W dolinie Kolorado, gdzie górnicy od ponad stu lat wydobywają węgiel, drugie paliwo - metan - ucieka z grubych czarnych pokładów kopalni Elk Creek. System otworów wiertniczych i rur wokół kopalni prowadzi gaz bogaty w metan do zmodyfikowanego silnika ciężarówki. Wykorzystując trzy generatory o mocy 1 megawata, silnik przekształca ten metan w elektryczność dla lokalnej sieci energetycznej.
Elk Creek to pierwszy projekt zamiany metanu w energię w kopalni węgla na zachód od Missisipi i największy tego typu w całym kraju. Ale kopalnie węgla, takie jak Elk Creek, generują około 10 procent emisji metanu w kraju i 6 procent emisji metanu na całym świecie, i nadal uwalniają metan długo po zakończeniu operacji wydobywczych. Gaz również sączy się z mokradeł, kominów przemysłowych, wysypisk śmieci, ferm bydła i gazu ziemnego.
W rzeczywistości tak wiele metanu przedostaje się do atmosfery ziemskiej każdego roku, że na całym świecie jest drugim co do wielkości czynnikiem przyczyniającym się do zmian klimatu po dwutlenku węgla. Metan rozprasza się szybciej niż węgiel, ale jego siła jako gazu cieplarnianego w okresie 100 lat jest ponad 20 razy większa niż CO2.
Spalanie metanu może generować energię lub użyteczne ciepło, jednocześnie zmniejszając jego wpływ na klimat - zasadniczo redukując gaz do słabszego naparu wody i dwutlenku węgla. W Elk Creek, spalanie nieco ponad 670 metrów dziennie, czyli około 16 procent całkowitej emisji metanu w kopalni - w silniku spalinowym ma generować 24 gigawatogodziny rocznie. To wystarczająca ilość prądu, aby zasilić około 2000 domów.
Zapobiegając przedostawaniu się metanu do atmosfery, projekt zapobiegnie emisji odpowiadającej ponad 96 500 tonom CO2 rocznie przez kolejne 15 lat, zgodnie z szacunkami głównego fundatora, Aspen Skiing Company. Jest to około 10-dniowa emisja dwutlenku węgla z typowej elektrowni opalanej węglem - nie wystarczy, aby znacząco zmniejszyć globalne emisje gazów cieplarnianych, ale jest ważnym krokiem w kierunku przekształcenia metanu z problematycznych odpadów w cenne paliwo.
Połączenie zmian polityki, nowych kreatywnych partnerstw i innowacji technologicznych oznacza, że Elk Creek może teraz prowadzić znacznie większą falę podobnych projektów dotyczących pozyskiwania metanu z kopalni węgla.
Wyzwanie
Historycznie właściciele kopalni, takich jak Elk Creek w USA, mieli niewielką motywację do korzystania z metanu. Obecnie gaz sprzedaje się za tak niskie ceny w porównaniu z innymi paliwami, że zwrot kosztów instalacji systemów niezbędnych do jego wydobycia zajęłby wiele lat. W rezultacie właściciele kopalni po prostu pozwalają, aby gaz dostał się do ziemskiej atmosfery.
Do niedawna technologia ograniczała operatorów kopalni do wykorzystywania energii tylko z emisji w kopalni przy stosunkowo wysokich stężeniach metanu. W stężeniach powyżej 80 procent metan można wstrzykiwać do rurociągów gazu ziemnego lub zamieniać w skroplony gaz ziemny do pojazdów. Przy stężeniach około 20 do 40 procent gaz może napędzać wytwarzanie energii, tak jak ma to miejsce w Elk Creek lub kotłach przemysłowych wytwarzających parę lub gorącą wodę. Według raportu Organizacji Narodów Zjednoczonych większość metanu o średniej i wysokiej jakości jest wykorzystywana do wytwarzania energii lub kombinacji mocy i ciepła użytkowego. Metan ten jest zwykle gromadzony w otworach wierconych wokół terenu, zanim rozpocznie się faktyczne wydobycie.
Znaczna część metanu wydobywanego z szybów kopalni ma jednak niskie stężenie, zmieszane z azotem, tlenem i innymi zanieczyszczeniami. Wynika to z faktu, że operatorzy zwykle używają systemów wentylacyjnych do rozcieńczania każdego metanu wyciekającego do szybów kopalnianych świeżym powietrzem dla bezpieczeństwa pracowników: przy stężeniu w powietrzu od 5 do 15 procent metan jest wybuchowy, a do zdrowego oddychania wymagane są stężenia poniżej 1 procent.
Gdy metan zostanie zmieszany z innymi gazami w systemach wentylacyjnych, wykorzystanie go jako paliwa staje się trudne, ponieważ mieszanina nie pali się, a metan trudno jest odfiltrować.
