Метан получение: Метан: способы получения и свойства

Метан: способы получения и свойства

Метан CH₄ – это предельный углеводород, содержащий один атом углерода в углеродной цепи. Бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воды, нерастворим в воде и не смешивается с ней.

 

 

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН₂– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH₄, или Н–СH₂–H.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь алкана.

Название алкана	Формула алкана
Метан	CH4
Этан	C2H6
Пропан	C3H8
Бутан	C4H10
Пентан	C5H12
Гексан	C6H14
Гептан	C7H16
Октан	C8H18
Нонан	C9H20
Декан	C10H22

Общая формула гомологического ряда алканов C_nH_2n+2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, начиная с C₁₈ – твердые вещества. 

 

 

 

В молекуле метана встречаются связи C–H. Связь C–H ковалентная слабополярная. Это одинарная σ-связь. Атом углерода в метане образует  четыре σ-связи. Следовательно, гибридизация атома углерода в молекуле метана– sp

3:

 

При образовании связи  С–H происходит перекрывание sp³-гибридной орбитали атома углерода и s-орбитали атома водорода:

Четыре sp³-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в алканах направлены в пространстве под углом 109^о 28′  друг к другу:

Это соответствует тетраэдрическому строению молекулы.

 

Например, в молекуле метана CH4 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода

 

 

 

 

Для  метана не характерно наличие изомеров – ни структурных (изомерия углеродного скелета, положения заместителей), ни пространственных. 

 

Метан – предельный углеводород, поэтому он не может вступать в реакции присоединения.

Для метана характерны реакции:

• разложения,
• замещения,
• окисления.

Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.

Поэтому для метана характерны только радикальные реакции.

Метан устойчив к действию сильных окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др. ), не реагирует с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

 

1. Реакции замещения

Для метана характерны реакции радикального замещение.

 

1.1. Галогенирование

Метан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.

При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:

Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:

 

 

Химическая активность хлора  выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.

 

Бромирование протекает более медленно.

 

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

 Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

 

1.2. Нитрование метана

Метан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140^оС и под давлением.

  Атом водорода в метане замещается на нитрогруппу NO₂.

 

Например. При нитровании метана образуется преимущественно нитрометан: CH4 + HNO3 = CH3NO2 + H2O

2. Реакции разложения метана (дегидрирование, пиролиз)

При медленном и длительном нагревании до 1500^оС метан разлагается до простых веществ:

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:

Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.

3. Окисление метана

 

Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.

).

 

3.1. Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

CH₄ + 2O₂  → CO₂ + 2H₂O + Q

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O + Q

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

Эта реакция используется для получения сажи.

 

3.2. Каталитическое окисление

 

• При каталитическом окислении метана кислородом возможно образование различных продуктов в зависимости от условий проведения процесса и катализатора.
  Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

• Важное значение в промышленности имеет паровая конверсия метана: окисление метана водяным паром при высокой температуре.

Продукт реакции – так называемый  «синтез-газ».

 

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета.  Реакция больше подходит для получения симметричных алканов. Получить таким образом метан нельзя.

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

 

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄

Этот способ получения используется в лаборатории для получения метана.

 

3. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

 

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe)  соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

 

4. Синтез Фишера-Тропша

 Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

nCO + (3n+1)H₂ = C_nH_2n+2 + nH₂O

Это промышленный процесс получения алканов.

Синтезом Фишера-Тропша можно получить метан:

CO + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O

 

5. Получение метана в промышленности

 

В промышленности метан получают из нефти, каменного угля, природного и попутного газа. При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.

 

Метан, структурная формула, химические, физические свойства

1

H

1,008

1s¹

2,1

Бесцветный газ

t°_пл=-259°C

t°_кип=-253°C

2

He

4,0026

1s²

4,5

Бесцветный газ

t°_кип=-269°C

3

Li

6,941

2s¹

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=180°C

t°_кип=1317°C

4

Be

9,0122

2s²

1,57

Светло-серый металл

t°_пл=1278°C

t°_кип=2970°C

5

B

10,811

2s² 2p¹

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

t°_пл=2300°C

t°_кип=2550°C

6

C

12,011

2s² 2p²

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

t°_пл=3550°C

t°_кип=4830°C

7

N

14,007

2s² 2p³

3,04

Бесцветный газ

t°_пл=-210°C

t°_кип=-196°C

8

O

15,999

2s² 2p⁴

3,44

Бесцветный газ

t°_пл=-218°C

t°_кип=-183°C

9

F

18,998

2s² 2p⁵

3,98

Бледно-желтый газ

t°_пл=-220°C

t°_кип=-188°C

10

Ne

20,180

2s² 2p⁶

4,4

Бесцветный газ

t°_пл=-249°C

t°_кип=-246°C

11

Na

22,990

3s¹

0,98

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=98°C

t°_кип=892°C

12

Mg

24,305

3s²

1,31

Серебристо-белый металл

t°_пл=649°C

t°_кип=1107°C

13

Al

26,982

3s² 3p¹

1,61

Серебристо-белый металл

t°_пл=660°C

t°_кип=2467°C

14

Si

28,086

3s² 3p²

1,9

Коричневый порошок / минерал

t°_пл=1410°C

t°_кип=2355°C

15

P

30,974

3s² 3p³

2,2

Белый минерал / красный порошок

t°_пл=44°C

t°_кип=280°C

16

S

32,065

3s² 3p⁴

2,58

Светло-желтый порошок

t°_пл=113°C

t°_кип=445°C

17

Cl

35,453

3s² 3p⁵

3,16

Желтовато-зеленый газ

t°_пл=-101°C

t°_кип=-35°C

18

Ar

39,948

3s² 3p⁶

4,3

Бесцветный газ

t°_пл=-189°C

t°_кип=-186°C

19

K

39,098

4s¹

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=64°C

t°_кип=774°C

20

Ca

40,078

4s²

1,0

Серебристо-белый металл

t°_пл=839°C

t°_кип=1487°C

21

Sc

44,956

3d¹ 4s²

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

t°_пл=1539°C

t°_кип=2832°C

22

Ti

47,867

3d² 4s²

1,54

Серебристо-белый металл

t°_пл=1660°C

t°_кип=3260°C

23

V

50,942

3d³ 4s²

1,63

Серебристо-белый металл

t°_пл=1890°C

t°_кип=3380°C

24

Cr

51,996

3d⁵ 4s¹

1,66

Голубовато-белый металл

t°_пл=1857°C

t°_кип=2482°C

25

Mn

54,938

3d⁵ 4s²

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

t°_пл=1244°C

t°_кип=2097°C

26

Fe

55,845

3d⁶ 4s²

1,83

Серебристо-белый металл

t°_пл=1535°C

t°_кип=2750°C

27

Co

58,933

3d⁷ 4s²

1,88

Серебристо-белый металл

t°_пл=1495°C

t°_кип=2870°C

28

Ni

58,693

3d⁸ 4s²

1,91

Серебристо-белый металл

t°_пл=1453°C

t°_кип=2732°C

29

Cu

63,546

3d¹⁰ 4s¹

1,9

Золотисто-розовый металл

t°_пл=1084°C

t°_кип=2595°C

30

Zn

65,409

3d¹⁰ 4s²

1,65

Голубовато-белый металл

t°_пл=420°C

t°_кип=907°C

31

Ga

69,723

4s² 4p¹

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=30°C

t°_кип=2403°C

32

Ge

72,64

4s² 4p²

2,0

Светло-серый полуметалл

t°_пл=937°C

t°_кип=2830°C

33

As

74,922

4s² 4p³

2,18

Зеленоватый полуметалл

t°_субл=613°C

(сублимация)

34

Se

78,96

4s² 4p⁴

2,55

Хрупкий черный минерал

t°_пл=217°C

t°_кип=685°C

35

Br

79,904

4s² 4p⁵

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

t°_пл=-7°C

t°_кип=59°C

36

Kr

83,798

4s² 4p⁶

3,0

Бесцветный газ

t°_пл=-157°C

t°_кип=-152°C

37

Rb

85,468

5s¹

0,82

Серебристо-белый металл

t°_пл=39°C

t°_кип=688°C

38

Sr

87,62

5s²

0,95

Серебристо-белый металл

t°_пл=769°C

t°_кип=1384°C

39

Y

88,906

4d¹ 5s²

1,22

Серебристо-белый металл

t°_пл=1523°C

t°_кип=3337°C

40

Zr

91,224

4d² 5s²

1,33

Серебристо-белый металл

t°_пл=1852°C

t°_кип=4377°C

41

Nb

92,906

4d⁴ 5s¹

1,6

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2468°C

t°_кип=4927°C

42

Mo

95,94

4d⁵ 5s¹

2,16

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2617°C

t°_кип=5560°C

43

Tc

98,906

4d⁶ 5s¹

1,9

Синтетический радиоактивный металл

t°_пл=2172°C

t°_кип=5030°C

44

Ru

101,07

4d⁷ 5s¹

2,2

Серебристо-белый металл

t°_пл=2310°C

t°_кип=3900°C

45

Rh

102,91

4d⁸ 5s¹

2,28

Серебристо-белый металл

t°_пл=1966°C

t°_кип=3727°C

46

Pd

106,42

4d¹⁰

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1552°C

t°_кип=3140°C

47

Ag

107,87

4d¹⁰ 5s¹

1,93

Серебристо-белый металл

t°_пл=962°C

t°_кип=2212°C

48

Cd

112,41

4d¹⁰ 5s²

1,69

Серебристо-серый металл

t°_пл=321°C

t°_кип=765°C

49

In

114,82

5s² 5p¹

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=156°C

t°_кип=2080°C

50

Sn

118,71

5s² 5p²

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=232°C

t°_кип=2270°C

51

Sb

121,76

5s² 5p³

2,05

Серебристо-белый полуметалл

t°_пл=631°C

t°_кип=1750°C

52

Te

127,60

5s² 5p⁴

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

t°_пл=450°C

t°_кип=990°C

53

I

126,90

5s² 5p⁵

2,66

Черно-серые кристаллы

t°_пл=114°C

t°_кип=184°C

54

Xe

131,29

5s² 5p⁶

2,6

Бесцветный газ

t°_пл=-112°C

t°_кип=-107°C

55

Cs

132,91

6s¹

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

t°_пл=28°C

t°_кип=690°C

56

Ba

137,33

6s²

0,89

Серебристо-белый металл

t°_пл=725°C

t°_кип=1640°C

57

La

138,91

5d¹ 6s²

1,1

Серебристый металл

t°_пл=920°C

t°_кип=3454°C

58

Ce

140,12

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=798°C

t°_кип=3257°C

59

Pr

140,91

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=931°C

t°_кип=3212°C

60

Nd

144,24

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1010°C

t°_кип=3127°C

61

Pm

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

t°_пл=1080°C

t°_кип=2730°C

62

Sm

150,36

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1072°C

t°_кип=1778°C

63

Eu

151,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=822°C

t°_кип=1597°C

64

Gd

157,25

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1311°C

t°_кип=3233°C

65

Tb

158,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1360°C

t°_кип=3041°C

66

Dy

162,50

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1409°C

t°_кип=2335°C

67

Ho

164,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1470°C

t°_кип=2720°C

68

Er

167,26

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1522°C

t°_кип=2510°C

69

Tm

168,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1545°C

t°_кип=1727°C

70

Yb

173,04

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=824°C

t°_кип=1193°C

71

Lu

174,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1656°C

t°_кип=3315°C

72

Hf

178,49

5d² 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2150°C

t°_кип=5400°C

73

Ta

180,95

5d³ 6s²

Серый металл

t°_пл=2996°C

t°_кип=5425°C

74

W

183,84

5d⁴ 6s²

2,36

Серый металл

t°_пл=3407°C

t°_кип=5927°C

75

Re

186,21

5d⁵ 6s²

Серебристо-белый металл

t°_пл=3180°C

t°_кип=5873°C

76

Os

190,23

5d⁶ 6s²

Серебристый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=3045°C

t°_кип=5027°C

77

Ir

192,22

5d⁷ 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2410°C

t°_кип=4130°C

78

Pt

195,08

5d⁹ 6s¹

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1772°C

t°_кип=3827°C

79

Au

196,97

5d¹⁰ 6s¹

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

t°_пл=1064°C

t°_кип=2940°C

80

Hg

200,59

5d¹⁰ 6s²

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

t°_пл=-39°C

t°_кип=357°C

81

Tl

204,38

6s² 6p¹

Серебристый металл

t°_пл=304°C

t°_кип=1457°C

82

Pb

207,2

6s² 6p²

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

t°_пл=328°C

t°_кип=1740°C

83

Bi

208,98

6s² 6p³

Блестящий серебристый металл

t°_пл=271°C

t°_кип=1560°C

84

Po

208,98

6s² 6p⁴

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=254°C

t°_кип=962°C

85

At

209,98

6s² 6p⁵

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=302°C

t°_кип=337°C

86

Rn

222,02

6s² 6p⁶

2,2

Радиоактивный газ

t°_пл=-71°C

t°_кип=-62°C

87

Fr

223,02

7s¹

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=27°C

t°_кип=677°C

88

Ra

226,03

7s²

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=700°C

t°_кип=1140°C

89

Ac

227,03

6d¹ 7s²

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=1047°C

t°_кип=3197°C

90

Th

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

t°_пл=1132°C

t°_кип=3818°C

93

Np

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

267

6d² 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

268

6d³ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

269

6d⁴ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

270

6d⁵ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

277

6d⁶ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

278

6d⁷ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

281

6d⁹ 7s¹

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Добыча угольного газа

Как можно добывать природный газ из угольных пластов
 

Предложения «Газпрома» о мерах по стимулированию добычи угольного газа

Перспективный газ

В недрах осваиваемых и перспективных угольных бассейнов сосредоточена не только значительная часть мировых ресурсов углей, но и их спутника — метана, масштабы ресурсов которого соизмеримы с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%.

Научно обоснованная оценка роли угольных пластов как крупнейших мест накопления метана в земной коре открывает новые большие перспективы в увеличении ресурсов углеводородных газов. Метан, который является наиболее опасным спутником угля, становится ценным полезным ископаемым, подлежащим самостоятельной промысловой добыче или попутному извлечению в шахтах при комплексной поэтапной эксплуатации газоносных угольных месторождений.

Особенность разработки метаноугольных месторождений

Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный.

Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля — дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий непосредственно в районе угледобычи.

Скважинный способ добычи является промышленным. Метан при этом рассматривается уже не как попутный продукт при добыче угля, а как самостоятельное полезное ископаемое. Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты — гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током).

Следует отметить, что для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Высокой концентрацией газа отличается уголь-антрацит, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Самыми перспективными для добычи метана считаются угли, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом. Именно такой уголь залегает в Кузбассе, где, в рамках выполнения поручения Президента Российской Федерации, «Газпром» активно участвует в реализации инновационного проекта по добыче угольного газа.

Российские прогнозные ресурсы угольного метана

Прогнозные ресурсы метана в основных угольных бассейнах России оцениваются в 83,7 трлн куб. м, что соответствует примерно трети прогнозных ресурсов природного газа страны. Особое место среди угольных бассейнов России принадлежит Кузбассу, который по праву можно считать крупнейшим из наиболее изученных метаноугольных бассейнов мира. Прогнозные ресурсы метана в кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн куб.  м.

Данная оценка ресурсов углей и метана соответствует глубине 1800–2000 м. Большие глубины угольного бассейна сохраняют на отдаленную перспективу огромное количество метана, которое оценивается в 20 трлн куб. м. Такая сырьевая база Кузбасса обеспечивает возможность крупномасштабной добычи метана (вне шахтных полей) как самостоятельного полезного ископаемого.

Международный опыт добычи угольного газа

Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается опытом освоения метаноугольных промыслов в США, которые занимают лидирующее положение в мире по уровню развития «новой газовой отрасли». Также промышленная добыча метана из угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Китае.

Современный опыт добычи угольного газа в России

До недавнего времени в России метан из угольных пластов извлекался только попутно, на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд куб. м метана в год.

В 2003 г. «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. Лицензией на поиск, разведку и добычу метана угольных пластов в пределах Южно-Кузбасской группы угольных месторождений обладает ООО «Газпром добыча Кузнецк» — первая и единственная компания в России, добывающая метан угольных пластов. Компания разрабатывает два метаноугольных промысла, площадь лицензионного отвода составляет 6 тыс кв. км до глубины 2 км, оценка ресурсов метана угольных пластов — 5,7 трлн куб. м.

Стабильный уровень добычи метана угольных пластов в Кузбассе планируется в объеме 4 млрд куб. м в год. В долгосрочной перспективе — 18–21 млрд куб. м в год.

Талдинское месторождение

В 2005 году на Талдинском месторождении был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов. Здесь учеными АО «Газпром промгаз» была разработана технология добычи угольного газа. На весь технологический цикл — от разведки угольного газа до его использования — получен 31 патент международного и российского образца. При этом две трети оборудования, применяющегося при реализации экспериментального проекта, — отечественного производства.

В 2008–2009 годах на восточном участке Талдинского месторождения было пробурено восемь скважин. В 2010 году началась пробная эксплуатация разведочных скважин с подачей газа на автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. В результате пробной эксплуатации были получены необходимые параметры для перевода ресурсов метана в запасы промышленных категорий, отработаны технологии освоения скважин, сбора и подготовки газа, необходимые для разработки первоочередных участков и площадей в Кузбассе.

12 февраля 2010 года «Газпром» запустил на Талдинском месторождении первый в России промысел по добыче угольного газа.

Утвержденные запасы метана по Талдинскому промыслу составляют 74,2 млрд куб.  м (в том числе 4,77 млрд куб. м категории С1 и 69 млрд куб. м категории С2). В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся 6 эксплуатационных скважин.

В 2014 году на Талдинском промысле было добыто 2,8 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — почти 16 млн куб. м.

В декабре 2010 и феврале 2011 были введены в эксплуатацию две газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на метане угольных пластов на Талдинском месторождении. Ввод двух ГПЭС позволил подать электроэнергию на подстанцию Талдинского угольного разреза, на строящиеся шахты «Жерновская-1» и «Жерновская-3», а также обеспечить электроэнергией газовые промыслы на Талдинском месторождении и Нарыкско-Осташкинской площади.

«Газпром» также приступил к освоению Нарыкско-Осташкинской площади Южно-Кузбасской группы месторождений. Ресурсы метана площади предварительно оцениваются в 800 млрд куб. м.

В 2014 году на этом промысле было добыто 4,5 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — 9,4 млн куб.  м.

Новый вид полезного ископаемого

В ноябре 2011 года метан угольных пластов был признан самостоятельным полезным ископаемым и внесен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод.

