Metan

Úr Wikipediu, frjálsa alfræðiritinu
Stökkva á: flakk, leita
Uppbygging metans

Metan er lyktarlaust og litlaust gas sem er léttara en andrúmsloftið. Það myndast við rotnun lífræns úrgangs við loftfirrðar aðstæður og finnst í eða nálægt mýrum, blautlendi, gömlum urðunarsvæðum og gömlu skóglendi.

Eiginleikar[breyta]

Efnaformúla metans er CH4 og mólmassi þess er 16.043 g/mól.

Metan brennur í lofti með bláum loga. Þegar það brennur þar sem nóg súrefni er til staðar myndast koldíoxíð og vatn samkvæmt:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Þessi bruni metans myndar mikinn hita og þar af leiðandi er hægt að nota það sem eldsneyti. Þegar súrefni er ekki mikið myndast kolmónoxíð.

Metan er ekki mjög hvarfgjarnt, nema með flúor, klórið og fleiru. Þau hvörf sem metan tekur þátt í eru skiptihvörf.[1]

Metan inniheldur 75% CH4, 15% etan (C2H6) og 5% af öðrum kolvatnsefnum, eins og própan (C2H8) og bútan (C4H10). Bræðslumark metans er -183 °C og suðumark er -164 °C. Það leysist ekki vel í vatni.[2]

Metan í andrúmslofti[breyta]

Uppbygging metans, 3D

Metans fyrirfinnst í veðrahvolfinu bæði á Norður -og Suðurheimsskautunum. Líftími þess í veðrahvolfinu er um tólf ár. Metan dregur í sig geislun á bilinu 3300-2800 cm-1 og 1400-1200 cm-1 .

Aukning metans í andrúmslofti var 20 ppbv á ári til 1998 og minnkaði í 8 ppbv á ári 2003. Þetta hefur talið vera vegna bætts viðhalds og viðgerða á gasbrunnum og leiðslukerfum í löndum fyrrverandi Sovétríkjanna.

Árið 2003 losaði metan 1,7 W/m2 til gróðurhúsaáhrifa.

Metan er það kolvatnsefni sem er í hæstum styrk í andrúmsloftinu. Blandhlutfall þess er 1,8 ppmv. Á flestum stöðum er algengast að kolvatnsefni með meiri mólmassa eru í minna hlutfalli en metan í andrúmsloftinu.

Oxunarhvarf metans er hægara en hjá öðrum kolvatnsefnum og líftími þess í andrúmslofti er um tíu ár. Oxun metans gefur af sér koldíoxíð sem loka stöðuga sameind úr mörgum hvörfum.

Losun[breyta]

Metan losnar út í andrúmsloftið með eftirfarandi leiðum:

  1. Rotnun lífrænna efna þar sem magn fer eftir hitastigi, gróðri og jarðvegsgerð
  2. Vinnslu, flutning og brennslu jarðefnaeldsneytis
  3. Í gegnum meltingarsvæði jórturdýra (nautgripir, kindur, geitur) og termíta.

30-40% af heildarlosun metans er talin vera vegna náttúrulegra aðstæðna sem er þá fyrsta leiðin hér að ofan og vegna jórturdýra.[3]

Talið er fram að 60% af metanlosun sé vegna mannlegra aðgerða sem eru þá til dæmis jarðefnaeldsneytisframleiðsla, hrísgrjónaræktun og lífmassabrennsla.

Náttúruleg losun metans í andrúmsloftið er um 190 Tg á ári. Blautlendi og mýrar eru um 76% af þessari losun, termítar um 11%, höf um 8% og metanhýdröt um 5%. Þessi hlutföll eru fyrir allan heiminn en eru mjög breytileg eftir löndum og svæðum innan þeirra.

