Metan

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

Metan
Uppbygging metans í þrívídd
Auðkenni
CAS-númer	74-82-8
Eiginleikar
Formúla	CH4
Mólmassi	16,04 mól/g
Lykt	Engin
Útlit	Litlaust gas
Bræðslumark	–182,5 °C
Suðumark	–161,5 °C
Tvípólsvægi	0 D

Eiginleikar

Efnaformúla metans er CH₄ og mólmassi þess er 16,043 g/mól.

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

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

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

Metan hvarfast ekki auðveldlega, nema við flúor, klór og fleira. Þau hvörf sem metan tekur þátt í eru skiptihvörf.

Jarðgas inniheldur 75% CH₄, 15% etan (C₂H₆) og 5% af öðrum kolvatnsefnum, eins og própani (C₂H₈) og bútani (C₄H₁₀). Bræðslumark metans er -183 °C og suðumark er -164 °C. Það leysist ekki vel í vatni.

Metan í andrúmslofti

Uppbygging metans

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

Aukning metans í andrúmslofti var 20 ppb (rúmmál) á ári til 1998 en minnkaði í 8 ppb (rúmmál) árið 2003. Þetta hefur verið rakið til bætts viðhalds og viðgerða á gasbrunnum og leiðslukerfum í löndum fyrrverandi Sovétríkjanna.

Árið 2003 voru gróðurhúsaáhrif af völdum losaðs metans 1,7 W/m².

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

Oxunarhvarf metans er hægara en hjá öðrum kolvatnsefnum og líftími þess í andrúmslofti er um tíu ár. Oxun metans gefur af sér koldíoxíð sem stöðuga lokasameind eftir röð hvarfa.

Losun

Metan losnar út í andrúmsloftið með eftirfarandi leiðum:

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

30-40% af heildarlosun metans er talin vera náttúruleg sem er þá fyrsta leiðin hér að ofan og vegna jórturdýra.

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

Náttúruleg losun metans í andrúmsloftið er um 190 Tg á ári. Vottlendi og mýrar eiga um 76% af þessari losun, termítar um 11%, höf um 8% og metanhýdröt um 5%. Þessi hlutföll eiga við jörðina alla, en eru mjög breytileg eftir löndum og landsvæðum.

Eyðing

Þegar metan fer út í andrúmsloftið er það um tíu ár að eyðast aftur. Það getur gerst með mismunandi aðferðum sem kalla mætti niðurföll (á ensku „sinks“). Styrkur metans í andrúmsloftinu ræðst af jafnvæginu milli metanlosunar og metaneyðingar. Algengasta ástæða metaneyðingar er oxun sem verður fyrir vegna tilstilli hýdroxýlstakeinda (OH) í andrúmsloftinu. Metan hvarfast við OH og þá verður til CH₃ og vatn í veðrahvolfi andrúmsloftsins. Metan hverfur í litlum mæli með oxun við OH-stakeindir í heiðhvolfinu. Þetta tvennt veldur um 90% metaneyðingar í andrúmslofti. Vitað er um tvær aðrar leiðir, örverur í jarðvegi taka upp metan (7%) og metan hvarfast við klóratóm í hafinu.

Sem gróðurhúsalofttegund

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

Mælingar á styrk metans í andrúmslofti hafa verið gerðar með greiningu loftbólna inni í jökulís. Þessar mælingar gefa til kynna að styrkur metans er í hámarki í dag miðað við síðustu 400.000 ár. Frá 1750 hefur meðaltal metanstyrks í andrúmslofti hækkað um 150%, frá um 700 ppb (rúmmál) í 1745 ppb (rúmmál) árið 1998. Á síðasta áratug hefur styrkur metans haldið áfram að aukast en aukningarhraðinn minnkað. Í lok 8. áratugsins var aukningin um 20 ppb (rúmmál) á ári en í lok 9. áratugsins var hann um 9-13 ppb (rúmmál) á ári. Frá 1999 til 2002 hefur styrkur metans haldist stöðugur í kringum 1751 ppb (rúmmál).