Объективные причины необходимости добычи угольного газа в России

Благоприятные геологические особенности и условия газоносности угольных бассейнов в России являются объективной предпосылкой организации, прежде всего, в Кузбассе, а затем и в других угольных бассейнах, широкомасштабной добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого.

Необходимость организации метаноугольных промыслов в Кузбассе обусловлена следующими факторами:

• наличием крупномасштабных залежей метана в угольных бассейнах России;
• наличием современных передовых эффективных технологий промысловой добычи метана из угольных пластов, широко применяемых в последние годы за рубежом;
• наличием в России научно-технического потенциала, способного координировать и осуществлять научные разработки по данной теме.

Среди регионов России, не обеспеченных в достаточном объеме газовым топливом, ряд угледобывающих регионов мог бы полностью покрыть свои потребности в газе за счет широкомасштабной добычи метана из угольных пластов. Кроме того, добыча и использование газа улучшит экологическую обстановку в углепромышленных районах, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях.

Химия -> Предельные углеводороды -> Метан. Получение метана

Метан — газ без цвета и запаха, легче воздуха, малорастворим в воде. Предельные углеводороды способны гореть, образуя оксид углерода и воду. Метан горит бледным синеватым пламенем:CH₄+2O₂=2H₂O. В смеси с воздухом (или с кислородом, особенно в соотношении по объему 1:2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси. По этому он опасен как в быту (утечка газа через краны), так и в шахтах. При неполном сгорании метана образуется сажа. Так ее получают в промышленных условиях. В присутствии катализаторов при окислении метана получают метиловый спирт и формальделу. При сильном нагревании метан распадается по уравнению:CH₄=C+2H₂. Впечах специальной конструкции распад метана может быть осуществлен до промежуточного продукта — ацителена: 2CH₄=C₂H₂+3H₂. Для метана характерны реакции замещения. На свету или обычной температуре галогены — хлор и бром — постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород, образуя так называемые галогенопроизводные. Атомы хлора замещают атомы водорода в ней с образованием смесиразличных соединений:CH₃Cl — хлорметана (хлористого метила), CH₂Cl₂ — дихлорметана, CCl₄ — тетрахлорметана. Из этой смеси каждое соединение может быть выделено. Важное значение имеют хлороформ и тетрахлорметан как растворители смол, жиров, каучука и других органических веществ. Образование галогенопроизводных метана протекают по цепному свободнорадикальному механизму. Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:Cl₂=2Cl. Неорганический радикал Cl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя HCl и свободный радикал CH₃HH. Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Cl₂, образуя галогенопроизводное и релоген хлора. Метан при обычной температуре обладает большой стойкостью к кислотам, щелочам и многим окислителям. Однако он вступает в реакцию с азотной кислотой: CH₄+HNO₃=CH₃NO₂+H₂O. Метан не спосопен к реакциям присоединения, поскольку в его молекуле все валентности насыщены. Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей C-H. Однако известны процессы, при которых происходит не только расщепление связей C-H, но и разрыв цепи углеродных атомов(у гомологов метана). Эти реакции протекают при высоких температурах и в присутствии катализаторов. Например: C₄H₁₀+H₂ — процесс дегидротации, C₄H₁₀= C₂H₆+ C₂H₄ — крекинг.

Получение метана

Метан широко распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов как природных(90-98%), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Метан выделяется со дна болот и из каменоугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха, поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом. В лабораторных условиях метан получают при нагревании смесси ацетата натрия с гидроксидом натрия:CH₃COONa+NaOH=Na₂CO₃+CH₄ или при взаимодействии карбида алюминия с водой: Al₄C₃+12H₂O=4Al(OH)₃+3CH₄. В последнем случае метан получается весьма чистым. Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора: C+2H₂=CH₄. А также синтезом на основе водяного газа: CO+3H₂=CH₄+H₂O. Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами. Другой способ — реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием, например: C₂H₅Br+2Na+BrC₂H₅=C₄H₁₀+2NaBr. В технике для получения синтетического бензина(смесь углеводородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода и водорода в присутствии катализатора(соединение кобальта) и при повышенном давлении. Процесс можно выразить уравнением: _nCO+(2n-1)H₂=C_nH_2n+2+_nH₂O.

Применение алканов

Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту — бытовой газ) и в промышленности широко применяются получаемые из него вещества: водород, ацителен служит исходным сырьем для получения формальдегида, метилового спирта, а также различных синтетических продуктов. Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов — парафинов с числом углеродных атомов 20-25. Этим путем получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, смазочных материалов, лаков и эмалей. Жидкие углеводороды используются как горючее(они входят в состав бензина и керосина). Алканы широко используются в органическом синтезе.

Почему метан — недооцененный парниковый газ и как его выбросы отслеживают ученые

Метан — еще один важный парниковый газ, удерживающий тепло в атмосфере. Однако его влиянию на экологию и климат уделяется гораздо меньше внимания, чем другим углеродным выбросам. При этом потенциал глобального потепления от метана в 30 раз больше, чем у диоксида углерода. Рассказываем, откуда берется метан и почему он опаснее углекислого газа, в каких странах его больше всего, как ученые отслеживают его утечки и почему модели загрязнения атмосферы метаном гораздо сложнее рассчитать.

Откуда берется метан и почему он опасен?

В 2018 году на метан (CH₄) около 9,5% всех выбросов парниковых газов в США приходилось на результаты деятельности человека. Деятельность человека в вопросе выбросов метана включает в себя утечки из систем добычи природного газа и разведение домашнего скота. Метан также выделяется из природных источников, таких как естественные водно-болотные угодья. Кроме того, естественные процессы в почве и химические реакции в атмосфере помогают удалить CH₄ из атмосферы. Время жизни метана в атмосфере намного короче, чем у диоксида углерода (CO₂ ), но CH₄ более эффективно улавливает излучение. Сравнительное воздействие CH₄ в 25 раз больше, чем CO₂ за 100-летний период.

Во всем мире от 50 до 65% общих выбросов CH₄ приходится на деятельность человека. 

• Сельское хозяйство. Домашний скот — крупный рогатый скот, свиньи, овцы и козы — вырабатывает метан как часть нормального процесса пищеварения. Кроме того, это газ образуется при хранении или обработке навоза. Поскольку люди выращивают этих животных для еды и других продуктов, выбросы считаются связанными с деятельностью человека. При объединении выбросов домашнего скота и навоза сельскохозяйственный сектор является крупнейшим источником выбросов метана.
• Энергетика и промышленность. Системы природного газа и нефти являются вторым по величине источником выбросов метана. Этот газ — основной компонент природного газа В США. Метан выбрасывается в атмосферу при производстве, переработке, хранении, транспортировке и распределении природного газа, а также при производстве, переработке, транспортировке и хранении сырой нефти. Добыча угля также является источником выбросов CH₄. 
• Отходы домов и предприятий. Метан образуется на свалках при разложении отходов и при очистке сточных вод. Свалки являются третьим по величине источником выбросов CH₄ в США. Метан также образуется при очистке бытовых и промышленных сточных вод и при компостировании.  

Метан, кроме того, выделяется из ряда природных источников. Природные водно-болотные угодья являются крупнейшим источником выбросов CH₄ от бактерий, разлагающих органические материалы в отсутствие кислорода. Меньшие источники включают термиты, океаны, отложения, вулканы и лесные пожары.

Как снизить выбросы метана?

Есть несколько способов уменьшить выбросы метана. EPA — Агентство по охране окружающей среды США — располагает рядом добровольных программ по сокращению выбросов CH₄ в дополнение к нормативным инициативам. Кроме того, компания поддерживает Глобальную инициативу по метану. Это международное партнерство, поощряющее глобальные стратегии сокращения выбросов метана.

Источник выбросов	Как сократить выбросы?
Промышленность	Модернизация оборудования, используемого для добычи, хранения и транспортировки нефти и природного газа, может уменьшить многие утечки, которые способствуют выбросам метана. Метан угольных шахт также можно улавливать и использовать для получения энергии с помощью программ Natural Gas STAR и Coalbed Methane Outreach Program (CMOP).
Сельское хозяйство	Метан от методов обращения с навозом можно уменьшить и улавливать путем изменения стратегии обращения с навозом. Кроме того, изменение практики кормления животных может снизить выбросы от кишечной ферментации. Больше об улучшенных методах животноводства можно узнать, изучив программу EPA AgSTAR.
Отходы домов и предприятий	Поскольку выделение метана на свалках является основным источником выбросов газа в США, меры контроля выбросов, которые улавливают газ из свалок, могут помочь в стратегии сокращения выбросов.

Почему важно бороться с метаном?

Хотя метан не задерживается в атмосфере так долго, как углекислый газ, поначалу он гораздо более разрушителен для климата из-за того, насколько эффективно он поглощает тепло.  В первые два десятилетия после выброса метан в 84 раза сильнее углекислого газа.

Поскольку метан очень мощный и в тоже время у человечества есть решения, которые сокращают его выбросы, обращение с метаном —это самый быстрый и эффективный способ замедлить темпы потепления планеты.

Если метан попадает в воздух перед использованием — например, из негерметичной трубы, он поглощает солнечное тепло, нагревая атмосферу. По этой причине он считается парниковым газом, например, двуокисью углерода.

Как решить проблему с метаном?

До недавнего времени было мало что известно о том, где происходили утечки, и о том, как лучше всего их исправить. В 2012 году компания EDF начала серию исследований, чтобы лучше их выявлять и находить решения.

Резюме 16 исследований по всей цепи поставок США показывает выбросы метана значительно выше, чем предполагалось изначально. В мае 2016 года EPA утвердило первое в истории национальное правило прямого ограничения выбросов метана от нефтегазовых операций, открыв новую возможность для уменьшения загрязнения климата. На данный момент Агентство по охране окружающей среды США стремится установить правила, которые защищают жителей США от загрязнения метаном.

Проект EPA — Google Earth Outreach — помогает визуализировать опасные для климата утечки, обнаруженные в местных сообществах. Почему это важно? Повышение осведомленности о масштабах и влиянии утечек метана имеет важное значение для разработки эффективной политики.

На сегодняшний день создана еще одна технология, которая помогает выявлять следы метана. На небе появился новый мощный спутник для мониторинга выбросов метана, одного из ключевых газов, влияющих на изменение климата, вызванное деятельностью человека.

Какие есть разработки для борьбы с метаном?

Новейший спутник Iris для мониторинга метана

Космический аппарат, известный как Iris, может отображать шлейфы метана в атмосфере с разрешением всего 25 метров. Это позволяет идентифицировать отдельные источники метана, например, конкретные нефтегазовые объекты.

Iris был запущен канадской компанией GHGSat (Global Emissions Monitoring) в Монреале 2 сентября. Это первопроходец в созвездии из 10 космических аппаратов, которое появится к концу 2022 года.

Первая попытка Iris зарегистрировать значительный выброс метана

Наблюдения проводились над Туркменистаном, в регионе, где ранее были отмечены большие шлейфы от нефтегазовой инфраструктуры. Обнаружение, наложенное на стандартное изображение с воздуха, показывает концентрацию метана в воздухе, превышающую нормальные фоновые уровни.

«Нам все еще нужно работать над калибровкой, которая затем позволит нам проверить порог обнаружения и окончательные характеристики спутника. Но в качестве изображения — это феноменально по любым стандартам», — заявил генеральный директор GHGSat Стефан Жермен в интервью для BBC News.

GHGSat уже работает с операторами, регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, чтобы охарактеризовать эти выбросы с помощью прототипа спутника под названием Claire, который он запустил в 2016 году. Присутствие на орбите Ирис предоставляет компании дополнительный поток данных, которые он теперь намеревается интерпретировать. в новом британском аналитическом центре, который будет открыт в Эдинбурге и Лондоне в ближайшие недели.

«В том, что мы делаем в Великобритании, есть возможности мирового уровня, — объясняет доктор Жермен.  — Не только в области аналитики, но и в системах космических кораблей, которые нас интересуют».

Спутник Sentinel-5P от ЕКА

GHGSat в последнее время укрепляет свои связи с Европейским космическим агентством, которое эксплуатирует спутник ЕС Sentinel-5P.

Он также контролирует метан, делая ежедневные глобальные снимки газа. Но при разрешении 7 км его данные гораздо менее показательны, чем данные Iris и Claire.

ЕКА

Однако если использовать оба спутника вместе, они образуют что-то вроде команды мечты для исследования метана, уверяют ученые.

«Они (Sentinel-5P) могут видеть весь мир каждый день. Мы не можем этого сделать. Но мы можем видеть отдельные объекты. Они не могут этого сделать. Так что, действительно, это фантастическая комбинация, и она создает очень хорошие отношения с Европейским космическим агентством, и я думаю, что мы только начинаем превращаться в нечто гораздо большее».

Следующий спутник GHG, Hugo, проходит испытания и, как ожидается, будет запущен в конце этого года.

Компания недавно получила 30 млн долларов в виде дополнительного финансирования, которое позволяет ей построить три космических корабля, которые будут следовать за Hugo на орбиту.

Глобальная проблема метана. В чем сложность его учета?

Бюджет метана

Метан является мощным парниковым газом и является вторым по величине фактором глобального потепления, вызванным деятельностью человека, после CO₂. На единицу массы метан в 84–86 раз сильнее, чем CO₂ за 20 лет и в 28–34 раза сильнее за 100 лет.

Глобальный бюджет метана позволяет отслеживать, откуда происходят выбросы, сколько поглощается «стоками» и, следовательно, сколько остается в атмосфере.

Бюджет метана — это инициатива Глобального углеродного проекта (GCP), международной исследовательской программы, которая направлена ​​на «создание полной картины глобального углеродного цикла». Основанный в 2001 году, GCP предоставляет ежегодную обновленную информацию о глобальных выбросах углерода.

С метаном «все немного сложнее», — объясняет доктор Мариэль Саунуа, доцент Версальского университета Сен-Кантен во Франции, которая возглавляет глобальный бюджет метана. Сложность отчасти объясняется тем, что для создания бюджета метана нужны длительные прогоны модели, которые требуют времени. Чтобы обновлять данные каждый год у научного сообщества, потребовалось бы слишком много ресурсов. В результате бюджет метана обновляется каждые два-три года.

Третья публикация появилась в техническом документе в журнале Earth System Science Data и в сопроводительном «перспективном» документе в журнале Environmental Research Letters.

Двойные подходы к бюджету метана

Глобальный баланс метана использует два разных подхода к оценке источников и стоков.

• Первый подход — «восходящий», который фокусируется на выбросах метана у источника. При этом используются данные о выбросах, которые представляются отдельными странами в национальных кадастрах парниковых газов в ООН. Эти кадастры охватывают антропогенные источники, такие как использование ископаемого топлива, животноводство, выращивание риса и свалки.

  Эти оценки суммируются с моделированием других источников метана, таких как водно-болотные угодья, лесные пожары и термиты. Например, спутниковые данные о глобальной площади, сожженной пожарами, сочетаются с моделями, которые «учитывают тип сожженной растительности, выжженную поверхность и продолжительность пожара, а также тип пожара», — объясняет Сонуа.
  

• Второй подход называется «сверху вниз». Это начинается с наблюдений за концентрациями метана в глобальном масштабе и работает в обратном направлении, используя моделирование, чтобы оценить, где они возникли.

Ни один из подходов не является безупречным, и эти два метода, по словам ученых, «несовместимы». Но у двойного подхода есть свои преимущества. Нисходящий метод, уверяет доктор Сануа, «является более надежной оценкой глобального общего объема» выбросов метана, однако восходящие оценки используются для определения выбросов в конкретных регионах и секторах.

Например, выбросы водно-болотных угодий и пресной воды особенно сложно оценить, что означает «существенное расхождение» между нисходящими и восходящими числами, говорит Сануа. В частности это связано с тем, что источники пересекаются, добавляет она, и, следовательно, их можно отнести к более чем одной категории.

Где больше всего метана?

Исследователи говорят, что в трех регионах — Африке и Ближнем Востоке, Китае, Южной Азии и Океании — наблюдается наибольший рост выбросов метана. В каждом случае выбросы выросли на 10–15 млн тонн между средним показателем 2000–2006 и 2017 годов.

Следующим по величине был рост на 5,0–6,7 млн ​​тонн в Северной Америке, и, как показывает бюджет, в основном за счет увеличения на 4,4–5,1 млн тонн в США.

Напротив, в Европе наблюдалось небольшое сокращение выбросов, примерно на 1,6–4,3 млн тонн, в основном из-за меньшего количества выбросов от сельского хозяйства.

Это противоречит тенденции, наблюдаемой в других регионах, при этом увеличение сельскохозяйственных выбросов является основной причиной увеличения общих выбросов в Африке, Южной Азии и Океании.

Что касается ископаемого топлива, наибольший рост выбросов метана — 5–12 млрд тонн — был зарегистрирован в Китае, при этом в Северной Америке, Африке, Южной Азии и Океании наблюдался рост на 4–6 млн тонн. Выбросы метана, связанные с ископаемым топливом, в США увеличились на 3,4–4,0 млн тонн.

И все же стоит учитывать, что недавние исследования показали: несмотря на огромные цифры, выбросы метана от ископаемого топлива были «сильно недооценены».

С нами ставить метан — выгодно!

С нами ставить метан — выгодно!

Пока цены на пропан лихорадит, самое время взяться за установку метана, с этим видом топлива всё как всегда стабильно — прайс на CNG глаз радует.

А мы хотим радовать наших клиентов, поэтому установили прайс на метановые комплекты с баллоном Sinoma по цене комплектов с баллоном Lite.

Комплекты принимающие участие в акции: Установочный к-т CNG OMVL DREAM-4 (EVO 195KW, Gemini) + Баллон 90L SINOMA, Установочный к-т CNG OMVL DREAM-4 OBD (EVO 195KW, Gemini) + Баллон 90L LITE , Установочный к-т CNG SAVER-4 (EVO\AT12, GEMINI\SL) + Баллон 90L.

 

А чтобы баллон, вентиль и магистрали газобаллонного оборудования были защищены от повреждений(1) и выглядели более эстетично мы предлагаем кожухи изготовленные из АБС пластика.

Механика установки кожуха:

Установка кожуха на большинство моделей легковых автомобилей с кузовом седан происходит следующим образом. Нижняя часть крепится к кронштейну (раме) баллона, верхняя часть к усилителю полки заднего стекла и заднего сиденья. 

Установка на универсалы, хэтчбеки, лифтбеки, а также Renault LOGAN отличается. В комплекте с кожухами поставляются специальные скобы, которые крепятся на хомуты (обжимные ленты) баллона. Кожух фиксируется саморезами внизу к кронштейну (раме) баллона, верхняя часть к скобам. 