Częściowo z powodu tych wyzwań wentylowane metanem wentylowane powietrze jest zwykle uwalniane do atmosfery, tak jak w Elk Creek. Tylko około 20 z ponad 500 aktywnych podziemne kopalnie węgla w całym kraju zainstalowały każdy rodzaj systemu do wychwytywania metanu lub przekształcania go w energię elektryczną. A z tych 20 kopalń większość po prostu bierze metan zgromadzony w otworach drenażowych i wstrzykuje go do pobliskich rurociągów gazu ziemnego do użytku przez domy i firmy.
Partnerzy dla nowego podejścia
W stanach zachodnich, takich jak Kolorado, kopalnie węgla są często zlokalizowane z dala od gazociągów, więc wykorzystanie nawet wysokiej jakości metanu z tych miejsc wymaga innego podejścia. Elk Creek jest niezwykły wśród amerykańskich kopalń węgla, ponieważ pali metan, aby wytwarzać energię elektryczną na miejscu i wysyłać ją do lokalnej sieci energetycznej.
Podobna technologia metan-energia stosowana jest od dziesięcioleci w kopalniach w Europie, Australii, Chinach i innych krajach. Ale projekty te korzystały z zachęt podatkowych i innych form wsparcia publicznego, a także droższego gazu ziemnego i energii elektrycznej - co pozwala im na konkurencyjną sprzedaż metanu po wyższych cenach. Elk Creek oferuje model wykorzystania tych odpadów poprzez partnerstwa prywatne w czasach i miejscach, w których energia elektryczna z gazu ziemnego jest stosunkowo tania.
Tom Vessels, prezes Denver, dewelopera energetycznego z siedzibą w Kolorado, Vessels Coal and Gas, zaczął szukać partnerów i finansistów projektu metan-energia w kopalni węgla w 2005 r. Po zwiedzeniu wielu kopalni wykorzystujących technologię w Niemczech. Vessels twierdzi, że większość amerykańskich firm, do których się zwrócił, nie zna tej technologii i niechętnie inwestuje. To prawda, że nie zrobiono tego w USA, mówi. „Ale sprawdzamy teraz to pole”.
W 2012 roku Vessels pozyskało 5, 4 miliona dolarów od Aspen Skiing Company, wysokiej klasy korporacji kurortowej, której celem jest generowanie czystszej energii i równoważenie emisji związanych z własnym zużyciem energii elektrycznej. Holy Cross Energy, wiejska spółdzielnia energii elektrycznej, podpisała umowę, aby zapłacić nieco więcej niż stawki rynkowe za energię elektryczną z projektu w zamian za 15-letni kontrakt i nowe, czystsze źródło energii elektrycznej.
W końcu właściciel Elk Creek, Oxbow Mining, kierowany przez magnata energetycznego Williama Kocha, zgodził się pozwolić Vessels zainstalować sprzęt w swojej kopalni w zamian za niewielki spadek rocznej sprzedaży energii. Większość przychodów z Holy Cross - około 650 000 USD rocznie, czyli około 12 procent pierwotnej inwestycji ASC - trafi do firmy kurierskiej.
Polityka na horyzoncie
Projekt rozpoczął podawanie energii elektrycznej do sieci elektrycznej w zeszłym roku w celu dystrybucji w całym zachodnim Kolorado. Kilka miesięcy później Kolorado uchwaliło nowe prawo, które wymaga dużych wiejskich spółdzielni elektrycznych i usług, które im służą, aby uzyskać 20 procent swojej energii ze źródeł odnawialnych do 2020 r. - dwukrotnie więcej niż w 2004 r.
Prawo uznaje metan obok stale uzupełnianych zasobów, takich jak wiatr i słońce, za zasoby odnawialne, co jest polityką zdecydowanie przeciwną niektórym grupom ekologicznym i zwolennikom zielonej energii. Jeremy Nichols, dyrektor programów klimatycznych i energetycznych dla organizacji non-profit WildEarth Guardians, mówi, że klasyfikacja metanu „nie jest celem standardu energii odnawialnej”. Ale użycie metanu do energii, jak mówi, przebija status quo w odprowadzaniu go do atmosfery. „Pod koniec dnia” - mówi - „robi to, co najlepsze, ze złych”. Z biegiem czasu eksperci twierdzą, że objęcie metanu nowym mandatem może zwiększyć popyt wśród przedsiębiorstw energetycznych w Kolorado na elektryczność z projektów takich jak Elk Creek.