Eyðing[breyta]

Þegar metan fer út í andrúmsloftið tekur það um tíu ár að eyðast aftur. Það getur gerst með mismunandi aðferðum sem á ensku eru kallaðar „sinks“. Jafnvægið á milli metanlosunar og metaneyðingar skilgreinir styrk metans í andrúmslofti. Algengasta leiðin er oxun sem gerist vegna tilstilli hýdroxíl radikala (OH) sem eru í andrúmsloftinu. Metan hvarfast við OH og þá verður til CH3 og vatn í veðrahvolfi andrúmsloftsins. Metan er fjarlægt í litlum mæli með oxun við OH radikala í heiðhvolfi. Þessar tvær oxanir valda um 90% metaneyðingu í andrúmslofti. Tvær aðrar leiðir eru þekktar, upptaka metans með örverum í jarðvegi (7%) og hvarf metans við klóríð atóm í hafi.

Sem gróðurhúsalofttegund[breyta]

Metan er 20 sinnum virkari gróðurhúsalofttegund en koldíoxíð og gleypir innrauða geislun sem annars myndi fara úr veðrahvolfinu og út í geim. Þetta er ástæða þess að metan er talin vera gróðurhúsalofttegund.

Mælingar á styrk metans í andrúmslofti hafa verið gerðar með greiningu loftbólna inn í jökulbreiðum. Þessar mælingar gefa til kynna að styrkur metans er í hámarki í dag miðað við síðustu 400.000 ár. Frá 1750 hefur meðaltal styrks metans í andrúmslofti aukist um 150%, frá um 700 ppbv í 1,745 ppbv árið 1998. Á síðasta áratug hefur styrkur metans haldið áfram að aukast en heildaraukning metans hefur minnkað. Í lok 8. áratugsins var aukningin um 20 ppv á ári en í lok 9. áratugsins var hann um 9-13 ppbv á ári. Frá 1999 til 2002 hefur styrkur metans haldist stöðugur í kringum 1751 ppbv.[4]

Metan er um 9% af heildarlosun gróðurhúsalofttegunda út í andrúmsloftið.[5]

Eyðing ósonlagsins[breyta]

Gastegundir í heiðhvolfinu draga í sig hættulega geislun frá sólinni og óson er eitt mikilvægasta efnið í því. Margar gastegundir valda minnkun þess í heiðhvolfinu sem leiðir til ósoneyðingar, til dæmis vetnisklóríð. Metan tekur þátt í einu hvarfi í heiðhvolfinu þar sem vetnisklóríð verður til:

Cl + CH4-> HCl + CH3

Klóríð er talin vera ein hvarfgjarnasta tegundin í heiðhvolfinu sem hvetur til ósoneyðingar.

Það er ekki mikið af vatni í heiðhvolfinu en eitthvað metan sleppur þar upp. Vetni myndast úr metaninu og endar á því að mynda vatn sem fer þá í að búa til H og OH radikala. Þessir radikalar spila mikilvægt hlutverk í eyðingu ósonlagsins þar sem þeir breyta því í súrefni. Nettóhvörfin fyrir bæði radikalana eru:

O + O3 -> 2O2

Þannig tekur metan þátt í eyðingu ósonlagsins.[6]

Framleiðsla[breyta]

Rúta sem gengur fyrir metani

Hægt er að framleiða gas úr lífmassa með nokkrum aðferðum og fá þá út eldsneyti eða rafmagn. Metan sem lífeldsneyti er til dæmis notað á bíla.

Gösun er aðferð til að búa til gas úr föstum lífmassa með efnafræðilegum aðferðum. Grunnurinn fyrir gösun er að heit gufa og súrefni hvarfast við fastan lífmassa. Þetta ferli gerist ekki auðveldlega og hitastig þarf að vera frá nokkur hundruð gráðum á Celsius og yfir þúsund gráður á Celsius. Þrýstingur getur verið aðeins fyrir ofan loftþrýsting sem er 1 atm og upp í 30 atm.