(1) Согласно действующих правил, запрещается эксплуатация баллонов (ТИП 2 и ТИП 3) на композитной оболочке которых имеются продольные риски длиной более 25 мм, глубиной более 1,25 мм или длиной более 200 мм, глубиной более 0,75 мм. При установке баллона без защитного кожуха, получить подобные повреждения композитного слоя (это пластик) достаточно легко, например, при погрузке габаритных вещей, при транспортировке груза.

Сжиженный шахтный метан – альтернативный вид топлива

Н.Г.Кириллов, к.т.н., Военный инженерно-космический университет, Санкт-Петербург

В связи с истощением запасов нефти и ужесточением требований к экологии автотранспорта все большую актуальность приобретают вопросы создания и внедрения на автомобильном транспорте альтернативных моторных топлив. Одним из новых направлений в этом отношении представляется использование шахтного метана в качестве моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств.

Практика применения сжатого (до 20 МПа) шахтного метана в качестве моторного топлива для автомобилей имеет достаточно давнюю историю. К 1990 году в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов угольных регионов страны.

Анализ зарубежных исследований показывает, что выброс токсичных составляющих (г/км) в окружающую атмосферу при замене бензина на шахтный метан в зависимости от типа автомобиля снижается по оксиду углерода в 5–10 раз, углеводородам – в 3 раза, окислам азота – в 1.5–2.5 раза, полиароматических углеводородов – в 10 раз, дымности – в 8–10 раз.

В ряде стран, среди которых Чехия, Англия, США, Польша, утилизируется практически весь попутный шахтный газ. В Германии утилизируется более 200 млн.м3/год (70%) каптируемого газа, который применяется на ТЭС, в шахтных котельных, для подогрева доменных коксовых печей. Прогнозируется, что добыча шахтного газа в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96–135 млрд.м3.

Общие ресурсы шахтного метанасодержащего газа в угольных пластах России составляют по различным источникам 48–65 трлн.м3 с учетом восточных и северо-восточных бассейнов. Ежегодно в России дегазационными установками из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу более 900 млн. м3 шахтного газа. Однако в России шахтный газ в незначительных объемах (47 млн.м3/год) используется лишь в Печерском бассейне, и только в последние годы работы по промышленному получению и применению шахтного газа начаты в Кузнецком и Донецком бассейнах [1].

Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98%. В качестве моторного топлива целесообразно применять шахтный метан – шахтный газ с высоким содержанием метана (до 98%). Наиболее перспективным направлением получения шахтного метана является метод добычи шахтного газа вне полей действующих шахт, путем бурения с поверхности специальных скважин с применением искусственных методов повышения газопроницаемости угольных пластов (гидроразрыв, кавитация, специальные методы обработки и т.д.). Например, в США за период 1988–2000 гг. добыча шахтного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд.м3 до 40 мрлд.м3, и в будущем ожидается удвоение этих объемов.

В качестве моторного топлива шахтный метан может применяться в автомобильных двигателях в сжатом (компримированном) или в сжиженном (криогенном) состоянии.

При этом сжатый шахтный метан как моторное топливо имеет ряд недостатков, которые в значительной мере сдерживают его широкое применение:

•    необходимость использования баллонов высокого давления для хранения компримированного газа, что приводит к значительному увеличению веса топливной системы двигателя;

•    снижение дальности пробега автомобиля на одной заправке;

•    повышенная опасность газобаллонной аппаратуры высокого давления;

•    необходимость выполнения периодического освидетельствования оборудования, работающего под высоким давлением и т. д.

Вышеперечисленные недостатки могут быть устранены при использовании в качестве моторного топлива сжиженного шахтного метана (СШМ). Сжижение уменьшает объем газа почти в 600 раз, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, снизить массу системы хранения шахтного метана на автомобиле в 2–4 раза, а объем – в 1.5–3 раза. Так, например, для грузового автомобиля ЗИЛ-138А, конвертированного на СШМ и оборудованного криогенной емкостью объемом 300 л, пробег на одной заправке увеличивается в 1.8 раз, а суммарная масса оборудования и топлива уменьшается почти на 600 кг по сравнению с тем же автомобилем, работающим на сжатом шахтном метане.

Сжижение шахтного метана происходит при достаточно низкой криогенной температуре (–162°С) и низком давлении (0.1 МПа). Поэтому до настоящего времени отсутствовала сравнительно дешевая технология получения СШМ.

Проведенные автором исследования по созданию индивидуальных и гаражных заправочных станций сжиженного природного газа показали, что наиболее эффективной технологией получения СШМ является применение стирлинг-технологий [2, 3], в основе которых лежит идея создания установок по сжижению метаносодержащих газов с применением работающих по циклу Стирлинга криогенных газовых машин (КГМ). Криогенные газовые машины Стирлинга представляют собой криогенераторы, основанные на принципе внешнего охлаждения, и предназначены для ожижения газов, температура конденсации которых не ниже –200°С. КГМ Стирлинга наиболее эффективны в области температуры –162°С, то есть именно той температуры, при которой происходит фазовый переход газообразного шахтного метана в жидкость [4].

Процесс ожижения шахтного метана в КГМ Стирлинга идет при атмосферном давлении, без его предварительного сжатия. Это позволяет делать установки по сжижению метана компактными и простыми в обслуживании. Важной особенностью КГМ Стирлинга является возможность сжижения 100% подаваемого газа низкого давления, в отличие от ожижителей традиционного типа (дроссельно-детандерных установок и вихревых труб), для работы которых необходимо высокое давление и наличие продукционных газопроводов для сброса несжижившейся части (до 97%) первичного газа.

В настоящее время в России серийно выпускаются и эксплуатируются несколько модификаций КГМ Стирлинга, которые входят в состав воздухоразделительных установок ЗИФ-700, ЗИФ-1002, ЗИФ-2002 и АжКж-0. 05. Производительность по сжиженному шахтному метану указанных КГМ Стирлинга находится в пределах от 14 до 70 л/ч.

В диапазоне такой производительности зарубежными аналогами являются одно- и четырехцилиндровые криогенераторы SGL-1 и SGL-4 фирмы Stirling Cryogenics & Refrigeratio, позволяющие получать 19 и 80 л/ч СШМ, соответственно. Кроме того, фирмами Philips и Werkspoor освоено серийное производство более мощных многоцилиндровых КГМ Стирлинга с производительностью до 700 л/ч СШМ.

Широкий диапазон производительности существующих КГМ Стирлинга позволяет создавать различные по своему функциональному назначению станции по производству и заправке автотранспорта угольных регионов сжиженным шахтным метаном. На основе стирлинг-технологий могут быть созданы:

•    индивидуальные пункты с производительностью до 40 л/ч СШМ;

•    гаражные заправочные станции производительностью до 700 л/ч СШМ;

•    городские (муниципальные) комплексы по сжижению шахтного метана производительностью свыше 1 т/ч СШМ.

Создание заправочных станций по производству СШМ производительностью до 500 л/ч предполагается только за счет использования КГМ Стирлинга. Для привода КГМ Стирлинга возможно использование как штатных электродвигателей, так и газовых двигателей (двигателей внутреннего сгорания или двигателей Стирлинга). Последние позволят обеспечить полную автономность заправочных станций СШМ от внешнего электроснабжения [5].

При создании установок с производительностью свыше 1 т/ч СШМ предполагается использовать как традиционные способы сжижения на основе дроссельно-детандерного цикла и вихревого эффекта (трубка Ранка), так и новый цикл сжижения природного газа (ПГ), основанный на принципе комбинированного внутреннего и внешнего охлаждения ПГ [6,7]. Внутреннее охлаждение достигается за счет изобарного расширения шахтного метана и его частичного ожижения, после чего неожиженная часть, представленная в виде насыщенных паров низкого давления, подвергается внешнему охлаждению в конденсаторе КГМ Стирлинга.

Необходимо отметить, что газобаллонное оборудование автомобиля, работающего на сжиженном шахтном метане, полностью соответствует оборудованию автомобиля, который работает на сжиженном природном газе.

На рис. 1 представлена принципиальная схема ожижительной установки, реализующая способ получения дешевого и экологически чистого горючего – сжиженного шахтного метана. Шахтный газ из скважины 1 с помощью компрессора 2 подается в блок очистки 3, где очищается от воздуха и других примесей. Остаточные примеси шахтного метаносодержащего газа (Н2О, СО2 и др.) отделяются в вымораживателе 4. В конденсаторе 6 криогенной машины Стирлинга 5 сухой и чистый шахтный метан сжижается за счет внешнего охлаждения и самотеком по линии слива 7 поступает в емкость 8 для хранения сжиженного шахтного метана. Для поддержания равного давления в газовой полости емкости 8 для хранения сжиженного шахтного метана и в конденсаторе 6 предусмотрена перемычка 9 с обратным клапаном 10, соединяющая газовую полость емкости 8 с вымораживателем 4.

Использование заправочных станций СШМ на основе КГМ Стирлинга, расположенных на территории потенциального потребителя, позволяет ежедневно заправлять транспорт перед выходом его в рейс, а после возвращения в парк сливать остаток жидкого топлива в накопительную емкость заправочной станции. В результате отпадает необходимость в баках с вакуумной изоляцией и вместо нее можно использовать другие, более дешевые виды тепловой изоляции.

На рис. 2 представлен один из вариантов новых криогенных баков для автотранспортных средств.

При эксплуатации во внутреннюю оболочку 1, изготовленную из алюминиевого сплава, заливается криогенное моторное топливо. Для изоляции топлива от внешних теплопритоков предусмотрен основной слой теплоизоляции 2, состоящий из пенополиуретана. Для дальнейшего уменьшения количества теплопритоков поверх пенополиуретанового слоя 2 накладывается дополнительный слой теплоизоляции 3, изготовленный из композиционного материала, например, стеклопластика или армированного стекловолокна. При эксплуатации транспортных средств прочный теплоизолирующий слой 3, играя роль герметичной защитной оболочки, предотвращает механическое разрушение пенополиуретанового теплоизоляционного слоя 2 и попадания в него влаги.

Широкое использование стирлинг-технологий и новых криогенных баков позволит:

•    уже в ближайшее время обеспечить рынок России и стран СНГ достаточно дешевым и высокоэффективным оборудованием для производства СШМ и перевода автотранспорта угольных регионов на экологически чистый и дешевый вид моторного топлива – сжиженный шахтный метан;

•    обеспечить конкурентоспособность газозаправочной техники на СШМ по отношению с традиционной;

•    гарантировать устойчивое, надежное снабжение автотранспортных средств газовым топливом;

•    проводить автопредприятиями угольных регионов и отдельными шахтами независимую политику поэтапного перевода автотранспортного парка на дешевое и экологически чистое моторное топливо;

•    создать индивидуальные и гаражные заправочные станции производства СШМ при сравнительно небольших капитальных и эксплуатационных затратах, что обеспечит привлечение средств мелких и средних инвесторов;

•    стимулировать предварительную дегазацию угольных пластов и обеспечить ее окупаемость, снизить опасность угольных полей по внезапным выбросам и взрывам газа.

Использование шахтного метана в качестве моторного топлива является наиболее приоритетным направлением в решении проблемы утилизации шахтного газа и в полной мере соответствует принятым странами-участниками Киотского протокола решениям, определяющим значительное сокращение выбросов парниковых газов в XXI веке.  

Журнал «Горная Промышленность» №1 2002

Обзор парниковых газов | Агентство по охране окружающей среды США

На этой странице:

Общие выбросы в США в 2019 году = 6,558 миллионов метрических тонн эквивалента CO2 (без учета земельного сектора). Сумма процентов может не составлять 100% из-за независимого округления.

Изображение большего размера для сохранения или печати

Газы, удерживающие тепло в атмосфере, называются парниковыми газами. В этом разделе представлена ​​информация о выбросах и удалении основных парниковых газов в атмосферу и из нее.Для получения дополнительной информации о других факторах воздействия климата, таких как черный углерод, посетите страницу «Индикаторы изменения климата: воздействие на климат».

6,457 миллионов метрических тонн CO

₂ : Что это означает?

Объяснение единиц:

Один миллион метрических тонн равен примерно 2,2 миллиардам фунтов или 1 триллиону граммов. Для сравнения: небольшой автомобиль, вероятно, будет весить чуть больше 1 метрической тонны. Таким образом, миллион метрических тонн примерно равен массе 1 миллиона небольших автомобилей!

The U.S. В инвентаризации используются метрические единицы для согласованности и сопоставимости с другими странами. Для справки: метрическая тонна немного больше (примерно на 10%), чем американская «короткая» тонна.

Выбросы парниковых газов часто измеряются в эквиваленте двуокиси углерода (CO ₂ ). Чтобы преобразовать выбросы газа в эквивалент CO ₂ , его выбросы умножаются на потенциал глобального потепления (GWP) газа. ПГП учитывает тот факт, что многие газы более эффективно нагревают Землю, чем CO ₂ на единицу массы.

Значения GWP, отображаемые на веб-страницах по выбросам, отражают значения, используемые в реестре США, которые взяты из Четвертого оценочного отчета МГЭИК (AR4). Для дальнейшего обсуждения ПГП и оценки выбросов ПГ с использованием обновленных ПГП см. Приложение 6 Реестра США и обсуждение ПГП МГЭИК (PDF) (106 стр., 7,7 МБ).

• Двуокись углерода (CO ₂ ) : Двуокись углерода попадает в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива (угля, природного газа и нефти), твердых отходов, деревьев и других биологических материалов, а также в результате определенных химических реакций. (е.г., производство цемента). Углекислый газ удаляется из атмосферы (или «улавливается»), когда он поглощается растениями в рамках биологического цикла углерода.
• Метан (CH ₄ ) : Метан выделяется при добыче и транспортировке угля, природного газа и нефти. Выбросы метана также возникают в результате животноводства и других методов ведения сельского хозяйства, землепользования и разложения органических отходов на полигонах твердых бытовых отходов.
• Закись азота (N ₂ O) : Закись азота выделяется во время сельского хозяйства, землепользования, промышленной деятельности, сжигания ископаемого топлива и твердых отходов, а также при очистке сточных вод.
• Фторированные газы : Гидрофторуглероды, перфторуглероды, гексафторид серы и трифторид азота являются синтетическими мощными парниковыми газами, которые выбрасываются в результате различных промышленных процессов. Фторированные газы иногда используются в качестве заменителей стратосферных озоноразрушающих веществ (например, хлорфторуглеродов, гидрохлорфторуглеродов и галонов). Эти газы обычно выбрасываются в меньших количествах, но поскольку они являются мощными парниковыми газами, их иногда называют газами с высоким потенциалом глобального потепления («газы с высоким ПГП»).

Воздействие каждого газа на изменение климата зависит от трех основных факторов:

Сколько находится в атмосфере?

Концентрация или изобилие — это количество определенного газа в воздухе. Более высокие выбросы парниковых газов приводят к более высоким концентрациям в атмосфере. Концентрации парниковых газов измеряются в частях на миллион, частях на миллиард и даже частях на триллион. Одна часть на миллион эквивалентна одной капле воды, растворенной примерно в 13 галлонах жидкости (примерно в топливном баке компактного автомобиля).Чтобы узнать больше о возрастающих концентрациях парниковых газов в атмосфере, посетите страницу «Индикаторы изменения климата: атмосферные концентрации парниковых газов».

Как долго они остаются в атмосфере?

Каждый из этих газов может оставаться в атмосфере в течение разного времени, от нескольких лет до тысяч лет. Все эти газы остаются в атмосфере достаточно долго, чтобы хорошо перемешаться, а это означает, что количество, измеряемое в атмосфере, примерно одинаково во всем мире, независимо от источника выбросов.

Насколько сильно они влияют на атмосферу?

Некоторые газы более эффективны, чем другие, согревая планету и «сгущают земное покрывало».

Для каждого парникового газа был рассчитан потенциал глобального потепления (ПГП), отражающий, как долго он в среднем остается в атмосфере и насколько сильно он поглощает энергию. Газы с более высоким ПГП поглощают больше энергии на фунт, чем газы с более низким ПГП, и, таким образом, вносят больший вклад в нагревание Земли.

Примечание. Все оценки выбросов взяты из Реестра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990–2019 гг.

Выбросы двуокиси углерода

Двуокись углерода (CO ₂ ) является основным парниковым газом, выбрасываемым в результате деятельности человека. В 2019 году на CO ₂ приходилось около 80 процентов всех выбросов парниковых газов в США в результате деятельности человека. Углекислый газ естественным образом присутствует в атмосфере как часть углеродного цикла Земли (естественная циркуляция углерода в атмосфере, океанах, почве, растениях и животных).Деятельность человека изменяет углеродный цикл — как путем добавления в атмосферу большего количества CO ₂ , так и путем воздействия на способность естественных поглотителей, таких как леса и почвы, удалять и накапливать CO ₂ из атмосферы. В то время как выбросы CO ₂ происходят из различных естественных источников, выбросы, связанные с деятельностью человека, являются причиной увеличения, которое произошло в атмосфере после промышленной революции. ²

Примечание: все оценки выбросов из реестра U.S. Выбросы и сток парниковых газов: 1990–2019 гг. (Без земельного сектора).

Изображение большего размера для сохранения или печати

Основным видом деятельности человека, в результате которого выделяется CO ₂ , является сжигание ископаемого топлива (уголь, природный газ и нефть) для производства энергии и транспорта, хотя при определенных промышленных процессах и изменениях в землепользовании также выделяется CO ₂ . Основные источники выбросов CO ₂ в США описаны ниже.

• Транспорт . Сжигание ископаемого топлива, такого как бензин и дизельное топливо, для перевозки людей и грузов было крупнейшим источником выбросов CO ₂ в 2019 году, что составляет около 35 процентов от общего количества U. S. CO ₂ выбросов и 28 процентов от общих выбросов парниковых газов в США. В эту категорию входят такие источники транспорта, как автомобильные и пассажирские транспортные средства, авиаперелеты, морские перевозки и железнодорожный транспорт.
• Электроэнергия . Электричество является важным источником энергии в Соединенных Штатах и ​​используется для питания домов, бизнеса и промышленности. В 2019 году сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии было вторым по величине источником выбросов CO ₂ в стране, что составляет около 31 процента от общего количества U.S. CO ₂ выбросов и 24 процента от общего объема выбросов парниковых газов в США. Типы ископаемого топлива, используемого для выработки электроэнергии, выделяют разное количество CO ₂ . Для производства определенного количества электроэнергии при сжигании угля будет выделяться больше CO ₂ , чем природного газа или нефти.
• Промышленность . Многие промышленные процессы выделяют CO ₂ в результате потребления ископаемого топлива. Некоторые процессы также производят выбросы CO ₂ в результате химических реакций, не связанных с горением, и примеры включают производство минеральных продуктов, таких как цемент, производство металлов, таких как железо и сталь, и производство химикатов.На сжигание ископаемого топлива в различных промышленных процессах приходилось около 16 процентов от общих выбросов CO ₂ в США и 13 процентов от общих выбросов парниковых газов в США в 2019 году. Многие промышленные процессы также используют электричество и, следовательно, косвенно приводят к выбросам CO ₂ от электричества. поколение.

