Drenering av myrområder og bruk av myr til å lage jordbruksjord frigjør store mengder metan. Metan i store mengder blir også produsert når permafrosten tiner.
I vomma på drøvtyggere er det mange bakterier som fermenterer cellulose og produktene blir korte fettsyrer for eksempel smørsyre (butyrat) og propionsyre som tas opp gjennom tarmveggen og gir dyret næring. Et av biproduktene ved fermenteringen er metan som skilles ut som flatulens eller i form av raping.
Protozoer kan også inneholde metanogene endosymbionter. Metanogene bakterier forekommer i tarmen på insekter som spiser treverk f.eks. termitter. Metanogene endosymbionter kan bruke hydrogen laget av protozooer som fordøyer cellulose som elektronkilde.
Metanogenese er mer vanlig i ferskvann og terrestre økosystemer enn i havet. Dette skyldes at hav og marine sedimenter inneholder store konsentrasjoner av sulfat og sulfatreduserende bakterier. Disse konkurrerer med de metanogene bakteriene om hydrogen og acetat. Metylerte substrater (metanol, metylamin, trimetylamin) brukes i liten grad av sulfatreduserende bakterier, men kan utnyttes av de metanogene bakteriene. Metan kan slippe ut på havbunnen i tilknytning til kalde ventiler og gassoppkomme i hydrotermiske undervannskilder. På havbunnen og i permafrost ved stort trykk og lav temperatur kan man også finne metanhydrater (metanklatrat) hvor metan er hektet inn i vannmolekyler.
Ved brenning av biomasse blir det dannet metan og andre hydrokarboner (etan, eten mfl. I en rentbrennende vedovn brenner man også opp disse slik at de ikke slipper ut i atmosfæren.
Global metansyklus
Metanogene bakterier som lever i miljøer uten oksygen lager metan, mens metanotrofe bakterier som lever aerobt kan oksidere metan til karbondioksid og bruke metan som elektronkilde og karbonkilde og okgyen som elektron- og protonakseptor. For eksempel metanspisende (metanotrofe) bakterier i det oksiske øverste torvlaget på ei myr. Metanproduserende bakterier og metanspisende bakterier inngår derved i en metansyklus med omsetning av metan. Halveringstiden for metan i atmosfæren er ca. 10 år, ca. 1/10 av den for CO2, men i tillegg er metan ca. 20-30 ganger mer effektiv i absorbsjon av varmestråling sammenlignet med CO2. Konsentrasjonen av metan er stadig økende, er nå ca. 2 ppm, og øker vesentlig grunnet menneskelig aktivitet. Atmosfæren virker oksiderende hvor spesielt hydroksylradikalet med fritt og uparet elektron er meget reaktivt. I atmosfæren kan metan inngå i en atmosfærisk metansyklus i komplekse kjemiske reaksjoner blant annet med hydroksylradikalet (OH•) i samvirke med nitrogenmonoksid (NO) og nitrogendioksid (NO2). Øverst i atmosføren kan ultrafiolett stråling i reaksjon med vann og ozon gi hydroksylradikler. Hydroksylradikalet kan også inngå i Fenton-reaksjoner og Haber-Weissreaksjoner. Noen av dem:
CH4 + OH• → CH3• + H2O
CH3• + O2 → CH3O2•
CH3O2• + NO → NO2 + CH3O•
CH3O• + O2 → CH3O + HO2•
Biogass
Biogass er metan og andre nedbrytningsprodukter dannet ved bakteriell anaerob nedbrytning av organisk materiale utført av metanogene bakterier. I biogassanlegg blir det laget metan fra matavfall, i kloakkrenseanlegg fra kloakkslam, på søppelfyllinger fra søppel.
Metan som energikilde (energibærer)
Metan er en hovedbestanddel i naturgass hvor metan utgjør fra 70-90% av innholdet. Metan i naturgass, i tillegg til å være laget av metanogene bakterier, kommer fra katalyttisk spalting av lange hydrokarbonkjeder under høyt trykk og temperatur.