Gösun byrjar þannig að rokgjörn efni eru leyst upp úr fasta lífmassanum. Rokgjörnu efnin og það sem eftir var af lífmassanum fara í gegnum hvörf með gufu og súrefni sem leiðir að lokum af sér framleitt gas. Þetta framleidda gas er blanda af brennanlegum þáttum, koldíoxíði og vatni. Meiri meðhöndlun getur gefið hreinna gas með því að brjóta niður brennanlegu þættina enn meira. Út úr þessu ferli fæst þá metangas sem hægt er að nota sem eldsneyti.

Notkun[breyta]

Vötn með fljótandi metani á Títan, tungli Satúrnus

Metan getur verið notað sem eldsneyti með bruna. Við bruna þarf súrefni, ástandsbreytingu og þá losnar orka. Metan er aðalhluti jarðgass og þegar það hvarfast við súrefni myndast koldíoxíð, vatn og orka.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + orka

Varminn sem losnar hér er mismunur efnafræðilegrar orku upprunalegs eldsneytis og súrefnis og efnafræðilegrar orku koldíoxíðs og vatns. Þessi mismunur er þá kallaður orkuinnihald eldsneytis, metans. Við brennslu 16 tonna af metani fást 44 tonn koldíoxíðs. Þar sem orkuinnihald jarðgass er 55 Gj/t þá losna 2,75 tonn af koldíoxíði við framleiðslu 55 GJ af varma eða orku.[7]

NASA hefur verið að þróa vél í eldflaug sem gengur fyrir fljótandi metani en hún er ekki tilbúin til notkunar. Kosturinn við metan er að það er til víða í sólkerfinu, Títan sem er tungl Satúrnus er með vötn og ár af fljótandi metani. Andrúmsloft Júpíters, Satúrnus, Úranus og Neptúnus innihalda öll eitthvað af metani. Kosturinn við metanið er að það er öruggara en fljótandi vetni þar sem það er ekki eitrað og geymist við hærra hitastig líka eða -161.6 °C.

Kraftur vélarinnar í prufuskoti í Mojave eyðimörkinni var 7.500 pund.[8]

Orkugildi Metans[breyta]

Samkvæmt Metan hf. er 1 Nm3 hauggas = 0,57 Nm3 af 97% hreinu metani = 0,41 kg af 97% hreinu metani = 5,8 kWh af hráorku. Einnig er 1 Nm3 af hreinsuðu metani jafnt og 1,12 l af 95 oktan bensíni.

Áhætta[breyta]

Þar sem engin lykt er af metani er lyktarefni sett saman við það ef leki skyldi verða í bifreiðum. Metan er heldur ekki eitrað og af því það er léttara en loftið gufar það snöggt upp við leka.

Ef geymsluflöskur hitna mikið stafar sprengihætta af metani þar sem rúmmál þess eykst. Engin dæmi eru um slys af völdum metaneldsneytis.

Metan á Íslandi[breyta]

Metangasi er safnað á urðunarstað í Álfsnesi og notað sem eldsneyti á bíla. Hauggasið sem myndast þar er blanda af nokkrum lofttegundum, meðal annars metani (55%) og koldíoxíði (42%).

Söfnun[breyta]

Lóðrétt safnrör eru sett með um það bil 25 metra millibili á urðunarrein með jarðvegi þar sem yfirborð er slétt. Þessi safnrör eru 65 mm, breið og þéttboruð götum. Rörin eru tengd í þrjár safnkistur sem eru í 20 feta skipagámum með rörum úr plasti. Safnkisturnar eru tengdar við dælustöð þar sem gasið er sogað úr haugnum þannig að súrefni komi þó ekki með inn úr andrúmslofti.