Углекислый газ постоянно обменивается между атмосферой, океаном и поверхностью суши, поскольку он продуцируется и поглощается многими микроорганизмами, растениями и животными.Однако выбросы и удаление CO ₂ в результате этих естественных процессов имеют тенденцию к уравновешиванию, без антропогенного воздействия. С тех пор, как примерно в 1750 году началась промышленная революция, деятельность человека внесла существенный вклад в изменение климата, добавив в атмосферу CO ₂ и другие улавливающие тепло газы.

В Соединенных Штатах с 1990 года управление лесами и другими землями (например, пахотные земли, луга и т. Д.) Действовало как чистый сток CO ₂ , что означает, что больше CO ₂ удаляется из атмосфере и хранится в растениях и деревьях, чем выбрасывается.Это компенсация поглотителя углерода составляет около 12 процентов от общего объема выбросов в 2019 году и более подробно обсуждается в разделе «Землепользование, изменения в землепользовании и лесное хозяйство».

Чтобы узнать больше о роли CO ₂ в потеплении атмосферы и его источниках, посетите страницу «Индикаторы изменения климата».

Выбросы и тенденции

Выбросы углекислого газа в США увеличились примерно на 3 процента в период с 1990 по 2019 год. Поскольку сжигание ископаемого топлива является крупнейшим источником выбросов парниковых газов в Соединенных Штатах, изменения в выбросах от сжигания ископаемого топлива исторически были доминирующим фактором. влияющие на общий U.Тенденции выбросов S. На изменения выбросов CO ₂ в результате сжигания ископаемого топлива влияют многие долгосрочные и краткосрочные факторы, включая рост населения, экономический рост, изменение цен на энергоносители, новые технологии, изменение поведения и сезонные температуры. В период с 1990 по 2019 год увеличение выбросов CO ₂ соответствовало увеличению использования энергии растущей экономикой и населением, включая общий рост выбросов в результате увеличения спроса на поездки.

Примечание: все оценки выбросов из реестра U.S. Выбросы и стоки парниковых газов: 1990–2019 гг.

Изображение большего размера для сохранения или печати

Снижение выбросов углекислого газа

Самый эффективный способ сократить выбросы CO ₂ — снизить потребление ископаемого топлива. Многие стратегии сокращения выбросов CO ₂ от энергетики являются сквозными и применимы к домам, предприятиям, промышленности и транспорту.

EPA принимает разумные регулирующие меры для сокращения выбросов парниковых газов.

Примеры возможностей сокращения выбросов двуокиси углерода

Стратегия	Примеры сокращения выбросов
Энергоэффективность	Улучшение теплоизоляции зданий, использование более экономичных транспортных средств и использование более эффективных электроприборов — все это способы сократить потребление энергии и, следовательно, выбросы CO 2 .
Энергосбережение	Снижение личного потребления энергии за счет выключения света и электроники, когда они не используются, снижает потребность в электроэнергии. Сокращение пройденного расстояния в транспортных средствах снижает потребление бензина. Оба способа сократить выбросы CO 2 за счет энергосбережения. Узнайте больше о том, что вы можете делать дома, в школе, в офисе и в дороге, чтобы экономить энергию и сокращать выбросы углекислого газа.
Переключение топлива	Производство большего количества энергии из возобновляемых источников и использование топлива с более низким содержанием углерода являются способами сокращения выбросов углерода.
Улавливание и связывание углерода (CCS)	Улавливание и связывание диоксида углерода — это набор технологий, которые потенциально могут значительно сократить выбросы CO 2 от новых и существующих угольных и газовых электростанций, промышленных процессов и других стационарных источников CO 2 .Например, улавливание CO 2 из дымовых труб угольной электростанции до того, как он попадет в атмосферу, транспортировка CO 2 по трубопроводу и закачка CO 2 глубоко под землю в тщательно выбранные и подходящие геологические геологические условия. формация, такая как близлежащее заброшенное нефтяное месторождение, где она надежно хранится. Узнайте больше о CCS.
Изменения в землепользовании и практике управления земельными ресурсами	Узнайте больше о землепользовании, изменении землепользования и лесном хозяйстве.

¹ Атмосферный CO ₂ является частью глобального углеродного цикла, и поэтому его судьба является сложной функцией геохимических и биологических процессов. Часть избыточного углекислого газа будет быстро поглощаться (например, поверхностью океана), но часть останется в атмосфере в течение тысяч лет, отчасти из-за очень медленного процесса переноса углерода в океанические отложения.

² IPCC (2013).Изменение климата 2013: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. [Stocker, T. F., D. Qin, G.-K. Платтнер, М. Тиньор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэльс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Мидгли (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1585 стр.

Выбросы метана

В 2019 году на метан (CH ₄ ) приходилось около 10 процентов всего U.S. Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека. Деятельность человека с выбросом метана включает утечки из систем природного газа и разведение домашнего скота. Метан также выделяется из естественных источников, таких как естественные водно-болотные угодья. Кроме того, естественные процессы в почве и химические реакции в атмосфере помогают удалить из атмосферы CH ₄ . Время жизни метана в атмосфере намного короче, чем у углекислого газа (CO ₂ ), но CH ₄ более эффективно улавливает излучение, чем CO ₂ .Фунт за фунт, сравнительное влияние CH ₄ в 25 раз больше, чем CO ₂ за 100-летний период. ¹

В глобальном масштабе 50-65 процентов общих выбросов CH ₄ приходится на деятельность человека. ^{2, 3} Метан выделяется в результате деятельности в сфере энергетики, промышленности, сельского хозяйства, землепользования и обращения с отходами, описанных ниже.

• Сельское хозяйство . Домашний скот, такой как крупный рогатый скот, свиньи, овцы и козы, вырабатывает CH ₄ как часть нормального процесса пищеварения.Кроме того, при хранении или обработке навоза в отстойниках или резервуарах для хранения образуется CH ₄ . Поскольку люди выращивают этих животных для еды и других продуктов, выбросы считаются связанными с деятельностью человека. Если объединить выбросы домашнего скота и навоза, сельскохозяйственный сектор является крупнейшим источником выбросов CH ₄ в Соединенных Штатах. Для получения дополнительной информации см. Главу «Реестр выбросов и стоков парниковых газов в США» «Сельское хозяйство». Хотя это не показано и менее значимо, выбросы CH ₄ также происходят в результате землепользования и деятельности по управлению земельными ресурсами в секторе землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства (e. грамм. лесные и пастбищные пожары, разложение органических веществ на прибрежных заболоченных территориях и т. д.).
• Энергетика и промышленность . Системы природного газа и нефти являются вторым по величине источником выбросов CH ₄ в США. Метан — это основной компонент природного газа. Метан выбрасывается в атмосферу при добыче, переработке, хранении, транспортировке и распределении природного газа, а также при производстве, переработке, транспортировке и хранении сырой нефти.Добыча угля также является источником выбросов CH ₄ . Для получения дополнительной информации см. Раздел «Реестр выбросов и стоков парниковых газов в США» , посвященный системам природного газа и нефтяным системам.
• Домашние и деловые отходы . Метан образуется на свалках при разложении отходов и при очистке сточных вод. Свалки являются третьим по величине источником выбросов CH ₄ в США. Метан также образуется при очистке бытовых и промышленных сточных вод, при компостировании и анэробном сбраживании. Для получения дополнительной информации см. Главу «Реестр выбросов парниковых газов и сточных вод США Отходы».

Метан также выделяется из ряда природных источников. Природные водно-болотные угодья являются крупнейшим источником выбросов CH ₄ от бактерий, разлагающих органические материалы в отсутствие кислорода. Меньшие источники включают термиты, океаны, отложения, вулканы и лесные пожары.

Чтобы узнать больше о роли CH ₄ в потеплении атмосферы и его источниках, посетите страницу «Индикаторы изменения климата».

Выбросы и тенденции

Выбросы метана в Соединенных Штатах снизились на 15 процентов в период с 1990 по 2019 год. За этот период времени выбросы увеличились из источников, связанных с сельскохозяйственной деятельностью, в то время как выбросы снизились из источников, связанных со свалками, добычей угля, а также из систем природного газа и нефти.

Примечание: все оценки выбросов из Реестра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990-2019 . В этих оценках используется потенциал глобального потепления для метана, равный 25, на основании требований к отчетности в соответствии с Рамочной конвенцией Организации Объединенных Наций об изменении климата.

Изображение большего размера для сохранения или печати

Сокращение выбросов метана

Есть несколько способов сократить выбросы CH ₄ . Некоторые примеры обсуждаются ниже. EPA имеет ряд добровольных программ по сокращению выбросов CH ₄ в дополнение к нормативным инициативам. EPA также поддерживает Глобальную инициативу по метану, международное партнерство, поощряющее глобальные стратегии сокращения выбросов метана.

Примеры возможностей сокращения выбросов метана

Источник выбросов	Как снизить выбросы
Промышленность	Модернизация оборудования, используемого для добычи, хранения и транспортировки нефти и природного газа, может уменьшить многие утечки, которые способствуют выбросам CH 4 . Метан угольных шахт также можно улавливать и использовать для получения энергии. Узнайте больше о программе EPA Natural Gas STAR и программе охвата метана из угольных пластов.
Сельское хозяйство	Метан от методов обращения с навозом можно уменьшить и улавливать путем изменения стратегии обращения с навозом. Кроме того, изменение практики кормления животных может снизить выбросы в результате кишечной ферментации. Узнайте больше об улучшенных методах обращения с навозом в программе EPA AgSTAR.
Домашние и деловые отходы	Поскольку выбросы CH 4 из свалочного газа являются основным источником выбросов CH 4 в Соединенных Штатах, меры контроля выбросов, которые улавливают выбросы CH 4 , являются эффективной стратегией сокращения.Узнайте больше об этих возможностях и программе EPA по распространению метана на свалках.

Список литературы

¹ IPCC (2007). Изменение климата 2007: основы физических наук . Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . [С. Соломон, Д. Цинь, М. Мэннинг, З. Чен, М. Маркиз, К.Б. Аверит, М. Тиньор и Х. Л. Миллер (ред.)]. Издательство Кембриджского университета.Кембридж, Соединенное Королевство 996 стр.
² IPCC (2013). Изменение климата 2013: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. [Stocker, T. F., D. Qin, G.-K. Платтнер, М. Тиньор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэльс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Мидгли (ред.)]. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1585 стр.
³ Глобальный углеродный проект (2019).

Выбросы оксида азота

В 2019 году на закись азота (N ₂ O) приходилось около 7 процентов всех выбросов парниковых газов в США в результате деятельности человека. Деятельность человека, такая как сельское хозяйство, сжигание топлива, удаление сточных вод и промышленные процессы, увеличивает количество N ₂ O в атмосфере. Закись азота также естественным образом присутствует в атмосфере как часть круговорота азота Земли и имеет множество природных источников. Молекулы закиси азота остаются в атмосфере в среднем 114 лет, прежде чем удаляются стоком или разрушаются в результате химических реакций.Воздействие 1 фунта N ₂ O на нагревание атмосферы почти в 300 раз превышает воздействие 1 фунта углекислого газа. ¹

Примечание: все оценки выбросов из Реестра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990–2019 гг. (Без учета земельного сектора).

Изображение большего размера для сохранения или печати

В глобальном масштабе около 40 процентов от общего объема выбросов N ₂ O приходится на деятельность человека. ² Закись азота выбрасывается в результате сельского хозяйства, землепользования, транспорта, промышленности и других видов деятельности, описанных ниже.

• Сельское хозяйство . Закись азота может образовываться в результате различных мероприятий по управлению сельскохозяйственными почвами, таких как внесение синтетических и органических удобрений и другие методы земледелия, обработка навоза или сжигание сельскохозяйственных остатков. Обработка сельскохозяйственных земель является крупнейшим источником выбросов N ₂ O в Соединенных Штатах, что составляет около 75 процентов от общих выбросов N ₂ O в США в 2019 году. Хотя это не показано и менее значимо, выбросы N ₂ O также возникают в результате землепользования и деятельности по управлению земельными ресурсами в секторе землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства (например,грамм. лесные пожары и пожары на пастбищах, внесение синтетических азотных удобрений в городские почвы (например, газоны, поля для гольфа) и лесные угодья и т. д.).
• Сжигание топлива. Закись азота выделяется при сжигании топлива. Количество N ₂ O, выделяемое при сжигании топлива, зависит от типа топлива и технологии сжигания, технического обслуживания и методов эксплуатации.
• Промышленность. Закись азота образуется как побочный продукт при производстве химических веществ, таких как азотная кислота, которая используется для производства синтетических коммерческих удобрений, и при производстве адипиновой кислоты, которая используется для производства волокон, таких как нейлон, и других синтетических продуктов.
• Отходы. Закись азота также образуется при очистке бытовых сточных вод во время нитрификации и денитрификации присутствующего азота, обычно в форме мочевины, аммиака и белков.

Выбросы закиси азота происходят естественным образом из многих источников, связанных с круговоротом азота, который представляет собой естественную циркуляцию азота в атмосфере, среди растений, животных и микроорганизмов, обитающих в почве и воде. Азот принимает различные химические формы на протяжении всего азотного цикла, включая N ₂ O.Естественные выбросы N ₂ O происходят в основном от бактерий, расщепляющих азот в почвах и океанах. Закись азота удаляется из атмосферы, когда она поглощается определенными типами бактерий или разрушается ультрафиолетовым излучением или химическими реакциями.

Чтобы узнать больше об источниках N ₂ O и его роли в потеплении атмосферы, посетите страницу «Индикаторы изменения климата».

Выбросы и тенденции

Выбросы закиси азота в США в период с 1990 по 2019 год оставались относительно неизменными.Выбросы закиси азота в результате мобильного сжигания снизились на 60 процентов с 1990 по 2019 год в результате введения стандартов контроля выбросов для дорожных транспортных средств. Выбросы закиси азота от сельскохозяйственных почв в этот период варьировались и были примерно на 9 процентов выше в 2019 году, чем в 1990 году, в основном за счет увеличения использования азотных удобрений.

Примечание. Все оценки выбросов из Реестра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990–2019 гг.

Изображение большего размера для сохранения или печати

Снижение выбросов оксида азота

Существует несколько способов снижения выбросов N ₂ O, которые обсуждаются ниже.

Примеры возможностей сокращения выбросов оксида азота

Источник выбросов	Примеры сокращения выбросов
Сельское хозяйство	На внесение азотных удобрений приходится большая часть выбросов N 2 O в Соединенных Штатах. Выбросы можно снизить за счет сокращения внесения азотных удобрений и более эффективного внесения этих удобрений, 3 , а также за счет изменения практики использования навоза на ферме.
Сжигание топлива	Закись азота является побочным продуктом сгорания топлива, поэтому снижение расхода топлива в автомобилях и вторичных источниках может снизить выбросы. Кроме того, внедрение технологий борьбы с загрязнением (например, каталитических нейтрализаторов для уменьшения количества загрязняющих веществ в выхлопных газах легковых автомобилей) также может снизить выбросы N 2 O.
Промышленность

Список литературы

¹ IPCC (2007) Изменение климата 2007: основы физических наук . Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . [С. Соломон, Д. Цинь, М. Мэннинг, З. Чен, М. Маркиз, К.Б. Аверит, М. Тиньор и Х. Л. Миллер (ред.)]. Издательство Кембриджского университета. Кембридж, Соединенное Королевство 996 стр.
² IPCC (2013). Изменение климата 2013: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. [Stocker, T.Ф., Цинь Д., Г.-К. Платтнер, М. Тиньор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэльс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Мидгли (ред.)]. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1585 стр.
³ EPA (2005). Потенциал снижения выбросов парниковых газов в лесном и сельском хозяйстве США . Агентство по охране окружающей среды США, Вашингтон, округ Колумбия, США.

Выбросы фторированных газов

В отличие от многих других парниковых газов, фторированные газы не имеют естественных источников и образуются только в результате деятельности человека.Они выбрасываются в атмосферу при их использовании в качестве заменителей озоноразрушающих веществ (например, в качестве хладагентов) и при различных промышленных процессах, таких как производство алюминия и полупроводников. Многие фторированные газы имеют очень высокий потенциал глобального потепления (ПГП) по сравнению с другими парниковыми газами, поэтому небольшие атмосферные концентрации могут иметь непропорционально большое влияние на глобальную температуру. Они также могут иметь долгую жизнь в атмосфере — в некоторых случаях — тысячи лет. Как и другие долгоживущие парниковые газы, большинство фторированных газов хорошо перемешано в атмосфере и после выброса распространяется по всему миру.Многие фторированные газы удаляются из атмосферы только тогда, когда они разрушаются солнечным светом в дальних верхних слоях атмосферы. В целом фторированные газы являются наиболее мощным и долговременным парниковым газом, выделяемым в результате деятельности человека.

Существует четыре основных категории фторированных газов: гидрофторуглероды (HFC), перфторуглероды (PFC), гексафторид серы (SF ₆ ) и трифторид азота (NF ₃ ). Ниже описаны крупнейшие источники выбросов фторсодержащих газов.

