessore di 4000 metri, non hanno rilevato incremen- (Meccanismo di sviluppo non inquinante) previsto dal
ti di CH4 nel gas intrappolato nel corso degli ultimi protocollo di Kyoto.
160.000 anni. Quindi il legame tra i cicli climatici L’alternativa al petrolio è quasi realtà.
(successioni dei periodi glaciali e interglaciali) e gas
idrati (dissociazione e formazione) deve essere ancora BIBLIOGRAFIA
dimostrata.
- University of Hawaii: Energy & Enviromental
Implications of Marine Methane Hydrates, S. M.
Conclusioni Masutani Hawai’i Natural Energy Institute,
SOEST, UH.
Sorprende che qualcuno continui a ripetere che già - Hawaii Natural Energy Institute.
ora l’energia sta per esaurirsi. In realtà l’intero dibatti- - U.S. Geological Survey, Marine and coastal Geo-
to sulla scarsità o abbondanza delle risorse è legato logy Program.
all’approccio tipico di ciascuna categoria di osservato- - Rivista Scientifica Scienza e Tecnica.
ri, ossia, da un lato le cassandre, le quali sostengono - OGS, Dipartimento GDL.
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