Hreinsun[breyta]

Til þess að hægt sé að nota hauggas sem eldsneyti þarf að aðskilja metanið úr því. Það er hægt að gera með þremur aðgerðum sem heita ísogsaðferð (PSA), síuaðferð og þvegilsaðferð. Þvegilsaðferð er notuð í Álfsnesinu. Þar er hreinsistöð notuð til að skilja metanið frá með vatni, það er þá þurrkað í daggarmark -30 °C og þjappað á flöskur sem fara svo á áfyllingarstöð. Þrýstingur við aðskiljunina er um 30 bör, við flutninginn um 260 bör og á eldsneytisgeymslum hámark 200 bör. Hreinleiki þessa metans er um 95-98%.

Dreifing[breyta]

N1 hf. selur metan á Íslandi og það er stöð við Bíldshöfða í Reykjavík. Áfylling bíla tekur lengri tíma en þegar venjulegt bensín eða dísilolía er notað en er gerð á svipaðan hátt. Metangasið er mælt í Nm3 eða normalrúmmetrum. Þessi eining er einnig notuð við verð, kr/Nm3.

Framleiðsla[breyta]

Chevrolet Cavalier metanbíll

Óhreinsað hauggas er hægt að nota til rafmagnsframleiðslu með mótorum. Samstarf hefur verið á milli Metan hf. og Orkuveitu Reykjavíkur um metangasknúið orkuver með uppsett afl 840 kW og framleiðsla er áætluð um 4,3 GWh/ár. Gasvél er knýjuð með hauggasi sem er með um 50-55% metan. Með þessu fæst hreinna afgas heldur en þegar umfram hauggasi hefur verið brennt í brennara og losað til að fá minni gróðurhúsaáhrif.

Hægt er að nota hauggas sem orkugjafa í iðnaði en þá þarf iðnaðurinn að vera frekar nálægt urðunarstaðnum. Samsstarf hófst með Metani hf. og Borgarplasti hf. árið 2002 til að skoða notkun hauggass fyrir iðnað. Niðurstaða verkefnisins var að metangasið væri góður kostur, sérstaklega hvað varðar umhverfi starfsmanna. Múli, bílaréttingar og sprautun ehf. hefur rekið metanþurrkklefa framleiddan á Ítalíu frá árinu 2004 til bílasprautunar. Þannig nota þeir aðeins íslenska orku, metan, jarðvarma og rafmagn.

Metaneldsneyti á Íslandi[breyta]

Metaneldsneyti hefur verið notað til að knýja bíla á Íslandi frá árinu 2000. Eldsneytið er 95-98% hreint metan.

Minni hávaði er frá metanknúðum bifreiðum og mengun er töluvert minni. Koldíoxíð myndast við brennslu metangass í bílvél en þá er verið að flytja koldíoxíð sem hefði hvort eð er orðið til á urðunarstaðnum út í andrúmsloftið. Heildaraukning koldíoxíðs í andrúmslofti er því engin og á móti kemur líka að koldíoxíð sem hefði myndast í venjulegri bifreið sparast. Þessi sparnaður er um það bil 260 g koldíoxíð á km.

Úblástursefni eru í töluvert minna magni við brennslu metans en bensíns eða dísel. Koldíoxíð er 20% minna í metanbílum en venjulegum bílum.[9]

Metanbílar[breyta]

Volkswagen Tourino Ecofuel, 2008 gerð
Mercedes-Benz 170 NGT BlueEFFICIENCY metanbíll

Í Reykjavík eru nokkrir Volkswagen EcoFuel bílar í notkun hjá Sorpu. Þeir ganga fyrir metani og eru þrefalt langdrægnari en eldri kynslóðir. Árið 2006 voru um 60 metanbílar í notkun á höfðuborgarsvæðinu. Íslensk stjórnvöld í Reykjavík nota einnig nokkra metanbíla.

Tvær nýjar tegundir komu hingað árið 2006 og voru VW Caddy EcoFuel og VW Touran Trendline EcoFuel. Þeir eru með tvíbrennihreyfil sem gengur bæði fyrir metani og bensíni til vara. Caddy gerðin getur farið 430 km á hverri fyllingu af metani og Touran 310 km. Þessir nýju bílar eru kraftmeiri og plássmeiri en eldri gerðir.