• Замена озоноразрушающих веществ. Гидрофторуглероды используются в качестве хладагентов, аэрозольных пропеллентов, вспенивающих агентов, растворителей и антипиренов. Основным источником выбросов этих соединений является их использование в качестве хладагентов, например, в системах кондиционирования воздуха как в транспортных средствах, так и в зданиях. Эти химические вещества были разработаны для замены хлорфторуглеродов (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ), поскольку они не разрушают стратосферный озоновый слой.Хлорфторуглероды и ГХФУ постепенно сокращаются в соответствии с международным соглашением, называемым Монреальским протоколом. ГФУ являются мощными парниковыми газами с высоким ПГП, и они выбрасываются в атмосферу во время производственных процессов, а также в результате утечек, обслуживания и утилизации оборудования, в котором они используются. Недавно разработанные гидрофторолефины (ГФО) представляют собой подмножество ГФУ и характеризуются коротким временем жизни в атмосфере и более низкими ПГП. HFO в настоящее время вводятся в качестве хладагентов, аэрозольных пропеллентов и пенообразователей.Закон об инновациях и производстве в США (AIM) 2020 года предписывает EPA решать проблемы ГФУ путем предоставления новых полномочий в трех основных областях: поэтапное сокращение производства и потребления перечисленных ГФУ в Соединенных Штатах на 85 процентов в течение следующих 15 лет, управление этими факторами. ГФУ и их заменители, а также способствуют переходу к технологиям следующего поколения, которые не зависят от ГФУ.
• Промышленность. Перфторуглероды производятся как побочный продукт при производстве алюминия и используются в производстве полупроводников.ПФУ обычно имеют длительный срок службы в атмосфере и ПГП около 10 000. Гексафторид серы используется при обработке магния и производстве полупроводников, а также в качестве индикаторного газа для обнаружения утечек. ГФУ-23 производится как побочный продукт производства ГХФУ-22 и используется в производстве полупроводников.
• Передача и распределение электроэнергии. Гексафторид серы используется в качестве изоляционного газа в оборудовании для передачи электроэнергии, включая автоматические выключатели. ПГП SF ₆ составляет 22 800, что делает его самым сильным парниковым газом, оцененным Межправительственной группой экспертов по изменению климата.

Чтобы узнать больше о роли фторированных газов в нагревании атмосферы и их источниках, посетите страницу «Выбросы фторированных парниковых газов».

Выбросы и тенденции

В целом выбросы фторсодержащих газов в США увеличились примерно на 86 процентов в период с 1990 по 2019 год. Это увеличение было обусловлено увеличением на 275 процентов выбросов гидрофторуглеродов (ГФУ) с 1990 года, поскольку они широко использовались в качестве заменителей. для озоноразрушающих веществ.Выбросы перфторуглеродов (ПФУ) и гексафторида серы (SF ₆ ) фактически снизились за это время благодаря усилиям по сокращению выбросов в промышленности по производству алюминия (ПФУ) и в сфере передачи и распределения электроэнергии (SF ₆ ).

Примечание. Все оценки выбросов из Реестра выбросов и стоков парниковых газов США: 1990–2019 гг.

Изображение большего размера для сохранения или печати

Сокращение выбросов фторированных газов

Поскольку большинство фторированных газов имеют очень долгое время жизни в атмосфере, потребуется много лет, чтобы увидеть заметное снижение текущих концентраций.Однако существует ряд способов уменьшить выбросы фторированных газов, описанных ниже.

Примеры возможностей восстановления фторированных газов

Источник выбросов	Примеры сокращения выбросов
Замена озоноразрушающих веществ в домах и на предприятиях	Хладагенты, используемые на предприятиях и в жилых домах, выделяют фторированные газы.Выбросы можно сократить за счет более эффективного обращения с этими газами и использования заменителей с более низким потенциалом глобального потепления и других технологических усовершенствований. Посетите сайт EPA по защите озонового слоя, чтобы узнать больше о возможностях сокращения выбросов в этом секторе.
Промышленность	Промышленные пользователи фторированных газов могут сократить выбросы за счет внедрения процессов рециркуляции и уничтожения фторированного газа, оптимизации производства для минимизации выбросов и замены этих газов альтернативными.EPA имеет следующие ресурсы для управления этими газами в промышленном секторе:
Передача и распределение электроэнергии	Гексафторид серы — это чрезвычайно мощный парниковый газ, который используется для нескольких целей при передаче электроэнергии по электросети. EPA работает с промышленностью над сокращением выбросов в рамках Партнерства по сокращению выбросов SF 6 для электроэнергетических систем, которое способствует обнаружению и ремонту утечек, использованию оборудования для рециркуляции и обучению сотрудников.
Транспорт	Гидрофторуглероды (ГФУ) выделяются в результате утечки хладагентов, используемых в системах кондиционирования воздуха транспортных средств. Утечку можно уменьшить за счет более совершенных компонентов системы и за счет использования альтернативных хладагентов с более низким потенциалом глобального потепления, чем те, которые используются в настоящее время. Стандарты EPA на легковые и тяжелые транспортные средства стимулировали производителей производить автомобили с более низким уровнем выбросов ГФУ.

Список литературы

¹ IPCC (2007) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. [С. Соломон, Д. Цинь, М. Мэннинг, З. Чен, М. Маркиз, К.Б. Аверит, М. Тиньор и Х. Л. Миллер (ред.)]. Издательство Кембриджского университета. Кембридж, Великобритания 996 с.

Факты и информация о метане

Каждый раз, когда корова отрыгивает или выделяет газ, в атмосферу доносится небольшая струйка метана.

Каждая из этих затяжек, исходящих из коровьего водопровода, вместе взятые, может иметь большое влияние на климат, потому что метан — мощный парниковый газ, примерно в 28 раз более мощный, чем углекислый газ, при нагревании Земли в 100-летнем масштабе. и более чем в 80 раз мощнее за 20 лет. Эффект не является чисто гипотетическим: после промышленной революции концентрация метана в атмосфере увеличилась более чем вдвое, и около 20 процентов потепления, которое испытала планета, можно отнести на счет газа.

В атмосфере не так уж много метана — около 1800 частей на миллиард, примерно столько же, сколько два стакана воды в бассейне. Он примерно в 200 раз менее концентрирован в атмосфере, чем углекислый газ, самый распространенный и опасный из парниковых газов. Но химическая форма метана замечательно эффективна в улавливании тепла, а это означает, что добавление немного большего количества метана в атмосферу может иметь большое влияние на то, насколько и как быстро планета нагревается.

Метан — это простой газ, состоящий из одного атома углерода с четырьмя плечами атомов водорода.Его время в атмосфере относительно скоротечно по сравнению с другими парниковыми газами, такими как CO ₂ — любая молекула метана после того, как она выбрасывается в атмосферу, длится около десяти лет, прежде чем она покинет цикл. Это небольшая отметка по сравнению с теми столетиями, когда молекула CO ₂ могла парить над поверхностью планеты. Но есть много источников метана, поэтому атмосферная нагрузка постоянно восстанавливается — или увеличивается.

Источники метана

Сегодня около 60 процентов метана в атмосфере поступает из источников, которые, по мнению ученых, вызваны деятельностью человека, а остальная часть поступает из источников, которые существовали до того, как люди начали сильно влиять на углеродный цикл.

Большая часть естественных выбросов метана происходит из заболоченного источника: водно-болотных угодий, в том числе болот. Многие микробы похожи на млекопитающих в том смысле, что они поедают органические вещества и выделяют углекислый газ, но многие из них, живущие в неподвижных, лишенных кислорода местах, таких как заболоченные заболоченные почвы, вместо этого производят метан, который затем просачивается в атмосферу. В целом, около трети всего метана, плавающего в современной атмосфере, поступает из водно-болотных угодий.

Причины и последствия изменения климата

Что вызывает изменение климата (также известное как глобальное потепление)? И каковы последствия изменения климата? Узнайте о человеческом воздействии и последствиях изменения климата для окружающей среды и нашей жизни.

Есть множество других природных источников метана. Он естественным образом просачивается из-под земли возле некоторых месторождений нефти и газа и из устьев некоторых вулканов. Он просачивается из-за тающей вечной мерзлоты в Арктике и накапливается в отложениях на мелководных, спокойных морях; он уносится прочь от горящих ландшафтов, попадая в атмосферу как CO ₂ ; и его производят термиты, поедающие груды древесного детрита. Но все эти другие природные источники, за исключением водно-болотных угодий, составляют лишь около десяти процентов от общего объема выбросов ежегодно.

Человеческие источники метана

Сегодня антропогенные источники составляют основную часть метана в атмосфере.

Коровы и другие пасущиеся животные привлекают большое внимание из-за их отрыжки и выброса метана. В желудках таких травоядных обитают микробы, которые наполняют кишечник автостопщиками, которые помогают им расщеплять и поглощать питательные вещества из жестких трав. Эти микробы производят метан в качестве отходов, который выходит из обоих концов коров. Навоз, производимый крупным рогатым скотом и другими пастбищами, также является местом, где микробы могут заниматься своим делом, производя еще больше метана.В мире насчитывается 1,4 миллиарда голов крупного рогатого скота, и это число растет по мере увеличения спроса на говядину и молочные продукты; вместе с другими пастбищными животными они вносят около 40 процентов годового бюджета метана.

Другие сельскохозяйственные предприятия также перекачивают метан в атмосферу. Рисовые поля очень похожи на водно-болотные угодья: когда они затоплены, они наполняются спокойной водой с низким содержанием кислорода, которая является естественным домом для бактерий, производящих метан. И некоторые ученые думают, что они могут увидеть момент, когда производство риса в Азии началось около 5000 лет назад, потому что концентрация метана, зафиксированная в крошечных пузырьках древнего воздуха, заключенных в ледяные керны в Антарктиде, быстро выросла.

Маленькая колба вмещает столько же метана, сколько большая, скорее в виде порошка, чем газа.

Фотография Марка Тиссена, Nat Geo Image Collection

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Метан также попадает в атмосферу при бурении нефтяных и газовых скважин. Во многих штатах и ​​странах действуют строгие правила в отношении допустимой утечки, но оказалось, что эти правила трудно обеспечить. Недавние исследования показывают, что скважины в U.Только S. производят метана примерно на 60 процентов больше, чем ранее оценивало Агентство по охране окружающей среды. Во всем мире энергетический сектор вносит около четверти годового бюджета метана.

Другой важный источник? Трата. Микробы на свалках и в центрах очистки сточных вод проглатывают детрит, который оставляют после себя люди, и в процессе выкачивают тонны метана каждый год — около 14 процентов годового следа США.

Влияние метана на климат, прошлое и будущее

Метан также мог быть причиной быстрого потепления глубоко в истории Земли, миллионы лет назад.Под высоким давлением, как и на дне океана, метан затвердевает в похожий на слякоть материал, называемый гидратом метана. Огромные количества метана «заморожены» на дне моря в этом химическом состоянии, хотя его точное количество и местонахождение все еще изучаются. Гидраты стабильны, если их не потревожит, например, струя теплой воды.

Массовое потепление, которое произошло около 55 миллионов лет назад, могло быть вызвано дестабилизированными гидратами, считают некоторые ученые.Метан просочился с морского дна в атмосферу, заполнив ее улавливающим тепло газом и заставив планету резко и быстро нагреться.

В современной атмосфере концентрация метана выросла более чем на 150 процентов с 1750 года. Неясно, будет ли этот рост продолжаться или с какой скоростью, но МГЭИК предупреждает, что необходимо контролировать выбросы метана для сохранения планета от дальнейшего потепления.

Роль микроорганизмов в круговороте метана · Границы для молодых умов

Аннотация

Вы слышали о метане? Возможно, слово метан вам не знакомо, но на самом деле этот газ широко встречается в нашей повседневной жизни, в нашей атмосфере и в Солнечной системе.Метан — это газ, который естественным образом образуется в самых разных средах и образуется при разложении органических (ранее живых) материалов. Метан эффективен в улавливании тепла, а также очень легко горит. Итак, метан — одно из важнейших видов топлива для человека. Кроме того, метан в атмосфере помогает регулировать климат на Земле. Однако количество метана в атмосфере неуклонно растет в течение последних 200 лет, что беспокоит научное сообщество.Удивительно, но недавние исследования показали, что уровень метана регулируется крошечными микробами. В этой статье мы рекомендуем вам узнать о цикле метана, микробах, производящих и потребляющих метан, а также о том, почему необходимы дополнительные исследования этого газа.

Что такое метан и почему он важен для людей?

Метан — простое соединение, состоящее из одного атома углерода и четырех атомов водорода (CH ₄ ). Метан существует в окружающей среде в виде газа и является одним из важнейших ископаемых видов топлива для человеческого общества.Когда молекула метана распадается, она выделяет тепло. Из-за этого свойства некоторые из наших домов работают на метане, который используется для приготовления пищи, нагрева воды и топлива для наших печей и каминов. Метан также можно собирать и преобразовывать в электричество, которое служит естественным источником энергии. Метан также содержится в отрыжке и пукании животных (да, вы правильно прочитали, пук!). Метан — один из самых распространенных газов, вырабатываемых в пищеварительном тракте при расщеплении пищи. Подводя итог, метан — обычный атмосферный газ.Примечательно, что производство и разложение метана на Земле — это процессы, в основе которых лежат микроорганизмы.

Микроорганизмы (микробы) — это мельчайшие известные формы жизни, невидимые невооруженным глазом. Они встречаются во всех средах обитания и экосистемах на Земле, в нашем повседневном окружении, а также в самых враждебных и экстремальных средах обитания. Хотя они чрезвычайно малы, разнообразие и изобилие микроорганизмов огромны и примечательны. По последним оценкам, 90–99% видов микробов на Земле все еще не обнаружены [1].Микробы являются основными участниками переработки органических веществ и важных питательных веществ на Земле. Они также регулируют производство и разложение некоторых атмосферных газов, включая углекислый газ, кислород, которым мы дышим, и, конечно же, метан.

Метан привлек внимание научного сообщества, поскольку его концентрация в атмосфере почти утроилась с начала промышленной революции в восемнадцатом веке. Важно отметить, что некоторые исследования показывают, что это недавнее увеличение содержания метана в атмосфере происходит быстрее по сравнению с геологическими временными масштабами.Предполагая влияние деятельности человека, связанной с выбросами метана. Проблема с повышенным содержанием метана в атмосфере заключается в том, что газ метан способен улавливать тепловую энергию Солнца и предотвращать ее возвращение в космос, что приводит к так называемому парниковому эффекту. Эта способность удерживать тепло очень важна, потому что она помогает Земле оставаться достаточно теплой для поддержания жизни [2]. Однако слишком большое накопление метана влияет на климат и способствует глобальному потеплению.Сегодня метановый цикл является важной темой исследований, поскольку нам необходимо более глубокое понимание того, откуда происходит весь метан на Земле и как он преобразуется.

Производство метана в экосистемах

Есть две известные формы производства метана на Земле, называемые небиологическими и биологическими источниками метана. Небиологическое производство метана происходит без участия живых организмов. Небиологический метан может выделяться вулканами или образовываться под землей при высоких давлениях и температурах.Эти геологические процессы обычно связаны с преобразованием горных пород, плавящихся под действием тепла и воды (рис. 1). Биологическое производство метана осуществляется только микроорганизмами. Текущие оценки показывают, что 90–95% метана, выбрасываемого в атмосферу, имеет биологическое происхождение и производится исключительно в результате микробной активности!

• Рисунок 1 — Схема цикла метана, показывающая источники образования и разложения метана на Земле.

Процесс производства биологического метана называется метано — генезис .Наиболее изученные метанопродуцирующие микроорганизмы называются метаногенными археями или просто метаногенами . Метаногены имеют сложный метаболизм , который позволяет им создавать метан, поскольку они производят энергию, необходимую им для выживания. Интересно, что атмосферный кислород, который нам необходим для дыхания и получения энергии, токсичен для некоторых метаногенов, поэтому эти микроорганизмы обычно встречаются в областях, где кислород ограничен или отсутствует, например, под землей, в отложениях на дне озер, лагун, водно-болотных угодий. , и океаны, и даже внутри кишечника всех видов животных, включая червей, термитов, коров и людей.

Метаногенез — это конечный этап пищевой цепи, который происходит в отсутствие кислорода воздуха. Этот газ образуется в результате полного разложения органического вещества, когда сложные молекулы разлагаются до своих основных соединений, а затем превращаются в метан с помощью метаногенов. Это означает, что во всех видах окружающей среды останки мертвых организмов, таких как растения и животные, медленно разлагаются микробами (рис. 1). Это позволяет вернуть питательные вещества в пищевую цепочку, и последний шаг включает производство метана [3].

После производства метана как он удаляется из окружающей среды?

Удаление метана из окружающей среды также происходит небиологическими и биологическими методами. Основной способ удаления атмосферного метана происходит небиологическим методом, который происходит в зонах атмосферы, известных как тропосфера и стратосфера. Это самые низкие слои атмосферы Земли, от 0 до 10 км и от 10 до 50 км над уровнем моря соответственно. В этих зонах метан расщепляется в результате химических реакций, вызываемых солнечным ультрафиолетовым светом.Подсчитано, что более 90% метана в атмосфере разрушается в ходе этого процесса (рис. 1).

Биологическое удаление метана на Земле, каким бы невероятным оно ни казалось, осуществляется исключительно микробами!

Есть некоторые микроорганизмы, которые «поедают» метан для получения энергии. Этот процесс называется метанотрофом , а микробы, выполняющие этот процесс, называются метанотрофами . « Trophos » означает «тот, кто питается от.«Метанотрофы населяют экосистемы, в которых метан вырабатывается, в основном под поверхностью почвы или отложений. Поскольку эти метанотрофы живут под почвой, атмосферный метан не контактирует с этими организмами. Поскольку метанотрофы не могут расщеплять метан в атмосфере, он накапливается. Однако здесь происходит очень интересное явление. Каким-то образом метан, производимый в почве, попадает в ловушку между частицами почвы и фактически находится там, где метанотрофы берут газ для своего потребления.Это предотвращает выброс метана из почвы в атмосферу, что значительно влияет на баланс метана в атмосфере. Например, было подсчитано, что ~ 40–60% метана, производимого в местах обитания водно-болотных угодий, потребляется микробами, прежде чем он сможет попасть в атмосферу. Это означает, что метанотрофы очень важны для почв, поскольку они предотвращают выброс парниковых газов в атмосферу, где они могут способствовать глобальному потеплению.

Метанотрофы могут поедать метан как в присутствии, так и в отсутствие кислорода воздуха.Метанотрофы, которые могут переносить кислород, фактически используют его в процессе расщепления метана. Обычно эти микробы обнаруживаются в почвах, где кислород начинает отсутствовать, потому что он не может проникнуть в сжатые частицы почвы. Эти зоны минимума кислорода содержат большинство метанотрофов и встречаются во всех видах экосистем на Земле.

Метанотрофы, которые не используют кислород для разложения метана, предпочитают использовать другие экзотические источники энергии, сопровождая метан некоторой частью органического вещества или серой, азотом и даже некоторыми металлами, такими как железо или марганец.Здесь метан — большая еда, а другие элементы — добавки. Интересно, что этот процесс был первоначально выдвинут на основе геохимических данных, но оставался неуловимым до начала 2000-х годов, потому что эти микробы чрезвычайно трудно выращивать в лаборатории для их изучения.

