Natural gas is een fossiele brandstof. Net als andere fossiele brandstoffen, zoals steenkool en olie, ontstaat aardgas uit de planten, dieren en micro-organismen die miljoenen jaren geleden leefden.
Er zijn verschillende theorieën die verklaren hoe fossiele brandstoffen worden gevormd. De meest voorkomende theorie is dat ze ondergronds ontstaan, onder intense omstandigheden. Terwijl planten, dieren en micro-organismen ontbinden, worden zij geleidelijk bedekt door lagen aarde, sediment, en soms rots. In de loop van miljoenen jaren wordt het organisch materiaal samengeperst. Naarmate het organisch materiaal dieper in de aardkorst doordringt, komt het in aanraking met steeds hogere temperaturen.
De combinatie van samendrukking en hoge temperatuur zorgt ervoor dat de koolstofverbindingen in het organisch materiaal worden afgebroken. Deze moleculaire afbraak produceert thermogeen methaan, natuurlijk gas. Methaan, waarschijnlijk de meest voorkomende organische verbinding op aarde, bestaat uit koolstof en waterstof (CH4).
Natuurgasafzettingen worden vaak gevonden in de buurt van olieafzettingen. Afzettingen van aardgas dicht bij het aardoppervlak worden meestal in de schaduw gesteld door nabijgelegen olieafzettingen. Diepere afzettingen – gevormd bij hogere temperaturen en onder hogere druk – bevatten meer aardgas dan olie. De diepste lagen kunnen uit zuiver aardgas bestaan.
Natuurgas hoeft echter niet diep onder de grond te worden gevormd. Het kan ook worden gevormd door minuscule micro-organismen, methanogenen genaamd. Methanogenen leven in de darmen van dieren (waaronder mensen) en in zuurstofarme gebieden aan het aardoppervlak. Stortplaatsen liggen bijvoorbeeld vol met ontbindend materiaal dat door methanogenen wordt afgebroken tot een type methaan dat biogeen methaan wordt genoemd. Het proces waarbij methanogenen aardgas (methaan) produceren, wordt methanogenese genoemd.
Hoewel het meeste biogene methaan in de atmosfeer ontsnapt, zijn er nieuwe technologieën in ontwikkeling om deze potentiële energiebron op te vangen en te oogsten.
Thermogeen methaan – het natuurlijke gas dat diep onder het aardoppervlak wordt gevormd – kan ook ontsnappen in de atmosfeer. Een deel van het gas kan opstijgen door doorlatend materiaal, zoals poreus gesteente, en uiteindelijk in de atmosfeer terechtkomen.
Het meeste thermogene methaan dat naar het aardoppervlak stijgt, stuit echter op geologische formaties die te ondoordringbaar zijn om te ontsnappen. Deze rotsformaties worden sedimentaire bekkens genoemd.
Sedimentaire bekkens bevatten enorme reservoirs van aardgas. Om toegang te krijgen tot deze aardgasreservoirs moet een gat (soms een put genoemd) door het gesteente worden geboord, zodat het gas kan ontsnappen en kan worden gewonnen.
Sedimentaire bekkens die rijk zijn aan aardgas worden over de hele wereld gevonden. De woestijnen van Saoedi-Arabië, de vochtige tropen van Venezuela, en de ijskoude Noordpool van de Amerikaanse staat Alaska zijn allemaal bronnen van aardgas. In de Verenigde Staten, buiten Alaska, bevinden de bekkens zich voornamelijk rond de staten die grenzen aan de Golf van Mexico, waaronder Texas en Louisiana. Recentelijk hebben de noordelijke staten North Dakota, South Dakota en Montana belangrijke boorfaciliteiten ontwikkeld in sedimentaire bekkens.
Soorten aardgas
Natuurlijk gas dat economisch kan worden gewonnen en gemakkelijk toegankelijk is, wordt beschouwd als “conventioneel”. Conventioneel gas zit opgesloten in doorlatend materiaal onder ondoorlatend gesteente.
Natuurlijk gas dat in andere geologische omgevingen wordt gevonden, is niet altijd zo gemakkelijk of praktisch te winnen. Dit gas wordt “onconventioneel” genoemd. Er worden voortdurend nieuwe technologieën en processen ontwikkeld om dit onconventionele gas toegankelijker en economisch rendabeler te maken. Na verloop van tijd kan gas dat als “onconventioneel” werd beschouwd, conventioneel worden.
