メタンハイドレート
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メタンハイドレート（Methane hydrate）とは、メタンを中心にして周囲を水分子が囲んだ形になっている固体結晶である。 低温かつ高圧の条件下で、水分子は立体の網状構造を作り、内部の隙間にメタン分子が入り込み氷状の結晶になっている。 石油や石炭に比べ燃焼時の二酸化炭素排出量がおよそ半分であるため、地球温暖化対策としても有効な新エネルギーであるとされる。
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[編集] 性状
見た目は氷に似ている。1立方メートルのメタンハイドレートを1気圧の状態で解凍すると164m3のメタンガスに変わる。このメタンはメタンハイドレートの体積の20%に過ぎず、他の80%は水である。分子式はCH4・5.75H2Oと表され、密度は0.91g/cm3である。 火をつけると燃えるために「燃える氷」と言われることもある。
[編集] ハイドレート構造
水分子で構成される立体網状構造の間隙中にガス分子が位置して安定な固体結晶となっている氷状の物質は「ガスハイドレート・クラスレート」と呼ばれる構造になっている。
ガスハイドレートには、ガスが失われると残された立体網状構造である「包接格子」だけでは格子構造を維持できないもの（ガスハイドレート・クラスレート）と、包接格子だけでも格子構造を維持出来るものがある。メタンハイドレートは「包接化合物」とも呼ばれるクラスレートであり、骨格となる水分子間の5-6オングストローム程度の隙間に入り込んだガスが出て行くと格子は壊れる。 [1]。
[編集] 埋蔵場所
ハイドレートの網状構造を維持するためには、環境が低温かつ高圧であることが求められる。 地球上では、シベリアなどの永久凍土の地下数100m - 1000mの堆積物中や海底でこの条件が満たされ、メタンハイドレートが存在できる。実際にはほとんどが海底に存在し、地上の永久凍土などにはそれほど多くない。またメタンハイドレートを含有できる深海堆積物は海底直下では低温だが、地中深くなるにつれて地温が高くなるため、海底付近でしかメタンハイドレートは存在できない。また、圧力と温度の関係から同じ地温を成す大陸斜面であれば、深くなるほどメタンハイドレートの含有層は厚くなる。これらの場所では、大量の有機物を含んだ堆積物が低温・高圧の状態におかれ結晶化している。
地表の条件では、分解して吸熱反応を起こす。この時生成される水は氷の薄膜を形成するため、メタンハイドレートは常圧下-20℃程度でも長く保存できる自己保存性を持つ。
[編集] 海底下の埋蔵域
（状況によって異なるが、おおむね）大陸棚が海底へとつながる、海底斜面内、水深500m-1000m[2][3]（2000mまでとする研究もある）[4]での、地下数十から数百メートル[3]に存在し、メタンガス層の上部境目に存在するとされている。通常は、高圧下でありながら、凍った水分子の、篭状の結晶構造に封じ込められている。
[編集] 日本近海の埋蔵域
2008年現在、日本近海は世界有数のメタンハイドレート埋蔵量を誇っている。本州、四国、九州といった西日本地方の南側の南海トラフに最大の推定埋蔵域を持ち、北海道周辺と新潟県沖、南西諸島沖にも存在する[3]。
このため、日本のエネルギー問題を解決する可能性が期待されているが、政府が試掘を行なっている南海トラフでは現有する採掘技術を使用して採掘・生産しても経済的には全く引き合わないため、商業生産に向けた民間レベルでの採掘計画は存在せず、研究用以外の目的では採掘されていない。
日本近海で初期に日本政府（メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム）によるメタンハイドレート採取の研究が行われたのはこの南海トラフであった。この海域では、1999年から2000年にかけて試掘が行われ、詳細な分布状況が判明しているが、総額500億円を費やしたが商業化には至っていない。これは、南海トラフのメタンハイドレートは、泥の中に埋まっており、探索・採取が困難を極めているからであるとされる。
その後、日本海沿岸で海底面に露出したメタンハイドレートが発見され、低コストで採掘できる可能性があるが現在調査中であり、採算性などは明らかにされていない。現在、東京大学、海洋研究開発機構、産業技術総合研究所などによる調査が行われているところであるが[5]、メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアムによる調査は行われていない。
日本のメタンハイドレートの資源量は、1996年の時点で、天然ガス換算で7.35兆m³（日本で消費される天然ガスの約96年分）と推計されている[6]。もし将来、石油や天然ガスが枯渇するか異常に価格が高騰し、海底のメタンハイドレートが低コストで採掘が可能となれば、日本は世界有数のエネルギー資源大国になるとする説もある[7]。日本政府は2016年までにこれらのメタンハイドレートの商業化に必要な技術を完成させる計画である[8]。また、近年の資源価格の高騰を受け、経済産業省は、2009年度から2011年度まで南海トラフを中心に実証実験を実施し、2012年度から海洋産出試験を行って、2018年度以降の商業化を目指す方針を明らかにしている[9][10][11]。