Метан за пределами Земли

Здесь, на Земле, микроорганизмы играют большую роль в переработке метана. Итак, можно сказать, что метан связан с наличием жизни на нашей планете. Удивительно, но недавние свидетельства, полученные с помощью телескопов и удаленных артефактов, идентифицировали метан в других местах нашей солнечной системы, в том числе на Марсе и на ледяных спутниках Сатурна, Титане и Энцеладе [4].Это очень увлекательно и заставляет задуматься, есть ли какие-нибудь виды микробов в тех местах, которые производят или потребляют этот метан!

Метан на Марсе был впервые идентифицирован с помощью земных телескопов в начале 2000-х годов, и его присутствие было доказано, когда марсоходы Spirit и Opportunity исследовали эту планету (рис. 2). Научное сообщество задается вопросом, происходит ли этот метан в результате биологических процессов, но все собранные до сих пор научные данные указывают на то, что этот метан происходит из небиологических источников.В настоящее время нет доказательств биологической активности на поверхности Марса, но исследования продолжаются, потому что мы знаем, что метан также является источником энергии для некоторых микробов.

• Рис. 2. Если в других частях нашей солнечной системы есть метан, могут ли там быть микробы?

Две миссии космических кораблей, «Кассини-Гюйгенс» и «Вояджер», изучали Сатурн. Оба космических корабля обнаружили свидетельства наличия органических молекул, в том числе метана, на спутниках Сатурна, Титане и Энцеладе (рис. 2).На поверхности этих спутников много воды и льда, что, вероятно, похоже на полярные ледяные шапки на Земле. Как это ни странно, данные предполагают, что и на Титане, и на Энцеладе есть океаны жидкого метана, этана и азота, которые образуют озера и реки, покрытые скалами из водяного льда.

На рисунке 2 показан метан, обнаруженный на других планетах нашей Солнечной системы.

Изучение экстремальных природных условий на Земле, таких как шельфовые ледники Антарктики, может помочь нам понять происхождение и эволюцию внеземного метана.В настоящее время ученые изучают, как микробы могут выжить в постоянно покрытых льдом экосистемах, потому что, если мы сможем лучше понять цикл метана в экстремальных условиях здесь, на Земле, это поможет нам также понять, как метаногенез и метанотрофия могут потенциально существовать в экстремальных условиях. других планет. Вполне естественно предположить, что метаногены и метанотрофы могут быть среди существ, населяющих другие планетные тела … и что мы не одни во Вселенной, но разделяем ее с широким спектром микробов!

Глоссарий

Микробы / микроорганизмы : ↑ Очень маленькие формы жизни, включая бактерии, грибы и некоторые крошечные водоросли.

Органическое вещество : ↑ Все клетки и вещества, производимые живыми организмами, включая живых и мертвых животных и растений.

Метаболизм : ↑ Все химические реакции, необходимые для поддержания жизни клетки или организма. Метаболизм относится к тому, как живые существа производят и расщепляют питательные вещества.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

---

Список литературы

[1] ↑ Копф, А., Шнетцер, Дж., И Глёкнер, Ф. О. 2016. Морские микробы, движущие силы океана. Передний. Молодые умы 4: 1. DOI: 10.3389 / frym.2016.00001

[2] ↑ Кастинг, Дж. Ф. 2004. Когда метан создал климат. Sci. Am . 1: 80–5. DOI: 10.1038 / scientificamerican0704-78

[3] ↑ Конрад, Р. 2009. Глобальный цикл метана: последние достижения в понимании вовлеченных микробных процессов. Environ. Microbiol. Репутация . 1: 285–92. DOI: 10.1111 / j.1758-2229.2009.00038.x

[4] ↑ Таубнер Р., Шлепер К., Фирнейс М. Г. и Риттманн С. К. Р. 2015. Оценка экофизиологии метаногенов в контексте недавних астробиологических и планетологических исследований. Life (Базель) 5: 1652–86. DOI: 10.3390 / life5041652

Компостирование во избежание образования метана

Зачем использовать компостирование в углеродном сельском хозяйстве?

Компостирование — это аэробный процесс, который снижает или предотвращает выделение метана во время разложения органических веществ.

Метан в 26 раз сильнее двуокиси углерода как парниковый газ и вносит значительный вклад в глобальные выбросы парниковых газов. При разложении органического материала в анаэробных условиях — микробами в отсутствие кислорода — метан попадает в атмосферу. Анаэробная ферментация распространена на свалках и открытых отвалах, таких как навозные кучи. Глобальные выбросы от отходов почти удвоились с 1970 года и в настоящее время составляют 3% антропогенных выбросов (антропогенного происхождения) (IPCC 2014).Около половины этих выбросов происходит в результате анаэробной ферментации твердых отходов на суше.

Около 700 000 тонн органических отходов было компостировано в Западной Австралии в 2012 году. Каждая тонна органических отходов, выброшенных на свалки и разложенных в результате анаэробной ферментации, высвобождает около одной тонны эквивалента диоксида углерода (CO ₂ -э) парниковые газы, в основном в виде метана.

Однако в аэробном процессе компостирования метан не образуется, поскольку микробы, производящие метан, не активны в присутствии кислорода.Компостирование — это один из методов сокращения выбросов метана из органических отходов, которые в настоящее время хранятся или отправляются на свалку. Практика компостирования, которая сводит к минимуму анаэробные условия и максимизирует аэробные условия, будет наиболее эффективна для сокращения выбросов парниковых газов.

В присутствии кислорода и воды микробы, такие как бактерии и грибы, используют углерод в качестве энергии и разлагают органические отходы. Преимущества этого:

• тепло, которое убивает патогены и семена, производится
• оставшийся углерод представляет собой стабильный гумус, который не содержит сорняков и безопасен для использования в сельском хозяйстве, озеленении, садоводстве или других целях.

Что можно компостировать?

Органические отходы, которые можно компостировать, включают сельскохозяйственные и лесные отходы, навоз, отходы пищевой промышленности, кухонные и садовые отходы и твердые биологические вещества (твердые органические вещества из очищенных сточных вод). Каждый год Западная Австралия производит сотни тысяч тонн этих побочных продуктов и отходов, которые можно компостировать для улучшения состояния окружающей среды и здоровья почвы.

В местном масштабе существует 2 потенциальных благодетеля компостирования во избежание образования метана: агентства по удалению отходов, которые хотят избежать выбросов метана в результате анаэробной ферментации отходов, и фермеры и садоводы, которые могут использовать компостированные продукты для сельскохозяйственных целей.

Процедура компостирования

Компостирование в промышленных масштабах состоит из нескольких этапов и представляет собой тщательно контролируемый процесс с регулированием температуры и измеренными входами воды, воздуха и правильным балансом богатых углеродом и азотом материалов. Аэробные микробы преобразуют входящие вещества в стабилизированный углерод для почвы с побочными продуктами тепла, углекислым газом и водой.

Коммерческие предприятия используют ряд технологий для аэрации материала, от тянущих тракторов и самоходных валкователей до сложных систем вентиляции с автоматическим управлением.

Вернуться к началу

Кто основные композиторы?

Национальное исследование 2012 года выявило 126 предприятий по переработке органических отходов, на которые ежегодно поступает около 5,5 миллионов тонн органических отходов из коммерческих, промышленных и муниципальных источников. В Западной Австралии существует около 30 предприятий, на которых преимущественно производится компостирование на открытом воздухе в валках. Есть также по крайней мере четыре помещения, где условия непрерывного аэробного компостирования поддерживаются за счет нагнетания воздуха в кучу.

Регулирующий орган Австралии в области чистой энергии ведет Реестр фонда сокращения выбросов для тех, кто ищет австралийские единицы углеродного кредита. В 2013 году было подано 205 претензий по всем утвержденным методологиям Инициативы по углеродному сельскому хозяйству (теперь охватываемым Фондом сокращения выбросов), и пять из этих претензий касались методологий, связанных с компостированием.

Коммерческие компостеры, такие как C-Wise и муниципальные советы (например, Южный столичный региональный совет), создали крупномасштабные предприятия по компостированию и имеют доступ к методологиям Фонда сокращения выбросов для получения квот на выбросы углерода от сокращения производства метана.

Углеродные выгоды от компостирования

Углеродные кредиты могут быть востребованы для предотвращения образования метана с использованием компостирования в соответствии со следующими методологиями Фонда сокращения выбросов (предотвращение выбросов на свалках и альтернативная обработка отходов): альтернативная технология компостирования отходов

перенаправление старых отходов на альтернативные сооружения для обработки отходов

закрытая механическая обработка и компостирование альтернативной обработки отходов.

Отраслевая ассоциация Австралийская ассоциация переработчиков органических продуктов ищет возможности для фермеров, чтобы они могли поделиться преимуществами использования переработанных органических продуктов для улучшения характеристик почвы и снижения углеродного следа.

Сопутствующие выгоды

Внесение компоста в сельскохозяйственные угодья улучшает продуктивную способность почвы за счет:

• увеличения буферной способности почвы и влагоудерживающей способности
• добавления источника органических веществ, стимулирующих биологическую активность
• улучшения удержания почвенных удобрений
• увеличение запаса питательных веществ
• , обеспечивающее известкование почвы
• улучшение структуры почвы.

Компост снижает потребность в внесении удобрений, воды, гербицидов и пестицидов, а также снижает эрозию почвы. Кроме того, связывание углерода увеличивается непосредственно через материал компоста и косвенно за счет увеличения биомассы корневой системы растений.

Риски при использовании компоста

• Возможно повышение водоотталкивающих свойств почвы из-за накопления в ней органического углерода.
• Компост может быть источником грибковых и других заболеваний человека.

Вернуться к началу

Возможности

Компостирование на ферме

По мере интенсификации систем животноводства количество биоразлагаемых отходов увеличивается, и их необходимо утилизировать таким образом, чтобы не нанести вред окружающей среде. Фермеры могут компостировать навоз и сельскохозяйственные отходы, чтобы избежать или уменьшить вред окружающей среде.

По оценкам Rural Industries Research and Development Corporation, на использование навоза в сточных лагунах (анаэробная ферментация) приходится около 3% выбросов парниковых газов в Австралии.Компостирование органических сельскохозяйственных отходов предлагает решение этой проблемы, обеспечивая при этом экономические выгоды.

Преимущества компостирования на ферме

Компостирование на ферме:

• снижает риск распространения патогенов, паразитов и семян сорняков, связанных с прямым внесением навоза в землю. в качестве навоза, подстилки и кормовых отходов, которые можно использовать для улучшения и поддержания качества и плодородия почвы.
• можно использовать в качестве альтернативного места для хранения общественных и промышленных зеленых отходов.
• снижает потребность в поливах, гербицидах, пестицидах и приобретенное удобрение
• устраняет углеродный след, связанный с транспортировкой компостированного материала за пределы объекта.

В 2016 году в Австралии было 20 предприятий по компостированию на фермах, в том числе 3 в Западной Австралии.

Риски

Торговля углеродом теперь осуществляется через Фонд сокращения выбросов. Одним из рисков для потенциального получения углеродного кредита является неопределенность будущей цены на углерод.

Процесс компостирования материалов вызывает выбросы парниковых газов от энергии транспорта, используемой для сбора сырья и доставки конечного продукта компоста, а также от энергии и воды, используемых в процессе компостирования.

Неэффективные процессы компостирования могут привести к анаэробным (а не аэробным) условиям, в результате которых образуются метан и закись азота. Неполная обработка может позволить патогенам и семенам сорняков выжить. Плохой контроль процесса может привести к появлению неприятных запахов и жалоб.

В начало

Пример из практики

Правительство Австралии собрало тематические исследования в отчете «Решения для управления отходами в региональной и удаленной Австралии». Тематическое исследование города Мандура, Water Corporation и местного предприятия по компостированию на ферме, C-Wise, иллюстрирует успешную переработку 100% зеленых отходов и твердых биологических веществ из регионального города для получения местных экономических и экологических выгод.

Используемая технология была основана на дизайне, простоте, управлении процессом, стоимости производства, а также экономии энергии и парниковых газов. Этот процесс обеспечивает технику, которую могут использовать региональные сообщества, откормочные площадки, фермеры и другие лица для эффективной переработки органических отходов.

Население Мандуры составляет более 65 000 человек. Все зеленые отходы и твердые биологические вещества перерабатываются в органические удобрения путем компостирования на местной ферме. Это удобрение используется другими фермерами для улучшения биологических свойств почвы и повышения ее производительности одновременно с развитием более устойчивых систем земледелия.

Ежегодно с помощью этой технологии компостирования сокращается более 6000 тонн выбросов парниковых газов. Методология была принята несколькими сообществами по всей Австралии.

Люди и группы, работающие в этом пространстве в Австралии

Международная работа

В Европе за 10 лет с 2001 по 2011 год компостирование городских отходов увеличилось с 10% до 15%, причем Австрия лидирует по компостированию на 34%. его бытовых отходов. Важнейшей частью этого достижения было введение отдельных контейнеров для сбора зеленых отходов для вторичной переработки и компостирования.Следовательно, в стране с 8,5 млн человек ежегодно предотвращается около 1,5 млн тонн выбросов парниковых газов.

Большая часть муниципальных отходов в крупных странах-производителях отходов используется на свалках. В Соединенных Штатах Америки компостируется около 8,5% муниципальных отходов, что на 20% больше, чем в 2000 году. Такое компостирование обеспечивает ежегодную выгоду от снижения более 168 миллионов тонн выбросов парниковых газов, что сопоставимо с годовыми выбросами. от более 33 миллионов легковых автомобилей.И наоборот, в Японии только около 2% твердых бытовых отходов вывозятся на свалки; около 4% компостируется, а остальная часть сжигается.

Заинтересованные лица отрасли

• Региональные советы
• Интенсивные системы животноводства, включая свинарники, молочные и мясные откормочные участки
• Генераторы зеленых отходов, в том числе домашние хозяйства, общественные группы и промышленность
• Пользователи компоста, включая фермеров, садоводов и садоводов

Вернуться к началу

Источники информации

Некоторые примеры и источники информации

Австралийская ассоциация по переработке органических веществ (AORA) — это национальная организация, которая занимается повышением осведомленности о преимуществах переработки органических ресурсов.AORA является сторонником более широкой индустрии восстановления органических ресурсов и полезного повторного использования.

Веб-сайт «Компост для почв» — это бесплатный независимый источник информации об использовании компоста в сельскохозяйственных системах. На веб-сайте есть информационные бюллетени и тематические исследования коммерческого использования компоста для выращивания овощей, винограда, деревьев и посевов.

Австралийская ассоциация управления отходами (WMAA) поддерживает устойчивое управление отходами и ресурсами по всей Австралии. В филиале WMAA в Западной Австралии есть группа по интересам под названием Compost WA.

Несколько региональных советов местного самоуправления, такие как Южный столичный региональный совет и Региональный совет Миндари, объединили ресурсы для разработки передовых крупномасштабных систем переработки органических отходов.

Публикации

Ayalon, O & Avnimenelech, Y 2001, «Обработка твердых отходов как высокоприоритетная и недорогая альтернатива для снижения выбросов парниковых газов», Environmental Management , vol. 27, pp. 697–704, просмотрено 12 августа 2016 г., ildesal.org.il/pdf/Professors/Yoram_Avimelech/4.pdf

Берналь, депутат, Альбуркерк, Дж. А. и Морал, Р. 2009, «Компостирование навоза и химические критерии для оценки зрелости компоста. Обзор », Bioresource Technology , vol. 100. С. 5444–53.

Отчет Калифорнийского агентства по охране окружающей среды 2011, Метод оценки сокращения выбросов парниковых газов из компоста из коммерческих органических отходов, Отдел планирования и технической поддержки, Калифорнийский совет по воздушным ресурсам, просмотр 12 августа 2016 г., отн.ca.gov/cc/protocols/localgov/pubs/compost_method.pdf

Дэвид, С. и Кинг, С. 2005, Влияние улучшения органического вещества почвы с помощью компоста при выращивании больших площадей, Системы органического земледелия, Коттесло, Западная Австралия.

Департамент окружающей среды и основной промышленности, Компостирование испорченного сена, просмотрено 19 октября 2015 г., depi.vic.gov.au/agriculture-and-food/dairy/managing-effluent/composting-spoiled-hay

Департамент окружающей среды и Энергия 2015, «Методы фонда сокращения выбросов», окружающая среда.gov.au/climate-change/emissions-reduction-fund/methods

Doorn, MRJ & Barlaz, MA 1995, Оценка глобальных выбросов метана со свалок и открытых свалок , EPA-600 / R-95-019, США Управление исследований и разработок EPA, Вашингтон, округ Колумбия.

Herczeg, M 2013, Управление бытовыми отходами в Австрии , Отчет Европейского агентства по окружающей среде, Копенгаген.

Hyder Consulting Pty Ltd, 2009 «Отходы и вторичная переработка в Австралии», исправленный отчет, Департамент окружающей среды, водных ресурсов, наследия и искусства, Австралийское Содружество, окружающая среда.gov.au/system/files/resources/ff342d4f-17a4-4c9f-bb1c-b95e01898751/files/waste-recycling2009.pdf

IPCC 2014, Climate Change 2014: Synthesis Report. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата, Женева, Швейцария, просмотрен 16 августа 2016 г., ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/SYR_AR5_FINAL_full.pdf

Jäckel, U, Kathrin, T & Kämpfer, P, 2006, «Производство и окисление термофильного метана в компосте», FEMS Microbiology Ecology , vol.52, нет. 2. С. 175–84.

Лу, XF & Nair, J 2009, «Влияние захоронения и компостирования на выбросы парниковых газов — обзор», Bioresource Technology , vol. 100, нет. 16. С. 3792–98.

Rural Industries Research and Development Corporation 2010, Оценка производства навоза от животных для производства метана , Публикация RIRDC № 10/151, Канберра.

Южный столичный региональный совет, 2014 г., Южный столичный региональный совет, Годовой отчет за 2013-14 гг. , Бурагун, Западная Австралия smrc.com.au/wp-content/uploads/key-docs/Annual-Reports/SMRC%20Annual%20Report%202013-14.pdf

Агентство по охране окружающей среды США, 2012 г., Производство, переработка и удаление твердых бытовых отходов в США Штаты: факты и цифры за 2012 год, Агентство по охране окружающей среды США, epa.gov/osw/nonhaz/municipal/pubs/2012_msw_fs.pdf

Zurbrügg, C 2002, «Управление твердыми городскими отходами в странах с низким уровнем дохода в Азии: как to Cope with the Garbage Crisis », представленная Научному комитету по проблемам окружающей среды (SCOPE) на заседании по обзору управления твердыми отходами в городах, Дурбан, Южная Африка.

Производство метана как ключ к балансу парниковых газов при таянии вечной мерзлоты

1.