Biogas is een soort gas dat wordt geproduceerd wanneer organisch materiaal wordt afgebroken zonder dat er zuurstof aanwezig is. Dit proces wordt anaerobe afbraak genoemd, en het vindt plaats op stortplaatsen of waar organisch materiaal zoals dierlijk afval, rioolwater, of industriële bijproducten aan het ontbinden zijn. iogas is biologisch materiaal dat afkomstig is van planten of dieren, die levend of niet-levend kunnen zijn. Dit materiaal, zoals bosresten, kan worden verbrand om een hernieuwbare energiebron te creëren.
Biogas bevat minder methaan dan aardgas, maar kan worden geraffineerd en gebruikt als energiebron.
Diep aardgas
Diep aardgas is een onconventioneel gas. Terwijl het meeste conventionele gas slechts een paar duizend meter diep zit, bevindt diep aardgas zich in afzettingen op ten minste 4.500 meter (15.000 voet) onder het aardoppervlak. Boren naar aardgas op grote diepte is niet altijd economisch haalbaar, hoewel de technieken om het te winnen zijn ontwikkeld en verbeterd.
Schalie
Schaliegas is een ander type onconventionele afzetting. Schalie is een fijnkorrelig, sedimentair gesteente dat niet uiteenvalt in water. Volgens sommige wetenschappers is schalie zo ondoordringbaar dat marmer in vergelijking daarmee als “sponzig” wordt beschouwd. Dikke platen van dit ondoordringbare gesteente kunnen een laag aardgas ertussen “sandwichen”. chaliegas wordt beschouwd als een onconventionele bron vanwege de moeilijke processen die nodig zijn om er toegang toe te krijgen: hydraulisch breken (ook bekend als fracking) en horizontaal boren. Fracking is een procedure waarbij gesteente wordt opengebroken met een stroom water onder hoge druk, en vervolgens wordt “gestut” met minuscule zandkorrels, glas of silica. Hierdoor kan het gas vrijer uit de put stromen. Bij horizontaal boren wordt recht naar beneden in de grond geboord en vervolgens zijwaarts, of parallel, aan het aardoppervlak. icht gas
Vast gas is onconventioneel aardgas dat ondergronds zit opgesloten in een ondoordringbare rotsformatie, waardoor het uiterst moeilijk te winnen is. Voor het winnen van gas uit “tight” rotsformaties zijn meestal dure en moeilijke methoden nodig, zoals fracking en aanzuren.
Acidizing is vergelijkbaar met fracking. Een zuur (meestal zoutzuur) wordt in de aardgasput geïnjecteerd. Het zuur lost het dichte gesteente op dat de gasstroom blokkeert.
Kolenbedmethaan
Kolenbedmethaan is een ander type onconventioneel aardgas. Zoals de naam al aangeeft, wordt steenkoolmethaan meestal gevonden in ondergrondse steenkoollagen. Vroeger werd bij de winning van steenkool het aardgas opzettelijk als afvalproduct uit de mijn geloosd en in de atmosfeer gebracht. Tegenwoordig wordt steenkoolmethaan verzameld en is het een populaire energiebron.
Gas in geopressuriseerde zones
Een andere bron van onconventioneel aardgas zijn geopressuriseerde zones. Geodrukgebieden bevinden zich 3.000-7.600 meter (10.000-25.000 voet) onder het aardoppervlak.
Deze zones ontstaan wanneer kleilagen zich snel ophopen en verdichten bovenop materiaal dat poreuzer is, zoals zand of slib. Omdat het aardgas uit de samengeperste klei wordt geperst, wordt het onder zeer hoge druk afgezet in het zand, slib, of ander absorberend materiaal eronder.
Geopressureerde zones zijn zeer moeilijk te ontginnen, maar ze kunnen een zeer grote hoeveelheid aardgas bevatten. In de Verenigde Staten zijn de meeste geopressureerde zones gevonden in de Golfkust.
Methaanhydraten
Methaanhydraten zijn een ander type onconventioneel aardgas. Methaanhydraten zijn pas onlangs ontdekt in oceaansedimenten en permafrostgebieden van het Noordpoolgebied. Methaanhydraten vormen zich bij lage temperaturen (rond 0°C, of 32°F) en onder hoge druk. Wanneer de milieuomstandigheden veranderen, komen er methaanhydraten vrij in de atmosfeer.