Hér á landi hefur ríkið fellt niður 240.000 kr af vörugjaldi bíla sem ganga fyrir metani til þess að ýta undir notkun þeirra. Sparnaður við að aka metanbíl miðað við bensínbíl er 50 kr á hverja eldsneytiseiningu.

Þar sem metan er framleitt á Álfsnesi er það innlendur eldsneytisgjafi og því yrði gífurlegur gjaldeyrissparnaður ef fleiri metanbílum yrði skipt út fyrir bensínbíla.

Umhverfislegur sparnaður af metanbílum er mikill. Það er 90% minni útblástur koldíoxíðs úr metanvél samanborið við bensínvél. [10]Einnig er 60% minna köfnunarefnisoxíð sem losnar við bruna metans en við bruna koldíoxíðs. Sót og ryk er 80% minna úr metanvél en dísilvél.

Það þyrfti um 120 metanbíla til að ná að menga jafn mikið og venjulegur fólksbíll sem gengur fyrir eldsneyti. Verð metanbíla er svipað og á hefðbundnum bílum og eiga þeir ekki að vera mikið dýrari en venjulegir bensín- og dísilbílar.

Samkvæmt frétt frá September 2008 hefur metanbílum fjölgað mikið og á annað hundrað metanbílar eru skráðir á Íslandi. Flestir þessara bíla eru Volkswagen bílar. Langdrægni bíla eykst líka með hverri árgerð sem er framleidd og árið 2009 á að koma ný gerð sem heitir VW Passat EcoFuel og á að komast 420 km á hverri metanfyllingu og 400 km á bensíntanknum.

Metanframleiðslan á Álfsnesi er sögð duga sem eldsneyti á um 2.500-3.500 fólksbíla ef fullum afköstum yrði náð árið 2012. Einnig mun áfyllingarstöðvum fjölga eftir því sem metanbílarnir verða fleiri á götum höfuðborgarsvæðisins, í dag er ein.

Ölgerðin á þrjá metanbíla sem eru Caddy og Touran, eins og bílarnir sem Sorpa fékk 2006. [11]

Tilvísanir[breyta]

  1. Gas Plant Manufacturers. Methane Properties. Sótt af: http://www.gas-plants.com/methane-properties.html
  2. Methane. Sótt af: http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/METHANE/Methane.html
  3. Gary W. vanLoon og Stephen J. Duffy. (2005). Environmental Chemistry
  4. Methane. Sótt af: http://www.epa.gov/methane/index.html
  5. Greenhouse Gases, Climate Change, and Energy. Sótt af: http://www.eia.doe.gov/bookshelf/brochures/greenhouse/Chapter1.htm
  6. Gary W. vanLoon og Stephen J. Duffy. (2005). Environmental Chemistry
  7. Godfrey Boyle. (2004). Renewable Energy
  8. NASA. (2007). Methane Blast. Sótt af: http://science.nasa.gov/headlines/y2007/04may_methaneblast.htm
  9. Metan ehf. (2003). Sótt af: http://wayback.vefsafn.is/wayback/20041102104735/www.metan.is/user/home/
  10. Ný kynslóð metanbíla. Hekla. Sótt af: http://wayback.vefsafn.is/wayback/20071210193854/www.hekla.is/Pages/19?NewsID=392
  11. Umhverfisvænir metanbílar til Ölgerðarinnar. (2008). Sótt af: http://www.billinn.is/index.php?menu=news&article=1101

Tenglar[breyta]

Alkanar
Metan (CH4)Etan (C2H6)Própan (C3H8)Bútan (C4H10)Pentan (C5H12)Hexan (C6H14)Heptan (C7H16)Oktan (C8H18)Nónan (C9H20)Dekan (C10H22)