石油の可採量が増大したり、化石燃料に変わる代替エネルギーの開発が成功して、一次エネルギーが低コストで入手可能となった場合には、当面の間はメタンハイドレートが商業利用されない可能性がある。
[編集] 採取方法とその課題
例えば、南海沖海底のメタンハイドレートは潜水士が作業できない深い海底のさらに地下に氷のような結晶の形で存在する。そのままでは流動性が無いので、石油やガスのように穴を掘っても直接汲み上げられず、石炭のように掘り出そうとしても、ガスの含有量が少なく費用対効果の点で現実的ではない。ハイドレートを含む地層を暖めるなどすれば、少しの温度の上昇や圧力の低下でメタンがガスとなって漏れ出してくるが、上層や周囲の土中がハイドレート生成に適する氷を含む温度や圧力の環境であれば再びメタンガスは水分子のカゴに取り込まれてしまう。メタンがガスとなって結晶から遊離する時は吸熱反応となる事も、結晶への再捕獲を助ける。これらの事情によって、低コストでかつ大量に採取することは技術的に課題が多い。
現在までに提案されている主なメタン回収法は
の5種である。ピストン打法以外はメタンハイドレートを現位置（メタンハイドレート貯留層内）で分解させ、メタンガスを回収する手法である。
[編集] 採取事例
- 日本海側のメタンハイドレートでは、メタンプルーム直下の海底付近にピストンを打つ方法で、効率よくメタンハイドレートを採取出来ることが、独立総合研究所などの試掘で実証されている。
- 2008年3月、石油天然ガス・金属鉱物資源機構は、カナダ北西部のボーフォート海沿岸陸上地域での国際コンソーシアムに参加して、永久凍土の地下1,100mに存在するメタンハイドレート層から減圧法によってメタンガスを試験生産した結果、連続生産に成功したと発表した。同機構は4月、メタンハイドレート事業を2018年頃に商業化する方向を示した。
- 2008年8月、清水建設、北海道大学、北見工業大学、ロシア科学アカデミーは共同でバイカル湖湖底のメタンハイドレートの採取を実施。ウォータージェットで湖底を攪拌、ガスを湖水に溶け込ませて引き揚げる手法により14m3のガスを採取した。表層のメタンハイドレートからガスを採取した事例としては世界初。
- 大規模崩壊の可能性
- 採取方法によっては、大量のメタンハイドレートが一気に気化し大気中に拡散し、地球温暖化を加速する恐れがあるので慎重に検討すべきと指摘する研究者もいる。ハイドレートは地下で固体構造物を構成しているため、メタンを失った地下構造がどの程度崩壊するかは未知数であり、特に海底下では上層が下のメタンハイドレート層の支えを失い沈下・変形した時に、予想外に急激なハイドレートの溶解が起きないとは言い切れない。海底油田や海底ガス田では、海底面より数千mの深さに位置する油層やガス層内では強固な貯留岩が上部の重みに抗していて、油やガスは隙間に溜まっているだけなので、このような心配はない[3]。
[編集] 発見の歴史
- シベリアなどの寒地において、天然ガスのパイプライン内にできるガスハイドレート（周辺構造は、メタンハイドレートとほぼ同じ）という現象や物質自体は、1930年代に確認されていた。
- 1960年代には、永久凍土内で、天然ハイドレートの堆積層が発見された。
- 1967年に、天然ガスハイドレート岩石資料が世界で初めてシベリアのヤクーチャの永久凍土地帯で採取された。
- 1970年代に至って、海底において大量に存在する可能性が予測され、実際に計測が行われた。
- 1974年、カナダのマッケンジー・デルタで、天然のメタンハイドレートが浅い砂質層に埋蔵されている事が発見された。
- 1996年、アメリカ合衆国内の海底において発見され、具体的研究が進められる。
- 2000年 南海トラフでメタンハイドレートの存在を確認。
- 2002年、日本・カナダ・アメリカ・ドイツ・インドの国際共同研究として、カナダのマッケンジー・デルタ Mallik 5L-38号井において、世界で初めて地下のメタンハイドレート層から地上へのメタンガス回収に成功した。
- 2006年 東京大学や海洋研究開発機構の研究グループによると新潟県上越市直江津港沖合30km付近に海底上（水深約900メートル）に露出しているメタンハイドレートを確認。海底面上にあるのは東アジア初。
- 2008年 独立行政法人の石油天然ガス・金属鉱物資源機構が、カナダの天然資源省との共同研究で、永久凍土の地下1100mのメタンハイドレート層から減圧法によってメタンガスを連続的に産出することに成功。これを受けて同機構は、2018年頃にメタンハイドレート事業を商業化すると発表する。
[編集] 生成過程（海底下）
メタンが海底下で大量に保存されている原因は、無機起源説と、生物起源説に大別される。
中でも、現在までに報告されているメタンハイドレートを構成するメタンの炭素同位体比は比較的小さい値（13Cが少ない）を示しており、これらのメタンは海底熱水系等において確認されている非生物起源のものではなく、堆積物中で有機物の分解によって生じる生物起源のものを主としていると考えられている。