De United States Geological Survey (USGS) schat dat methaanhydraten tweemaal zoveel koolstof kunnen bevatten als alle steenkool, olie en conventioneel aardgas ter wereld samen.
In oceaansedimenten vormen zich methaanhydraten op de continentale helling doordat bacteriën en andere micro-organismen naar de oceaanbodem zinken en daar in het slib uiteenvallen. Methaan, gevangen in de sedimenten, heeft het vermogen de losse sedimenten te “cementeren” en het continentaal plat stabiel te houden. Maar als het water warmer wordt, breken de methaanhydraten af. Hierdoor ontstaan aardverschuivingen onder water en komt aardgas vrij.
In permafrost-ecosystemen worden methaanhydraten gevormd wanneer waterlichamen bevriezen en watermoleculen individuele “kooien” vormen rond elke methaanmolecule. Het gas, gevangen in een bevroren rooster van water, heeft een veel hogere dichtheid dan het in gasvormige toestand zou hebben. Als de ijskooien ontdooien, ontsnapt het methaan.
De opwarming van de aarde, de huidige periode van klimaatverandering, beïnvloedt het vrijkomen van methaanhydraten uit zowel permafrost als oceaansedimentlagen.
Er is een enorme hoeveelheid potentiële energie opgeslagen in methaanhydraten. Maar omdat het zulke kwetsbare geologische formaties zijn – ze kunnen afbreken en de milieuomstandigheden eromheen verstoren – worden methodes om ze te winnen met uiterste voorzichtigheid ontwikkeld.
Ontginning en transport
Natuurlijk gas wordt gemeten in normale kubieke meters of standaard kubieke feet. In 2009 schatte de Energy Information Administration (EIA) van de Verenigde Staten de bewezen aardgasreserves in de wereld op ongeveer 6.289 triljoen kubieke voet (tcf).
Het grootste deel van de reserves bevindt zich in het Midden-Oosten, met 2.686 tcf in 2011, of 40 procent van de totale wereldreserves. Rusland heeft de op een na grootste hoeveelheid bewezen reserves, met 1.680 tcf in 2011. De Verenigde Staten bevatten iets meer dan 4 procent van de aardgasreserves in de wereld. <
Volgens het EIA bedroeg het totale wereldverbruik van droog aardgas in 2010 112.920 miljard kubieke voet (bcf). De Verenigde Staten verbruikten dat jaar iets meer dan 24.000 bcf, het hoogste van alle landen.
Natuurlijk gas wordt meestal gewonnen door verticaal vanaf het aardoppervlak te boren. Bij een enkele verticale boring is de put beperkt tot de gasreserves die hij aantreft.
Hydraulisch breken, horizontaal boren en aanzuren zijn processen om de hoeveelheid gas die een put kan bereiken te vergroten, en zo de productiviteit te verhogen. Deze praktijken kunnen echter negatieve gevolgen hebben voor het milieu.
Hydraulisch breken, of fracking, is een proces waarbij rotsformaties worden opengebroken met stromen water, chemicaliën en zand die onder hoge druk staan. Het zand duwt de rotsen open, waardoor gas kan ontsnappen dat kan worden opgeslagen of vervoerd. Voor fracking zijn echter enorme hoeveelheden water nodig, waardoor het grondwaterpeil in een gebied drastisch kan dalen en de aquatische habitats negatief kunnen worden beïnvloed. Het proces produceert zeer giftig en vaak radioactief afvalwater dat, indien verkeerd beheerd, kan lekken en ondergrondse waterbronnen kan verontreinigen die worden gebruikt voor drinkwater, hygiëne, en industrieel en agrarisch gebruik. ovendien kan fracking micro-aardbevingen veroorzaken. De meeste van deze bevingen zijn te klein om aan de oppervlakte te worden gevoeld, maar sommige geologen en milieudeskundigen waarschuwen dat de bevingen structurele schade kunnen veroorzaken aan gebouwen of ondergrondse netwerken van pijpen en kabels.
