2.2    Struktur

Methanhydrate bestehen aus 1 Mol Methan (CH₄) und 5,75 Mol Wasser (H₂O). Daraus lässt sich die Formelschreibweise CH₄5,75H₂0 ableiten.[3] Die Dichte des Methanhydrats beträgt 0,9g/cm³.

Das Methan ist in den Methanhydraten so stark konzentriert und gepresst, dass bei Erwärmung von 1m³ Methanhydrat 164m³ Methangas und 0,8m³ Wasser frei werden.

Wissenschaftler, die die Struktur der Methanknollen analysiert haben, sind bis jetzt auf drei Kristallstrukturen gestoßen, wobei die Dodekaeder-Form die Häufigste ist.

Das pentagonale Dodeka­eder erhält die Bezeichnung 5¹², weil der Käfig von zwölf Fünfecken begrenzt wird. Daneben kommen zwei andere Formen vor. Das vierzehnflächige Tetrakai­deka­e­der 5¹²6², das aus zwölf Pentagonen besteht, die zwei paral­lele, um 60° gegen­einander ge­dreh­te Hexagone verbinden.

Und das Hexakaidekaeder 5¹²6⁴, bei dem vier Hexagone in tetra­edri­scher Symmetrie über zwölf Pentagone verbun­den sind.[4]

Die Gashydrate werden schon ab wenigen Grad Celsius instabil und sind brennbar. Deshalb spricht man auch von brennbarem Eis oder Espit, einem weißen Würfelgrillanzünder.

Das heißt, dass beim Verfaulen organische Stoffe unter Luftabschluss in Kohlendioxid und Methan umgewandelt werden (C₆H₁₂O₆ à 3CH₄ + 3CO₂). Kohlendioxid reagiert mit dem Gestein zu Calciumcarbonat und Methan reichert sich an.

Kommt es zur Übersättigung dieses Gases, also übersteigt die Konzentration des Gases einen bestimmten Schwellenwert, so bilden sich unter bestimmten Umständen Methanknollen.

Wichtigste Bedingungen für die Bildung der Methanhydrate sind zunächst Druck und Umgebungstemperatur. Zur Bildung sind ein Druck von mindestens 20bar und dabei eine Temperatur von etwa -8°C oder noch niedriger erforderlich. 20bar Druck entsprechen einer Meerestiefe von ca. 200m.[6] Der Druck von 20bar resultiert in dieser Tiefe aus etwa 19bar Wasserdruck und 1bar Luftdruck.

In größeren Tiefen herrscht ein deutlich höherer Druck, dabei entstehen Methanknollen auch bei etwas höheren Temperaturen, in 500m Tiefe zum Beispiel bei 8°C. Das Zusammenspiel von Tiefe (Druck) und Temperatur ist in Abbildung Nr. 1 „Phasengrenze“ dargestellt.

Die Bildungstiefe weicht jedoch stark regional ab. So entstehen Methanknollen im arktischen Ozean aufgrund der geringen Salinität und der Temperatur bereits ab einer Tiefe von 150m, hingegen Methanknollen am und um den Äquator erst ab 600m vorzufinden sind und ihre Schichten bis in große Tiefen reichen.

Begünstigt wird die Bildung außerdem durch Vorkommen von Dihydrogensulfid, Kohlenstoffdioxid und höheren Kohlenwasserstoffen in der Umgebung, die die Hydrat-Gas-Phasengrenze zu höherer Temperatur und niedrigerem Druck verschiebt.

Stickstoff und im Wasser gelöste Salze bewirken das Gegenteil, sie verschieben die Phasengrenze zu niedrigerer Temperatur und geringerem Druck.[7] Es ist aber auch möglich, dass sich durch thermokatalytischer Umwandlungsprozesse Methanhydrat in noch tieferen Sedimenten bildet, bevorzugt im Zusammenhang mit Erdölvorkommen.

2.4    Vorkommen

Methanhydratvorkommen finden sich vor allem in den großen Ozeanen und Randmeeren. Doch selbst Binnenmeere, die eine gewisse Tiefe erreichen, besitzen Lagerstätten. Die bei Weitem höchsten Anteile an Methan sind in den Ozeanen im Bereich der Bruchkanten der Kontinente vorzufinden, wo durch hohe Planktonproduktion der Ozeane und durch hohe Sedimentationsraten große Mengen von organischem Material zur Ablagerung kommen und für die Gasbildung zur Verfügung stehen.

Die Methanhydratvorkommen lagern an diesen so genannten Kontinentalrändern, an denen die Landmassen hunderte oder gar tausende Meter schroff abfallen. Sie verhindern dort das Abrutschen der Kontinentalplatten, weil die Methanhydrate wie Zement in den abgelagerten Sedimentschichten wirken.