- 生物生成メタン
メタンハイドレートは大陸周辺の海底に分布しており、大陸から遠く離れた海洋の深部に有意な発見はない。それら分布領域における表層堆積物の特徴は、長い運搬過程を経た粒度の小さい砕屑物や鉱物粒子、火山灰などの他に有機物や有孔虫などの生物遺骸が含まれる海底泥質堆積物である。その海底面（表層）では生物活動による土壌が作られ、土壌の上に新たな堆積物が積み重なり海水の比率が減少するとともに堆積物の続成作用が働く環境となる。堆積作用により表層から埋没後しばらくは硫酸還元菌（例えばArchaeoglobus、Desulforudisなど）の活動が続き、この活動している地層を硫酸還元帯という。活動時間が長い深部になるほど炭素同位体比は大きい値を示す。硫酸塩の枯渇などにより硫酸還元菌の活動が終わると、メタン生成菌の活動が活発になり、メタンと炭酸水素イオンが生成される。ここでは地層深部の圧密作用を受けメタンや炭酸水素イオンを含む水が上層へ移動し、一定の条件下で水分子のかご構造にメタンが入り込みメタンハイドレートとして蓄積される。このメタン醗酵が発生する層では13Cが炭酸水素イオンに濃縮されるため、メタンの炭素同位体比は軽く（13Cが少なく）なる。
熱水噴出孔などでこれらのメタン菌の活動を垣間見ることができる。例えばMethanopyrusやMethanocaldococcusは地底で発生する水素と二酸化炭素からメタンを合成する。この他 Methanocalculus などのメタン菌が油田から得られている。
- 熱生成メタン
更に地中深くなると、地温が上昇するとともに微生物の活動は減少し、有機物は熱によるカルボキシル基が除去される反応によってメタンが生成される。ここでは生成された炭酸水素イオンから炭酸塩物を折出する。これらの炭素同位体比は、硫酸還元帯にみられる有機体と比べ大差がない（近似値を示す）特徴がある。ただし、上記 Methanopyrus の培養の際、高温高圧下（122℃、400気圧）では炭素同位対比の重いメタンを合成することが報告されており、今後研究の進展しだいでは一部の熱生成メタンの起源について再考される可能性もある。
[編集] 政治・社会的問題
[編集] 地球温暖化
海中に湧き出したメタンが、大気中に出ることによって、地球温暖化の一因になっていると考えられている。大気中のメタンは、二酸化炭素の20倍もの温室効果があるとされている。メタンは大気中で12年程度で分解される。
メタンハイドレートは海底の温度が数度上昇するだけで溶け出し、海底内で放出されたメタンガスは海中を経由して大気中に放出されると云われている。
地球温暖化が進むと海水温が上がり、やがてメタンが大気中に放出される。するとさらに温暖化がすすみ海水温を上げ、さらに多くのメタンが吐き出される悪循環をおこすだろうという仮説がある。2億5千万年前のP-T境界では、この現象が実際におこり、大量絶滅をより深刻なものにしたとされている。(NHKスペシャル 地球大進化〜46億年・人類への旅〜第4集で詳しく説明されている)
こういった危惧がある反面、メタンハイドレートは石油に替わるエネルギー源として期待する意見もある。石油や石炭よりはるかにCO2の排出量は少ない点でも歓迎出来るとする考え方である。
[編集] 国境問題
海底資源は国家規模での経済的利益を左右するため、島嶼の領有権のような国境問題となる場合が多い。
[編集] 脚注
- ^ [1]
- ^ [2]
- ^ a b c d 石井彰著 『天然ガスが日本を救う』 日経BP社 2008年9月22日第1版第1刷発行 ISBN 9784822247027 P.183-P.185
- ^ [3]
- ^ 新潟県上越市沖の海底にメタンハイドレートの気泡を発見 - 東京大学・海洋研究開発機構・東京家政学院大学・独立総合研究所・産業技術総合研究所、2007年3月2日発表
- ^ どこにどれだけあるのか? - メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム
- ^ “日中韓台メタンハイドレート戦争…天然ガス１００年分”. 夕刊フジ(. 2008年11月17日) 2008年11月17日 閲覧。.
- ^ 基本方針と組織 - メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム
- ^ “燃える氷をすくい取れ 「メタンハイドレート」試験採掘へ”. 産経新聞(. 2008年8月19日) 2008年8月19日 閲覧。.
- ^ “次世代燃料メタンハイドレート、海洋産出2012年度試験”. 日本経済新聞(. 2008年8月19日) 2008年8月28日 閲覧。.
- ^ “メタンハイドレート “燃える氷”採掘試験 来年度、日本近海で”. フジサンケイ ビジネスアイ(. 2008年8月19日) 2008年8月28日 閲覧。.
[編集] フィクション
[編集] 関連項目
- 天然ガスハイドレート (NGH)
- ハイドレート
- マリンスノー
- 有孔虫
- メタン菌
- 苦灰石
- ゼオライト
- 地球温暖化
- バミューダトライアングル
- 名探偵コナン_紺碧の棺（作品内で重要な位置づけにある）
- 海洋研究開発機構