Schuur, E. A. G. et al. Изменение климата и углеродная обратная связь вечной мерзлоты. Природа 520 , 171–179 (2015).

CAS Статья Google ученый

2.

Макгуайр А. Д., Чапин Ф. С. III, Уолш Дж. Э. и Вирт К. Интегрированные региональные изменения в обратных связях арктического климата: последствия для глобальной климатической системы. Annu. Rev. Environ. Ресурс. 31 , 61–91 (2006).

Артикул Google ученый

3.

Ли, Х., Шур, Э. А. Г., Инглетт, К. С., Лавуа, М. и Шантон, Дж. П. Скорость выделения углерода вечной мерзлоты в аэробных и анаэробных условиях и его потенциальное воздействие на климат. Glob. Сменить Биол. 18 , 515–527 (2012).

Артикул Google ученый

4.

Treat, C.C. et al. Контроль температуры и типа торфа CO ₂ и CH ₄ Производство торфа вечной мерзлоты Аляски. Glob. Сменить Биол. 20 , 2674–2686 (2014).

CAS Статья Google ученый

5.

Waldrop, M. P. et al. Молекулярные исследования глобального пула углерода: защищенного от вечной мерзлоты углерода в почвах Аляски. Glob. Сменить Биол. 16 , 2543–2554 (2010).

Google ученый

6.

Roy Chowdhury, T. et al. Стехиометрия и температурная чувствительность метаногенеза и продукции CO ₂ в насыщенной полигональной тундре в Барроу, Аляска. Glob. Сменить Биол. 21 , 722–737 (2015).

Артикул Google ученый

7.

Schädel, C. et al. В потенциальных выбросах углерода преобладает углекислый газ из талых многолетнемерзлых грунтов. Nat. Клим. Измените 6 , 950–953 (2016).

Артикул Google ученый

8.

Myhre, et al. in Climate Change 2013: The Physical Science Basis (eds Stocker, T. F. et al.) 659–740 (Cambridge Univ. Press, Кембридж, Великобритания, 2013).

9.

Hugelius, G. et al. Оценочные запасы циркумполярного углерода вечной мерзлоты с определенными диапазонами неопределенности и выявленными пробелами в данных. Биогеонауки 11 , 6573–6593 (2014).

Артикул Google ученый

10.

Jorgenson, M. T. et al. Реорганизация растительности, гидрологии и углерода почвы после деградации вечной мерзлоты в неоднородных бореальных ландшафтах. Environ. Res. Lett. 8 , 035017 (2013).

Артикул Google ученый

11.

Bring, A. et al. Гидрология суши в Арктике: синтез процессов, региональных эффектов и исследовательских задач. J. Geophys. Res. Biogeosci. 121 , 621–649 (2016).

Артикул Google ученый

12.

Treat, C. C. et al. Панарктический синтез продукции CH ₄ и CO ₂ из инкубации в бескислородной почве. Glob. Сменить Биол. 21 , 2787–2803 (2015).

Артикул Google ученый

13.

Натали, С.M. et al. Таяние вечной мерзлоты и влажность почвы приводят к выбросу CO ₂ и CH ₄ из горной тундры. J. Geophys. Res. Biogeosci. 120 , 525–537 (2015).

CAS Статья Google ученый

14.

Johnston, C.E. et al. Влияние таяния вечной мерзлоты на обмен CO ₂ и CH ₄ в хронопоследовательности торфяников западной Аляски. Environ. Res. Lett. 9 , 085004 (2014).

Артикул Google ученый

15.

Кноблаух, К., Бир, К., Соснин, А., Вагнер, Д., Пфайффер, Э.-М. Прогнозирование долгосрочной углеродной минерализации и газовых примесей из тающей вечной мерзлоты Северо-Восточной Сибири. Glob. Сменить Биол. 19 , 1160–1172 (2013).

Артикул Google ученый

16.

Liebner, S. et al. Сдвиги в составе метаногенного сообщества и потоках метана при деградации прерывистой вечной мерзлоты. Фронт. Microbiol. 6 , 356 (2015).

Артикул Google ученый

17.

Энджел Р., Клаус П. и Конрад Р. Метаногенные археи повсеместно распространены в аэрированных почвах и становятся активными во влажных бескислородных условиях. ISME J. 6 , 847–862 (2012).

CAS Статья Google ученый

18.

Ping, C.Л., Ястроу, Дж. Д., Йоргенсон, М. Т., Майклсон, Г. Дж. И Шур, Ю. Л. Вечная мерзлота и круговорот углерода. ПОЧВА 1 , 147–171 (2015).

Артикул Google ученый

19.

Voigt, C. et al. Потепление субарктической тундры увеличивает выбросы всех трех важных парниковых газов — углекислого газа, метана и закиси азота. Glob. Сменить Биол. 23 , 3121–3138 (2017).

Артикул Google ученый

20.

Саймонс Г. Э. и Басуэлл А. М. Метановое брожение углеводов. J. Am. Chem. Soc. 55 , 2028–2036 (1933).

CAS Статья Google ученый

21.

Nilsson, M. & Öquist, M. in Углеродный цикл в северных торфяниках (ред. Baird, AJ, Belyea, LR, Comas, X., Reeve, AS & Slater, LD) 131–144 ( Серия геофизических монографий, том 184, Американский геофизический союз, Вашингтон, округ Колумбия, США, 2009 г.).

22.

Hodgkins, S. B. et al. Изменения в химическом составе торфа, связанные с таянием вечной мерзлоты, увеличивают производство парниковых газов. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 5819–5824 (2014).

CAS Статья Google ученый

23.

Knoblauch, C., Spott, O., Evgrafova, S., Kutzbach, L. & Pfeiffer, E.-M. Регулирование продукции, окисления и эмиссии метана сосудистыми растениями и мохообразными водоемами полигональной тундры северо-востока Сибири. J. Geophys. Res. Biogeosci. 120 , 2525–2541 (2015).

CAS Статья Google ученый

24.

Купер, М. Д. А. и др. Ограниченный вклад углерода вечной мерзлоты в выделение метана от талых торфяников. Nat. Клим. Измените 7 , 507–511 (2017).

CAS Статья Google ученый

25.

Schädel, C.и другие. Циркумполярная оценка качества C вечной мерзлоты и ее уязвимости с течением времени с использованием данных долгосрочной инкубации. Glob. Сменить Биол. 20 , 641–652 (2014).

Артикул Google ученый

26.

Elberling, B. et al. Долгосрочная выработка CO ₂ после таяния вечной мерзлоты. Nat. Клим. Измените 3 , 890–894 (2013).

CAS Статья Google ученый

27.

Walter Anthony, K. et al. Выбросы метана пропорциональны количеству углерода вечной мерзлоты, таявшего в арктических озерах с 1950-х годов. Nat. Geosci. 9 , 679–682 (2016).

CAS Статья Google ученый

28.

Попп, Т. Дж., Шантон, Дж. П., Уайтинг, Дж. Дж. И Грант, Н. Оценка окисления метана в ризосфере болота с преобладанием Carex на севере центральной части Альберты, Канада. Биогеохимия 51 , 259–281 (2000).

CAS Статья Google ученый

29.

Фрибург Т., Соегаард Х., Кристенсен Т. Р., Ллойд К. Р. и Паников Н. С. Водно-болотные угодья Сибири: где сток является источником. Geophys. Res. Lett. 30 , 2129–2132 (2003).

Артикул Google ученый

30.

Wille, C., Kutzbach, L., Sachs, T., Wagner, D. & Pfeiffer, E.-M. Эмиссия метана из сибирской арктической полигональной тундры: измерения и моделирование вихревой ковариации. Glob. Сменить Биол. 14 , 1395–1408 (2008).

Артикул Google ученый

31.

Boike, J. et al. Исходные характеристики климата, вечной мерзлоты и земного покрова по данным новой обсерватории вечной мерзлоты в дельте реки Лена, Сибирь (1998–2011 гг.). Биогеонауки 10 , 2105–2128 (2013).

Артикул Google ученый

32.

Куцбах Л., Вагнер Д. и Пфайффер Э.-М. Влияние микрорельефа и растительности на эмиссию метана влажной полигональной тундрой в дельте Лены, Северная Сибирь. Биогеохимия 69 , 341–362 (2004).

CAS Статья Google ученый

33.

Morgenstern, A. et al. Эволюция термокарста в богатой льдом вечной мерзлоте Восточной Сибири: на примере. Геоморфология 201 , 363–379 (2013).

Артикул Google ученый

34.

Ямамото, С., Алькаускас, Дж. Б. и Крозье, Т. Е. Растворимость метана в дистиллированной и морской воде. J. Chem. Англ. Данные 21 , 78–80 (1976).

CAS Статья Google ученый

35.

Миллеро Ф., Хуанг Ф., Грэм Т. и Пьеро Д. Диссоциация угольной кислоты в растворах NaCl в зависимости от концентрации и температуры. Геохим. Космохим. Acta 71 , 46–55 (2007).

CAS Статья Google ученый

36.

Amundson, R. & Baisden, W.T. в статье Methods in Ecosystem Science (ред. Sala, OE, Jackson, RB, Mooney, HA & Howarth, RB) 117–137 (Springer, New York, USA, 2000).

37.

Андрен О. и Кэттерер Т. МБР: вводная модель углеродного баланса для исследования углеродного баланса почвы. Ecol. Прил. 7 , 1226–1236 (1997).

Артикул Google ученый

38.

Минтемейер, В. Макроклимат и контроль лигнина скорости разложения подстилки. Экология 59 , 465–472 (1978).

CAS Статья Google ученый

39.

Steinberg, L. M. & Regan, J. M. mcrA — целевой метод количественной ПЦР в реальном времени для исследования сообществ метаногена. Заявл. Environ. Microbiol. 75 , 4435–4442 (2009).

CAS Статья Google ученый

Вклад производства токсичного метана в выбросы метана с поверхности в озерах и его глобальное значение

1.

Solomon, S. et al. Изменение климата 2007: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата .(Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Нью-Йорк, 2007).

Google ученый

2.

Stocker, T. F. et al. Изменение климата 2013: основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . (Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Нью-Йорк, 2013).

Google ученый

3.

Нисбет, Э.G. et al. Очень сильный рост содержания метана в атмосфере за 4 года 2014-2017: последствия для Парижского соглашения. Glob. Биогеохим. Циклы 33 , 318–342 (2019).

4.

Микалофф-Флетчер, С. Э. и Шефер, Х. Подъем метана: новый климатический вызов. Наука 364 , 932–933 (2019).

5.

Тауер, Р. К. Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон: Лекция 1998 года присуждена премия Марджори Стивенсон. Микробиология 144 , 2377–2406 (1998).

CAS PubMed Google ученый

6.

Ферри, Дж. Г. и Кастед, К. А. Метаногенез. in Archaea: Molecular and Cellular Biology (ed. Cavicchioli, R.) 288–314 (ASM Press, Вашингтон, округ Колумбия, 2007).

7.

Скрэнтон, М. И. и Брюэр, П. Г. Наличие метана в приповерхностных водах западной субтропической части Северной Атлантики. Deep Sea Res. 24 , 127–138 (1977).

ADS CAS Google ученый

8.

Тан, К. В., МакГиннис, Д. Ф., Ионеску, Д. и Гроссарт, Х.-П. Производство метана в кислородных водах озера потенциально увеличивает водный поток метана в воздух. Environ. Sci. Technol. Lett. 3 , 227–233 (2016).

CAS Google ученый

9.

Мурасе Дж., Сакаи Ю., Каметани А. и Сугимото А. Динамика метана в мезотрофном озере Бива, Япония. Ecol. Res. 20 , 377–385 (2005).

CAS Google ученый

10.

Hofmann, H., Federwisch, L. & Peeters, F. Вызванный волнами выброс метана: прибрежные зоны как источник метана в озерах. Лимнол. Oceanogr. 55 , 1990–2000 (2010).

ADS CAS Google ученый

11.

Фернандес, Дж. Э., Петерс, Ф. и Хофманн, Х. О парадоксе метана: перенос из мелководных зон, а не метаногенез на месте, является основным источником CH ₄ в открытых поверхностных водах озер. J. Geophys. Res. Biogeosci. 121 , 2717–2726 (2016).

Google ученый

12.

Петерс, Ф., Фернандес, Дж. Э. и Хофманн, Х. Диффузионные выбросы CH ₄ из озер и водохранилищ объясняются скорее потоками отложений, чем кислородным метаногенезом. Sci. Отчет 9 , 243 (2019).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

13.

Karl, D. M. et al. Аэробное производство метана в море. Nat. Geosci. 1 , 473–478 (2008).

ADS CAS Google ученый

14.

Damm, E. et al. Производство метана в аэробных олиготрофных поверхностных водах центральной части Северного Ледовитого океана. Биогеонауки 7 , 1099–1108 (2010).

ADS CAS Google ученый

15.

Grossart, H.-P., Frindte, K., Dziallas, C., Eckert, W. & Tang, K. W. Производство микробного метана в насыщенной кислородом водной толще олиготрофного озера. Proc. Natl Acad. Sci. США 108 , 19657–19661 (2011).

ADS CAS PubMed Google ученый

16.

Tang, K. W., McGinnis, D. F., Frindte, K., Brüchert, V., Grossart, H.-P. Новый взгляд на парадокс: перенасыщение метаном в хорошо насыщенных кислородом озерных водах. Лимнол. Oceanogr. 59 , 275–284 (2014).

ADS Google ученый

17.

Яо М., Хенни К. и Мареска Дж. А. Пресноводные бактерии выделяют метан в качестве побочного продукта поглощения фосфора. Заявл. Environ. Microbiol. 82 , 6994–7003 (2016).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

18.

Wang, Q., Dore, J. E. & McDermott, T. R. Метаболизм метилфосфонатов с помощью Pseudomonas sp. популяции способствует парадоксу перенасыщения метаном в кислородном пресноводном озере. Environ. Microbiol. 19 , 2366–2378 (2017).

CAS PubMed Google ученый

19.

Бизич-Ионеску, М., Ионеску Д., Гюнтель, М., Танг, К. В. и Гроссарт Х.-П. Круговорот оксидного метана: новые доказательства образования метана в кислородной воде озера. in Биогенез углеводородов (ред. Стамс, А. и Соуза, Д.) 379–400 (Springer, Cham, 2018).

20.

Карини П., Уайт А. Э., Кэмпбелл Э. О. и Джованнони С. Дж. Производство метана хемогетеротрофными морскими бактериями SAR11 с дефицитом фосфатов. Nat. Commun. 5 , 4346 (2014).

ADS CAS PubMed Google ученый

21.

Donis, D. et al. Натурная оценка производства метана в кислородных условиях в мезотрофном озере. Nat. Commun. 8 , 1661 (2017).

ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

22.

Saunois, M. et al. Глобальный бюджет метана 2000-2012 гг. Earth Syst.Sci. Данные 8 , 697–751 (2016).

ADS Google ученый

23.

Kirschke, S. et al. Три десятилетия глобальных источников и стоков метана. Nat. Geosci. 6 , 813–823 (2013).

ADS CAS Google ученый

24.

Сабреков А.Ф. и др. Изменчивость выбросов метана из мелководных бореальных озер Западной Сибири в региональном масштабе и меры экологического контроля. Биогеонауки 14 , 3715–3742 (2017).

ADS CAS Google ученый

25.

Natchimuthu, S. et al. Пространственно-временная изменчивость потоков озера CH ₄ и ее влияние на годовые оценки выбросов всего озера. Лимнол. Oceanogr. 61 , S13 – S26 (2016).

CAS Google ученый

26.

Xiao, Q.и другие. Пространственное изменение эмиссии метана в большом мелководном эвтрофном озере в субтропическом климате. J. Geophys. Res. Biogeosci. 122 , 1597–1614 (2017).

CAS Google ученый

27.

Вик, М., Торнтон, Б. Ф., Баствикен, Д., Ульбек, Дж. И Крилл, П. М. Смещенный отбор проб метана из северных озер: проблема для экстраполяции. Geophys. Res. Lett. 43 , 1256–1262 (2016).

ADS CAS Google ученый

28.

Баствикен, Д., Коул, Дж., Пейс, М. и Транвик, Л. Эмиссия метана из озер: зависимость характеристик озера, две региональные оценки и глобальная оценка. Glob. Биогеохим. Циклы 18 , GB4009 (2004).

ADS Google ученый

29.

Аллен, Г. Х., Павелски, Т. М. Глобальная протяженность рек и ручьев. Наука 361 , 585–588 (2018).

MathSciNet CAS PubMed МАТЕМАТИКА Google ученый

30.

Торнтон, Б. Ф., Вик, М. и Крилл, П. М. Двойной подсчет ставит под сомнение точность инвентаризаций метана в высоких широтах. Geophys. Res. Lett. 43 , 12569–12577 (2016).

ADS CAS Google ученый

31.

Сил, Б. Б., Хиткот, А. Дж. И Сикелл, Д. А. Объем и средняя глубина озер Земли. Geophys. Res. Lett. 44 , 209–218 (2017).

ADS Google ученый

32.

Bogard, M. J. et al. Метаногенез кислородной толщи воды как основной компонент водных потоков CH ₄ . Nat. Commun. 5 , 5350 (2014).

ADS CAS PubMed Google ученый

33.

Dean, J. F. et al. Обратная связь метана с глобальной климатической системой в более теплом мире. Rev. Geophys. 56 , 207–250 (2018).

ADS Google ученый

34.

Bizic-Ionescu M. et al. Широко распространенное образование метана цианобактериями в водных и наземных экосистемах. Препринт на bioRxiv https://www.biorxiv.org/content/10.1101/398958v1 (2019).

35.

Кириллин Г., Филип В., Энгельгардт К. и Нютцманн Г. Чистый приток подземных вод в замкнутом озере: от синоптических колебаний до климатических прогнозов. Hydrol. Процесс. 27 , 347–359 (2012).

ADS Google ученый

36.

Кириллин Г., Гроссарт Х.-П. И Тан, К. В. Моделирование скорости опускания туш зоопланктона: эффекты стратификации и перемешивания. Лимнол. Oceanogr. 57 , 881–894 (2012).

ADS Google ученый

37.

Вашон Д. и Прейри Ю. Т. Зависимость скорости переноса газа от размера и формы экосистемы в зависимости от скорости ветра в озерах. банка. J. Fish. Акват. Sci. 70 , 1757–1764 (2013).

Google ученый

38.

MacIntyre, S. et al. Поток плавучести, турбулентность и коэффициент газообмена в стратифицированном озере. Geophys. Res. Lett. 37 , L24604 (2010).

ADS Google ученый

39.