Ved forbrenning av metan (CH4) med oksygen (O2) som elektronakseptor blir det laget karbondioksid (CO2) og vann (H2O):
CH4 + 2O2 → CO2 + H20
Ved redusert tilgang på oksygen blir det dannet karbonmonoksid eller kullos (CO):
CH4 + 3/2O2 → CO + 2H2O
Det kan også bli dannet karbon (C) i form av sot som kan bli brukt i gummihjul som fyllstoff, til blekk eller i produksjon av batterier.
CH4 + O2 → C + 2H2O
Fra metan til kunstgjødsel og metanol
Metan blir brukt som utgangsmateriale for å lage hydrogen (H2) i produksjon av kunstgjødsel med Haber-Bosch-metoden.
Ved høy temperatur og trykk i nærvær og vanndamp og en katalysator med nikkel omdannes i første trinn i produksjon av syntesegass (syngas) fra metan til hydrogen:
CH4 + H2O →CO + 3H2
CH4 + 2H2O →CO2 + 4H2
Karbonmonoksid blir fjernet i i et trinn i Haber-Boschprosessen i en katalyttisk reaksjon med vanndamp:
CO + H2O → CO2 + H2
CO2 kan fjernes i en reaksjon med kaliumkarbonat (K2CO3) i vann hvor det blir dannet kaliumhydrogenkarbonat (KHCO3), en type CO2-fangst.
CO2 + H2O + K2CO3 → 2KHCO3
Reaksjonen kan reverseres ved høy temperatur ca. 100-120oC og man får dannet ren kaliumkarbonat og CO2.
I Haber-Bosch-prosessen kan det bli laget ren CO2 som kan brukes i næringsmiddelindustri til karbonfisering av drikkevann, øl og minealvann. I tillegg kan CO2 bli brukt i vannrenseanlegg etter prinsippet med diffusioforese. Diffusioforese deltar i forflytning av kolloidale partikler under vannrensingen.
Hvis ikke noe CO2 slipper ut i atmosfæren er dette en måte å lage «grønn hydrogen» fra metan.
I gasskraftverk blir naturgass omdannet til elektrisk energi ved forbrenning i en gassturbin. Gasskraftverk er varmekraftverk som drives med naturgass. I Norge har gasskraftverk skapt mye uenighet.
Metan kan også bli brukt i produksjon av metanol (CH3OH) i Fischer-Tropsch-prosessen, navn etter de tyske kjemikerne Franz Fischer (1877-1947) og Hans Tropsch (1889-1935) ved Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie i 1926. Denne gjorde det mulig å omdanne kull til flytende hydrokarboner, eller fra hydrogen og karbonmonoksid ved metallkatalyse (kobolt, jern, molybden, nikkel, ruthenium) og høy temperatur:
(2n+1)H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O
Disse kan deretter bli brukt til å lage syntetisk olje eller syntetisk drivstoff ved høy temperatur (400oC) og høyt trykk (150 atmosfærer) og katalysator (krom- og zinkoksider)
CO + 2H2 → CH3OH
Metanol kan deretter bli brukt til å lage dimetyleter og andre hydrokarboner som kan fungere som drivstoff i forbrenningsmotorer.
Delvis oksidasjon av metan med en zeolitt transisjonsmetallkatalysator: e.g. kobberzeolitt
CH4 + 1/2O2 → CH3OH
Blå og grønn hydrogen
«Grå hydrogen» (H2) blir laget fra naturgass ved dampreformering av metan hvor mye CO2 i prosessen slippes ut atmosfæren. «Blå hydrogen» er dampreforming av metan eller gassifisering fra kull, men hvor det skjer CO2-fangst og lagring av CO2.
«Grønn hydrogen» blir laget ved elektrolyse av vann hvor elektrisk energi kommer fra vannkraft, sol eller vind. Imidlertid krever elektrolyse av vann store mengder energi i form av elektrisk strøm, og er således lite energieffektivt
Litteratur
Russell MJ, Nitschke W. Methane: Fuel or Exhaust at the Emergence of Life?. Astrobiology 17(10) (2017)1053-1066. doi:10.1089/ast.2016.1599