Zmiany zachodzą także na poziomie federalnym. Prezydent Obama polecił agencjom federalnym „opracować kompleksową strategię dotyczącą metanu”, a Agencja Ochrony Środowiska zidentyfikowała około 50 amerykańskich kopalń węgla, które obiecują wychwytywanie metanu odpadowego i spalanie go lub zamianę na energię elektryczną.
Zwolennicy energii metanowej mają nadzieję, że zbliżające się głosowanie w Kalifornii ostatecznie uczyni technologię bardziej opłacalną od wybrzeża do wybrzeża. Państwowe organy regulacyjne ds. Powietrza mają wkrótce głosować nad propozycją nagradzania projektów ograniczania emisji metanu w ramach programu ograniczenia emisji i handlu, który ma pomóc państwu zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych do poziomu z 1990 r. Do roku 2020. Jeśli zostanie to zatwierdzone, protokół pozwoliłby operatorom kopalni węgla i emitentom metanu w całym kraju na uzyskanie kredytów na ograniczenie ich emisji. Kalifornijscy truciciele, którzy oczekują, że przekroczą maksymalny limit emisji, mogą następnie kupić te kredyty jako sposób na zneutralizowanie ich nadwyżki.
„Potrzebna jest bardzo dobra cena węgla, aby [łagodzenie metanu] było wykonalne”, mówi Clark Talkington, starszy konsultant w Advanced Resources International, która opracowuje projekty pochłaniania energii i sekwestracji węgla. „Wiem, że jest kilka projektów stojących na uboczu, więc jeśli Kalifornia przejdzie, to zdecydowanie przyspieszy ich realizację”.
Na przykład w Elk Creek 84 procent metanu wychwyconego z kopalni - wystarczającej do wytworzenia elektryczności o wartości 1 miliona dolarów - jest po prostu spalane, ponieważ Holy Cross nie ma budżetu i nie chce kupować więcej energii z projektu, a żaden inny klient nie był uznany. „Zdecydowanie mamy oko na inny projekt” - mówi Schendler z ASC. „Barierą jest jednak uzyskanie umowy zakupu energii od innego zakładu energetycznego po akceptowalnej cenie”. ASC straciłoby pieniądze na projekcie, gdyby sprzedał energię elektryczną po typowej stawce hurtowej 3, 5 centów za kilowatogodzinę.
Innowacje w pracach
Poza polityką innowacyjne techniki umożliwiają usuwanie metanu z bardzo rozcieńczonych źródeł, takich jak powietrze wentylowane w szybach kopalni, i wykorzystywanie go jako paliwa do generatorów. W dużej kopalni węgla w chińskiej prowincji Henan wentylowane powietrze o stężeniu metanu wynoszącym zaledwie 0, 3 procent jest wykorzystywane do podgrzewania wody w kopalniach. System zapętla wentylowane powietrze kopalniane przez komory, które zwiększają jego temperaturę, aż cząsteczki metanu rozpadną się na dwutlenek węgla i wodę, a ciepło z tej reakcji zostanie wychwycone.
W Australii elektrownia węglowa należąca do BHP Billiton łączy wentylowany metan z wysoko skoncentrowanym metanem, który został spuszczony do otworów wierconych w pobliżu kopalni przed rozpoczęciem wydobycia. Zmieszany razem metan z otworów wentylacyjnych i drenów można spalać jako paliwo. System ten wytwarza ciepło do wytwarzania pary, która z kolei prowadzi małą elektrownię wytwarzającą średnio 10 gigawatogodzin rocznie.
Inni naukowcy chcą opracować lepsze filtry do oddzielania metanu w wentylowanym powietrzu od niepotrzebnych gazów, takich jak dwutlenek węgla i azot. Na przykład naukowcy z University of California, Berkeley i Lawrence Livermore National Laboratory przyjrzeli się wysoce sorbentowemu materiałowi oznaczonemu przez pory w nanoskali zwane nanoporowatymi zeolitami. Grupa wykorzystała modele komputerowe do przetestowania prawie 100 000 różnych struktur zeolitów, mówi Amitesh Maiti, fizyk materiałów z laboratorium Lawrence Livermore.
W tym momencie badania pozostają na wczesnym etapie. „Materiał może nie być tak czysty w prawdziwym życiu, jak widzimy w tych modelach”, mówi Maiti. Jeśli jednak można opracować nanoporowaty zeolit lub inny materiał, który z łatwością wychwytuje cząsteczki metanu, może to radykalnie obniżyć koszty wytwarzania energii elektrycznej z wysoce rozcieńczonego odpadowego metanu w kopalniach węgla. W tym procesie może sprawić, że to źródło metanu będzie zbyt cenne jako paliwo, aby kontynuować swój poprzedni płaszcz jako szkodliwe i uciążliwe odpady, które należy wyrzucić.