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

Eyðing ósonlagsins

Gastegundir í heiðhvolfinu draga í sig hættulega geislun frá sólinni og þar er óson eitt mikilvægasta efnið. Margar gastegundir, til dæmis vetnisklóríð, draga úr magni þess í heiðhvolfinu sem leiðir til ósoneyðingar. Metan við sögu í einu þeirra efnahvarfa í heiðhvolfinu þar sem vetnisklóríð verður til:

Cl + CH₄-> HCl + CH₃

Klórgas er talið vera eitt hvarfgjarnasta efnið í heiðhvolfinu og hvati til ósoneyðingar.

Ekki er mikið af vatnsgufu í heiðhvolfinu en eitthvað metan sleppur þar upp. Vetni klofnar frá metaninu og endar á því að mynda vatn sem síðan getur orðið að H- og OH-stakeindum. Þessar stakeindir leika mikilvægt hlutverk í eyðingu ósonlagsins þar sem þeir breyta því í súrefni. Nettóhvörfin fyrir báðar stakeindirnar eru:

O + O₃ -> 2O₂

Þannig tekur metan þátt í eyðingu ósonlagsins.

Framleiðsla

Rúta sem gengur fyrir metani

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

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

Gösun byrjar þannig að rokgjörn efni eru leyst upp úr fasta lífmassanum. Rokgjörnu efnin og það sem eftir var af lífmassanum fara í gegnum hvörf með gufu og súrefni sem framleiðir að lokum gas. Þetta gas sem þannig er framleitt er blanda brennsluefna, koldíoxíðs og vatns. Með meiri meðhöndlun má fá hreinna gas með því að brjóta brennsluefnin enn betur niður. Út úr þannig ferli fæst þá metangas sem hægt er að nota sem eldsneyti.

Notkun

Vötn með fljótandi metani á Títan, tungli Satúrnus

Metan má brenna sem eldsneyti. Við bruna þarf að koma til súrefni og ástandsbreyting og þá losnar orka. Metan er aðalhluti jarðgass og þegar það hvarfast við súrefni myndast koldíoxíð, vatn og orka.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + orka

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

NASA hefur verið að þróa eldflaugavél sem gengur fyrir fljótandi metani en hún er ekki tilbúin til notkunar. Kosturinn við metan er að það er til víða í sólkerfinu, Á Títani, sem er eitt tungla Satúrnusar, eru vötn og ár úr fljótandi metani. Lofthjúpar Júpíters, Satúrnusar, Úranusar og Neptúnusar innihalda allir eitthvað af metani. Kosturinn við metanið er að það er öruggara en fljótandi vetni þar sem það er ekki eitrað og má einnig geyma við hærra hitastig eða -161,6 °C.

Kraftur vélarinnar í prufuskoti í Mojave eyðimörkinni var 7.500 pund.

Orkugildi Metans

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

Áhætta

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

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

Metan á Íslandi

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

Söfnun

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

Hreinsun

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

Dreifing

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

Framleiðsla

Chevrolet Cavalier metanbíll

Óhreinsað hauggas er hægt að nota til rafmagnsframleiðslu í vélum. Samstarf hefur verið á milli Metan hf. og Orkuveitu Reykjavíkur um metangasknúið orkuver með uppsett afl 840 kW og framleiðsla er áætluð um 4,3 GWh/ár. Gasvél er knúin með hauggasi sem inniheldur um 50-55% metan. Með þessu fæst hreinna afgas en þegar umframhauggasi er brennt í brennara og losunin veldur minni gróðurhúsaáhrifum.

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

Metaneldsneyti á Íslandi

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

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

Útblástursefni eru í töluvert minna magni við brennslu metans en bensíns eða dísel. Koldíoxíð er 20% minna frá metanbílum en venjulegum bílum.

Metanbílar

Volkswagen Tourino Ecofuel, 2008 gerð

Mercedes-Benz 170 NGT BlueEFFICIENCY metanbíll

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Tenglar

• „Hvað er metangas og hvernig er það nýtt?“. Vísindavefurinn.
• „Ef metan er að mestu leyti vetni, hvað gerir það svo óæskilega gastegund?“. Vísindavefurinn.
• Metan hf.