DelSontro, T., del Giorgio, P. A. и Prairie, Y. T. Больше не парадокс: взаимодействие между физическим переносом и биологическими процессами объясняет пространственное распределение метана в поверхностных водах внутри и между озерами. Экосистемы 21 , 1073–1087 (2018).

CAS Google ученый

40.

Баствикен, Д., Эйлертссон, Дж. И Транвик, Л. Измерение окисления метана в озерах: сравнение методов. Environ. Sci. Technol. 36 , 3354–3361 (2002).

ADS CAS PubMed Google ученый

41.

Баствикен, Д., Транвик, Л. Дж., Даунинг, Дж. А., Крилл, П. М. и Энрих-Праст, А. Выбросы метана из пресной воды компенсируют континентальный сток углерода. Наука 331 , 50 (2011).

ADS CAS PubMed Google ученый

42.

McGinnis, D. et al. Увеличение поверхностных потоков метана из олиготрофного озера: изучение гипотезы микропузырьков. Environ. Sci. Technol. 49 , 873–880 (2014).

ADS Google ученый

43.

Gruca-Rokosy, R. & Tomaszek, J. A. Метан и диоксид углерода в отложениях эвтрофного резервуара: пути добычи и диффузионные потоки на границе раздела отложений и воды. Water Air Soil Pollut. 226 , 16 (2015).

ADS Google ученый

44.

Utsumi, M. et al. Окисление растворенного метана в эвтрофном мелководном озере: озеро Касумигаура, Япония. Лимнол. Oceanogr. 43 , 471–480 (1998).

ADS CAS Google ученый

45.

Джой, С. Б., Коннелл, Т. Л., Миллер, Л. Г., Оремланд, Р. С. и Джеллисон, Р. С. Окисление аммиака и метана в щелочном соленом озере. Лимнол. Oceanogr. 44 , 178–188 (1999).

ADS CAS Google ученый

46.

Карини С., Бано Н., Леклер Г. и Джой С. Б. Аэробное окисление метана и состав сообщества метанотрофов во время сезонной стратификации в озере Моно, Калифорния (США). Environ. Microbiol. 7 , 1127–1138 (2005).

CAS PubMed Google ученый

47.

Радд, Дж. У. М., Фурутани, А., Флетт, Р. Дж. И Гамильтон, Р. Д. Факторы, контролирующие окисление метана в щитовых озерах: роль фиксации азота и концентрации кислорода. Лимнол. Oceanogr. 21 , 357–364 (1976).

ADS CAS Google ученый

48.

Murase, J. & Sugimoto, A.Тормозящее влияние света на окисление метана в пелагической водной толще мезотрофного озера (озеро Бива, Япония). Лимнол. Oceanogr. 50 , 1339–1343 (2005).

ADS CAS Google ученый

49.

Dumestre, J. F. et al. Влияние интенсивности света на активность метанотрофных бактерий в водохранилище Пети Саут, Французская Гвиана. Заявл. Environ. Microbiol. 65 , 534–539 (1999).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

50.

Oswald, K. et al. Светозависимое аэробное окисление метана снижает выбросы метана из сезонно стратифицированных озер. PLoS ONE 10 , e0132574 (2015).

PubMed PubMed Central Google ученый

51.

Болье, Дж. Дж., ДелСонтро, Т. и Даунинг, Дж. А. Эвтрофикация приведет к увеличению выбросов метана из озер и водохранилищ в 21 веке. Nat. Commun. 10 , 1375 (2019).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

52.

Адамс, Д. Д. Диффузный поток парниковых газов — метана и углекислого газа — на границе раздела отложений и воды некоторых озер и водохранилищ мира. В Выбросы парниковых газов — потоки и процессы. Гидроэлектростанции и природная среда (ред. Trembly, A., Varfalvy, L., Roehm, C.И Гарно, М.) 129–153 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2005).

53.

Aben, R.C.H. et al. Перекрестный континентальный рост вскипания метана в условиях изменения климата. Nat. Commun. 8 , 1682 (2017).

ADS PubMed PubMed Central Google ученый

54.

Джаррелл, К. Ф. Чрезвычайная чувствительность к кислороду у метаногенных архебактерий. BioScience 35 , 298–302 (1985).

CAS Google ученый

55.

Lenhart, K. et al. Доказательства продукции метана морскими водорослями Emiliania huxleyi . Биогеонауки 13 , 3163–3174 (2016).

ADS CAS Google ученый

56.

Де Стазио, Б. Т. мл., Хилл, Д. К., Клейнханс, Дж. М., Ниббелинк, Н. П. и Магнусон, Дж. Дж. Возможные последствия глобального изменения климата для небольших озер северного умеренного пояса: физика, рыба и планктон. Лимнол. Oceanogr. 41 , 1136–1149 (1996).

ADS Google ученый

57.

Петерс, Ф., Стрейле, Д., Лорке, А. и Ливингстон, Д. М. Раннее начало весеннего цветения фитопланктона в озерах умеренной зоны в более теплом климате. Glob. Сменить Биол. 13 , 1898–1909 (2007).

ADS Google ученый

58.

Visser, P. M. et al. Как рост CO ₂ и глобальное потепление могут стимулировать вредоносное цветение цианобактерий. Вредные водоросли 54 , 145–159 (2016).

CAS PubMed PubMed Central Google ученый

59.

R Основная команда. R (v3.3.1): язык и среда для статистических вычислений . (Фонд R для статистических вычислений, Вена, Австрия, 2016 г.). https: //www.R-project.org /.

Google ученый

60.

Команда RStudio. RStudio (v1.0.153): интегрированная разработка для R. (RStudio, Inc., Бостон, Массачусетс, 2016). http://www.rstudio.com/.

Google ученый

61.

Magen, C. et al. Простой метод уравновешивания свободного пространства для измерения растворенного метана. Лимнол. Oceanogr. Методы 12 , 637–650 (2014).

Google ученый

62.

Duc, N. T., Crill, P. & Bastviken, D. Влияние температуры и характеристик отложений на образование и окисление метана в озерных отложениях. Биогеохимия 100 , 185–196 (2010).

CAS Google ученый

63.

Marotta, H. et al. Производство парниковых газов в донных отложениях озер в низких широтах сильно реагирует на потепление. Nat. Клим. Измените 4 , 467–470 (2014).

ADS CAS Google ученый

64.

Liikanen, A. et al. Пространственные и сезонные изменения в динамике парниковых газов и биогенных веществ и их взаимодействия в отложениях бореального эвтрофного озера. Биогеохимия 65 , 83–103 (2003).

CAS Google ученый

65.

Лю, X., Гао, Y., Zhang, Z., Luo, J. & Yan, S. Поток метана в осадочной воде в эвтрофном водоеме и основные влияющие факторы в различных временных масштабах. Вода 9 , 601 (2017).

Google ученый

66.

Каспер П., Фуртадо А. Л. и Адамс Д. Д. Биогеохимия и диффузные потоки парниковых газов (метана и углекислого газа) и диазота из отложений олиготрофного озера Штехлин, Северная Германия. Arch. Hydrobiol. Спец. Проблемы Adv. Лимнол. 58 , 53–71 (2003).

CAS Google ученый

67.

Casper, P. et al. Круговорот парниковых газов в водных экосистемах — метан в озерах умеренного пояса через градиент окружающей среды на северо-востоке Германии. Верх. Int. Вер. Лимнол. 29 , 564–566 (2005).

CAS Google ученый

68.

Конрад Р., Чан О.-К., Клаус П. и Каспер П. Характеристика метаногенных архей и фракционирование стабильных изотопов во время производства метана в глубоких отложениях олиготрофного озера (озеро Стехлин, Германия). Лимнол. Oceanogr. 52 , 1393–1406 (2007).

ADS CAS Google ученый

69.

Каспер П. Производство метана в литоральных и профундальных отложениях олиготрофного и эвтрофного озера. Arch. Hydrobiol. Спец. Проблемы Adv. Лимнол. 48 , 253–259 (1996).

CAS Google ученый

Выбросы метана в нефтегазовой отрасли

Количественная оценка выбросов и различение различных источников метана

Введение

Метан — основной компонент природного газа, дешевый, обильный и универсальный источник энергии, который при сжигании производит меньше углекислого газа, чем другие ископаемые виды топлива.Однако сам метан является более сильным парниковым газом, чем углекислый газ. Утечки метана из скважин, трубопроводов или технологического оборудования могут существенно увеличить выбросы парниковых газов в секторе природного газа, а также расходовать ресурсы по мере попадания метана в атмосферу.

Определение источников метана

Метан можно производить двумя способами. Термогенный метан , источник большинства запасов природного газа, образуется в результате воздействия тепла и давления на глубоко захороненные останки морских микроорганизмов и обычно встречается с нефтью. Биогенный метан вырабатывается микробами в желудках коров, овец, коз и других жвачных животных (известное как кишечное брожение), а также в навозе, неглубоких залежах угля и нефти, а также на заболоченных территориях. Определение того, является ли источник метана термогенным или биогенным, имеет решающее значение для определения выбросов метана от нефтегазовых операций. Этот раздел Нефть и окружающая среда посвящен количественной оценке выбросов метана в атмосферу; другие части этой серии посвящены усилиям по сокращению выбросов метана («Снижение и регулирование выбросов метана») и проблемам метана в подземных водах («Защита подземных вод при добыче нефти и газа»).

Оценки EPA источников выбросов метана в США в 2015 году. Изображение предоставлено Американским институтом геонаук, по данным Агентства по охране окружающей среды США. ¹

США по выбросам метана

Очень сложно определить относительные выбросы метана из разных источников. Большинство выбросов метана происходит из нескольких обширных отраслей, которые часто работают рядом друг с другом (сельское хозяйство, нефть и газ, горнодобывающая промышленность и управление отходами).Утечки могут быть кратковременными или продолжительными, а уровень выбросов от сельского хозяйства и свалок со временем меняется. Таким образом, хотя уровни метана в атмосфере можно измерить очень точно, существует большая неопределенность в отношении общей доли выбросов, происходящих от различных видов деятельности человека. Национальные цифры в этой таблице являются наилучшими доступными оценками, но могут быть не полностью точными.

С начала 1990-х годов Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ежегодно выпускает U.S. Инвентаризация парниковых газов ⁴ как часть отчетности США перед Организацией Объединенных Наций в соответствии с Рамочной конвенцией об изменении климата. ⁶ Инвентаризация основана на отчетах о выбросах более 8000 промышленных, производственных и нефтегазовых предприятий; электростанции; и свалки. ⁷ Эти отчеты представляют только около половины всех выбросов парниковых газов в США, что приводит к большой неопределенности в объемах выбросов.

Выбросы из нефтяных и газовых систем

Система нефти и природного газа является одним из наиболее сложных источников для оценки выбросов из-за количества источников выбросов, их технической сложности и различий между различными объектами. ^8,9 Подобные предприятия могут сообщать о разных выбросах, ⁸ и объемы выбросов могут изменяться со временем по мере возникновения новых утечек, их обнаружения и устранения. ¹⁰

Отражая эту сложность, оценка EPA общей скорости утечки метана из системы природного газа США со временем изменилась по мере появления новой информации. ¹¹ Например, между 2010 и 2011 годами оценка утечки EPA за 2008 год была обновлена ​​с 96 до 212 миллионов метрических тонн эквивалента диоксида углерода; в 2013 году этот показатель был снижен до 163 миллионов метрических тонн. ¹³ Оценки не так сильно различались с 2014 по 2017 год, но в этих цифрах сохраняется значительная неопределенность.

Усовершенствования в технологиях дистанционного зондирования позволяют проводить более точные измерения региональных выбросов метана с помощью установленных на борту датчиков и даже спутников. MethaneSAT (на фото изображено впечатление художника), партнерство, возглавляемое Фондом защиты окружающей среды и запускаемое в 2020 или 2021 году, будет измерять выбросы метана в пятидесяти основных нефтегазодобывающих регионах по всему миру.Изображение предоставлено Фондом защиты окружающей среды. ¹²

Региональные исследования выбросов

Детальные исследования основных нефтегазодобывающих районов могут выявить биогенные и термогенные источники метана, контролировать более мелкие источники, не включенные в реестр Агентства по охране окружающей среды, и выявить особенно негерметичное оборудование. В последние годы основное внимание уделялось изучению конкретных месторасположений. ¹⁴ Например:

• Исследование семи нефтегазодобывающих регионов США.С. обнаружил более высокие выбросы метана в основном в нефтедобывающих районах, чем в основном в газодобывающих районах. Это частично отражает тот факт, что нефть может содержать некоторое количество метана, который может выходить из вентиляционных отверстий резервуара для хранения нефти и других отверстий. ¹⁵
• В сланцевом районе Барнетт около Далласа и Форт-Уэрта, штат Техас, 67% выбросов метана происходит из источников нефти и газа. ¹⁶ Половина всех выбросов метана из нефти и газа в этой области приходится на 2% производственных, перерабатывающих и транспортных предприятий, а 90% выбросов приходится на 10% предприятий. ¹⁷ Это говорит о том, что большая часть инфраструктуры природного газа является надежной, но на небольшом количестве участков со «сверхвысокой эмиссией» наблюдаются серьезные утечки. Ожидается, что участки сверхизлучения со временем будут меняться по мере того, как оборудование получает повреждения, ремонтируется или заменяется. Поэтому обнаружение и сокращение выбросов требует постоянного мониторинга. ¹⁰

Степень утечки метана из системы природного газа — одна из самых больших неопределенностей в отношении воздействия нефтегазовой отрасли на окружающую среду.Работа в направлении всестороннего понимания выбросов метана — основная область текущих исследований, включающая сочетание крупномасштабных региональных измерений и целенаправленных местных исследований с земли, воздуха и космоса.

Список литературы

¹ Агентство по охране окружающей среды США — Выбросы парниковых газов: обзор парниковых газов.
² Управление энергетической информации США — Электроэнергетика ежемесячно, таблица 1.1 — Чистая выработка по источникам энергии: всего (все сектора), 2007 г. — декабрь 2017 г.
³ Национальная лаборатория энергетических технологий (2013). Базовый план затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе, Том 1: Битуминозный уголь и природный газ для электроэнергии, Редакция 2а, сентябрь 2013 г.
⁴ Агентство по охране окружающей среды США (2017). Реестр выбросов и стоков парниковых газов в США: 1990-2015 гг.
⁵ Шмидт, Г. (2004). Метан: научное путешествие от неизвестности к суперзвезде. Особенности исследований НАСА.
⁶ Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата — национальные доклады.
⁷ Агентство по охране окружающей среды США — Программа отчетности по парниковым газам (GHGRP).
⁸ Агентство по охране окружающей среды США (2013). Нефтяные и газовые системы: сводка данных за 2011 год.
⁹ Heath, G. et al. (2015). Оценка выбросов метана в США из цепочки поставок природного газа: подходы, неопределенности, текущие оценки и будущие исследования. Объединенный институт стратегического энергетического анализа, технический отчет NREL / TP-6A50-62820.
¹⁰ Завала-Арайза, Д.и другие. (2015). К функциональному определению суперэмиттеров метана: применение к объектам добычи природного газа. Environ. Sci. Technol., 49 (13), 8167-8174.
¹¹ Lattanzio, R.K. (2018). Метан и другие проблемы загрязнения воздуха в системах природного газа. Отчет исследовательской службы Конгресса R42986
¹² «EDF объявляет о спутниковой миссии по обнаружению и измерению выбросов метана». Пресс-релиз Фонда защиты окружающей среды, 11 апреля 2018 г.
¹³ СШААгентство по охране окружающей среды — Архив отчетов об инвентаризации парниковых газов США.
¹⁴ Фонд защиты окружающей среды (2017 г.) — Исследования метана: серия 16 исследований.
¹⁵ Lyon, D. et al. (2016). Аэрофотосъемка повышенных выбросов углеводородов с мест добычи нефти и газа. Environ. Sci. Технол., 50 (9), 4877-4886.
¹⁶ Townsend-Small, A. et al. (2015). Интеграция индикаторов распределения источников в восходящую инвентаризацию выбросов метана в районе гидроразрыва сланцевого пласта Барнетт.Environ. Sci. Technol., 49 (13), 8175-8182.
¹⁷ Zavala-Araiza, D. et al. (2015). Согласование расходящихся оценок выбросов метана в нефти и газе. Proc. Natl. Акад. Наук, 112 (51), 15597-15602.

Нефть и окружающая среда

Загрузите полный PDF-файл Petroleum and the Environment (бесплатно) или купите печатную версию (19,99 долларов США).

Другие части из этой серии:
1. Нефть и окружающая среда: введение
2. Вода в нефтегазовой промышленности
3.Наведенная сейсмичность от нефтегазовых операций
4. Источники воды для гидроразрыва
5. Использование пластовой воды
6. Защита подземных вод при добыче нефти и газа
7. Заброшенные скважины
8. Что определяет местоположение скважины?
9. Землепользование в нефтегазовой промышленности
10. Газовое месторождение Пайндейл, Вайоминг
11. Тяжелая нефть
12. Нефть и газ в Арктике США
13. Морская нефть и газ
14. Разливы нефти и природного газа Газовые месторождения
15. Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов
16.Нефтепереработка и переработка газа
17. Нетопливные продукты нефти и газа
18. Воздействие нефти и газа на качество воздуха
19. Выбросы метана в нефтегазовой промышленности
20. Снижение и регулирование выбросов метана
21. Регулирование Нефтегазовые операции
22. Здоровье и безопасность при добыче нефти и газа
23. Данные о недрах в нефтегазовой отрасли
24. Геофизики в нефти и окружающей среде
Глоссарий терминов
Ссылки

Цифры и факты о метане

• В 2015 г. метан составлял около 10% U.S. выбросы парниковых газов с точки зрения потенциала глобального потепления; углекислый газ (CO ₂ ) составил 82%. ¹
• Природный газ (метан) обеспечил 31,5% электроэнергии США в 2017 году — крупнейший единый источник электроэнергии в стране. ²
• Производство электроэнергии на природном газе производит на 50-60% меньше CO ₂ , чем уголь, для производства того же количества энергии, ³ , но утечки метана уменьшают это преимущество по сокращению выбросов.
По оценкам Агентства по охране окружающей среды
• , выбросы метана из систем природного газа снизились на 16% с 1990 по 2015 год.По оценкам Агентства по охране окружающей среды, выбросы метана из систем добычи сырой нефти и нефтепродуктов снизились на 28% с 1990 по 2015 год. ⁴ Однако оценки выбросов остаются неопределенными.
• Помимо животноводства, навоза, добычи полезных ископаемых и свалок, к другим основным источникам глобальных выбросов метана также относятся водно-болотные угодья и рисовые поля. ⁵

.