Vanwege deze negatieve milieu-effecten is fracking bekritiseerd en in sommige gebieden verboden. In andere gebieden is fracking een lucratieve economische kans en een betrouwbare energiebron.
Horizontaal boren is een manier om de oppervlakte van een put te vergroten zonder meerdere dure en milieugevoelige boorlocaties te creëren. Nadat vanaf het aardoppervlak recht naar beneden is geboord, kan de boring zijwaarts – horizontaal – worden gericht. Dit vergroot de productiviteit van de put zonder dat meerdere boorlocaties aan de oppervlakte nodig zijn.
Acidizing is een proces waarbij zure componenten worden opgelost en in de aardgasput worden gebracht, waardoor gesteente wordt opgelost dat de gasstroom kan blokkeren.
Nadat het aardgas is gewonnen, wordt het meestal getransporteerd via pijpleidingen met een diameter van 2 tot 60 inch.
De continentale Verenigde Staten hebben meer dan 210 pijpleidingstelsels die bestaan uit 490.850 kilometer (305.000 mijl) transportpijpleidingen die gas transporteren naar alle 48 staten. Voor dit systeem zijn meer dan 1400 compressorstations nodig om ervoor te zorgen dat het gas zijn weg kan vervolgen, 400 ondergrondse opslagfaciliteiten, 11.000 locaties om het gas te leveren, en 5.000 locaties om het gas te ontvangen.
Natuurlijk gas kan ook worden afgekoeld tot ongeveer -162°C (-260°F) en worden omgezet in vloeibaar aardgas, ofwel LNG. In vloeibare vorm neemt aardgas slechts 1/600 van het volume van zijn gasvormige toestand in. Het kan gemakkelijk worden opgeslagen en vervoerd naar plaatsen die niet over pijpleidingen beschikken. NG wordt vervoerd in een speciale geïsoleerde tankwagen, die het LNG op zijn kookpunt houdt. Als het LNG verdampt, wordt het uit de opslagruimte afgevoerd en gebruikt om het transportschip van energie te voorzien. De Verenigde Staten importeren LNG uit andere landen, waaronder Trinidad en Tobago en Qatar. De VS verhogen momenteel echter hun binnenlandse LNG-productie. oewel het miljoenen jaren duurt voordat aardgas zich ontwikkelt, is de energie ervan pas de afgelopen paar duizend jaar benut. Rond 500 v. Chr. maakten Chinese ingenieurs gebruik van het aardgas dat uit de aarde sijpelde door pijpleidingen van bamboe te bouwen. Deze pijpen vervoerden gas om water te verwarmen. Aan het eind van de 17e eeuw leverden Britse bedrijven aardgas voor de verlichting van straatlantaarns en huizen.
Heden ten dage wordt aardgas op talloze manieren gebruikt voor industriële, commerciële, residentiële en transportdoeleinden. Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) schat dat aardgas tot 68 procent goedkoper kan zijn dan elektriciteit.
In woonhuizen wordt aardgas het meest gebruikt voor verwarming en koken. Het wordt gebruikt voor huishoudelijke apparaten zoals fornuizen, airconditioners, kachels, buitenverlichting, garagekachels en wasdrogers.
Natuurgas wordt ook op grotere schaal gebruikt. In commerciële omgevingen, zoals restaurants en winkelcentra, is het een uiterst efficiënte en economische manier om boilers, ruimteverwarmers, drogers en fornuizen aan te drijven.
Natuurgas wordt ook gebruikt om te verwarmen, te koelen en te koken in industriële omgevingen. Het wordt echter ook gebruikt in een verscheidenheid aan processen, zoals afvalverwerking, voedselverwerking, en raffinage van metalen, steen, klei, en aardolie.
Natuurgas kan ook worden gebruikt als alternatieve brandstof voor auto’s, bussen, vrachtwagens, en andere voertuigen. Momenteel zijn er wereldwijd meer dan 5 miljoen voertuigen op aardgas (NGV), en meer dan 150.000 in de Verenigde Staten. oewel NGV’s aanvankelijk meer kosten dan voertuigen die op gas rijden, zijn ze goedkoper om bij te tanken en zijn ze de schoonst rijdende voertuigen ter wereld. Benzine- en dieselauto’s stoten schadelijke en giftige stoffen uit, waaronder arseen, nikkel en stikstofoxiden. NGV’s kunnen daarentegen minieme hoeveelheden propaan of butaan uitstoten, maar stoten 70 procent minder koolmonoxide uit in de atmosfeer.
Met behulp van de nieuwe technologie van brandstofcellen wordt de energie uit aardgas ook gebruikt om elektriciteit op te wekken. In plaats van aardgas te verbranden voor energie, wekken brandstofcellen elektriciteit op met elektrochemische reacties. Deze reacties produceren water, warmte en elektriciteit zonder andere bijproducten of emissies. Wetenschappers doen nog steeds onderzoek naar deze methode om elektriciteit te produceren, zodat deze betaalbaar kan worden toegepast op elektrische producten.
Natuurgas en het milieu
Natuurgas moet meestal worden verwerkt voordat het kan worden gebruikt. Wanneer het wordt gewonnen, kan aardgas een verscheidenheid aan elementen en verbindingen bevatten, naast methaan. Water, ethaan, butaan, propaan, pentanen, waterstofsulfide, kooldioxide, waterdamp en soms helium en stikstof kunnen in een aardgasbron aanwezig zijn. Om voor energie te worden gebruikt, wordt het methaan verwerkt en gescheiden van de andere componenten. Het gas dat in onze huizen voor energie wordt gebruikt, is bijna zuiver methaan.
Zoals andere fossiele brandstoffen kan aardgas worden verbrand voor energie. Het is zelfs de schoonst brandende brandstof, wat betekent dat er zeer weinig bijproducten vrijkomen.
Bij de verbranding van fossiele brandstoffen kunnen verschillende elementen, verbindingen en vaste deeltjes vrijkomen (of worden uitgestoten). Steenkool en olie zijn fossiele brandstoffen met zeer complexe moleculaire formaties, en bevatten een grote hoeveelheid koolstof, stikstof en zwavel. Bij verbranding komen grote hoeveelheden schadelijke stoffen vrij, waaronder stikstofoxiden, zwaveldioxide en deeltjes die in de atmosfeer terechtkomen en bijdragen tot luchtverontreiniging.
Het methaan in aardgas heeft daarentegen een eenvoudige moleculaire samenstelling: CH4. Als het wordt verbrand, komen er alleen kooldioxide en waterdamp vrij. Mensen ademen dezelfde twee componenten uit.
Kooldioxide en waterdamp staan, samen met andere gassen zoals ozon en stikstofoxide, bekend als broeikasgassen. De toenemende hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer worden in verband gebracht met de opwarming van de aarde en kunnen desastreuze gevolgen hebben voor het milieu.
Hoewel bij verbranding van aardgas nog steeds broeikasgassen vrijkomen, stoot het bijna 30 procent minder CO2 uit dan olie, en 45 procent minder CO2 dan steenkool.
Veiligheid
Zoals bij alle winningsactiviteiten kan het boren naar aardgas leiden tot lekkages. Als de boor onverwacht een hogedrukgebied met aardgas raakt, of als de put beschadigd raakt of scheurt, kan het lek onmiddellijk gevaarlijk zijn.
Omdat aardgas zo snel in de lucht verdwijnt, veroorzaakt het niet altijd een explosie of brand. De lekken vormen echter wel een gevaar voor het milieu, waardoor ook modder en olie in de omgeving terechtkomen.
Als bij de uitbreiding van een put gebruik is gemaakt van hydraulisch breken, kunnen de chemicaliën van dat proces plaatselijke aquatische habitats en het drinkwater verontreinigen met sterk radioactieve stoffen. Het methaan dat in de lucht vrijkomt, kan mensen ook dwingen het gebied tijdelijk te evacueren. ekken kunnen ook langzaam in de loop van de tijd ontstaan. Tot de jaren 1950 was gietijzer een populaire keuze voor distributiepijpleidingen, maar hierdoor kan een grote hoeveelheid aardgas ontsnappen. De gietijzeren pijpen worden lek na jaren van vries-dooicycli, zwaar verkeer boven het hoofd, en spanningen door de natuurlijk verschuivende grond. Methaanlekken uit deze distributiepijpleidingen zijn goed voor meer dan 30 procent van de methaanemissies in de aardgasdistributiesector in de VS. Tegenwoordig worden pijpleidingen gemaakt van verschillende metalen en kunststoffen om lekkage te beperken.