I en Colorado-dal, hvor minearbejdere har høstet kul i mere end et århundrede, slipper et andet brændstof - metan - ud af de tykke sorte sømme i Elk Creek-miner. Et system med borehuller og rør omkring minen trækker metanrig gas til en modificeret lastbilmotor. Ved hjælp af en trio med en megawatt-generatorer konverterer denne metan til elektricitet til det lokale elnet.
Elk Creek er det første metan-til-energi-projekt i en kulmine vest for Mississippi og det største af sin art landsdækkende. Men kulminer som Elk Creek bidrager med cirka 10 procent af metanemissionerne nationalt og 6 procent af metanemissionerne over hele verden, og de frigiver fortsat metan længe efter minedrift er afsluttet. Gassen siver også fra sumpe, industrirør, deponeringsanlæg, kvægbrug og naturgasoperationer.
Faktisk kommer så meget metan ind i Jordens atmosfære hvert år, at det globalt set er den næststørste bidragyder til klimaændringer efter kuldioxid. Methan spredes hurtigere end kulstof, men dens styrke som drivhusgas over en 100-årig periode er mere end 20 gange CO2.
Forbrænding af metan kan generere energi eller nyttig varme, samtidig med at det mindsker sin klimapåvirkning — væsentligt reducerer gassen til en svagere brygning af vand og kuldioxid. Ved Elk Creek, der brænder lidt over 670, forventes ooo kubikfod metan pr. Dag - ca. 16 procent af minens samlede metanemission - i en forbrændingsmotor at generere 24 gigawattimer årligt. Det er nok elektricitet til at drive cirka 2.000 hjem.
Ved at forhindre metan i at komme ind i atmosfæren, vil projektet forhindre emissioner svarende til mere end 96.500 ton CO2 årligt i de næste 15 år, ifølge skøn fra dens hovedfinansierer, Aspen Skiing Company. Det er ca. 10 dages værdi af kulstofemissioner fra et typisk kulfyret kraftværk - ikke nok til at gøre en meningsfuld bukke i de globale udledninger af drivhusgasser, men et vigtigt skridt i retning af at omdanne metan fra et problematisk affald til et værdifuldt brændstof.
En kombination af politiske ændringer, kreative nye partnerskaber og teknologiinnovation betyder nu, at Elk Creek kunne føre en meget større bølge af lignende projekter, der høstede metan fra kulminer.
Udfordringen
Historisk set har ejere af miner som Elk Creek i USA haft et lille incitament til at gøre brug af metan. Gassen sælger i disse dage til så lave priser i forhold til andre brændstoffer, at det vil tage mange år at inddrive omkostningerne ved installation af de systemer, der er nødvendige for at høste den. Som et resultat tillader mineejere simpelthen gassen at komme ind i jordens atmosfære.
Og indtil for nylig har teknologi begrænset mineoperatører til kun at udnytte energi fra kulminemissioner med relativt høje koncentrationer af metan. Ved koncentrationer over 80 procent kan methan indsprøjtes i naturgasrørledninger eller omdannes til flydende naturgas til køretøjer. Ved koncentrationer omkring 20 til 40 procent kan gassen brænde kraftproduktion, som den gør ved Elk Creek, eller industrielle kedler, der genererer damp eller varmt vand. I henhold til De Forenede Nationers rapport bruges mest metan af høj kvalitet og metan til at generere enten strøm eller en kombination af strøm og nyttig varme. Denne metan opsamles typisk i borehuller, der bores omkring stedet før den faktiske minedrift begynder.
Meget af metan, der kommer ud af kulminesjakter, er imidlertid i lave koncentrationer, blandet med nitrogen, ilt og andre forurenende stoffer. Dette skyldes, at operatører typisk bruger ventilationssystemer til at fortynde enhver metan, der lækker i mineaksler med frisk luft for arbejdstagerens sikkerhed: Ved 5 til 15 procent koncentration i luft er metan eksplosiv, og koncentrationer under 1 procent er nødvendige for sund åndedræt.
Når metan blandes med andre gasser i ventilationssystemer, bliver det vanskeligt at bruge som brændstof, fordi blandingen ikke brænder, og metan er vanskeligt at filtrere ud.
Delvis på grund af disse udfordringer frigives typisk metan-snoede ventileret luft typisk til atmosfæren, som det er ved Elk Creek. Kun ca. 20 af de mere end 500 aktive underjordiske kulminer landsdækkende har installeret enhver form for system til opsamling af metan eller konvertering til elektricitet. Og af disse 20 miner er de fleste simpelthen tager metan opsamlet i drænhuller og injicerer det i nærliggende naturgasledninger til brug af huse og virksomheder.
Partnere for en ny tilgang
I vestlige stater som Colorado er kulminer ofte placeret langt fra rørledninger til naturgas, så udnyttelse af selv høj kvalitet metan fra disse steder kræver en anden tilgang. Elk Creek er usædvanligt blandt amerikanske kulminer, idet det brænder metan for at generere elektricitet på stedet og sende denne elektricitet til det lokale elnet.
Lignende metan-til-energi-teknologi er installeret ved miner i Europa, Australien, Kina og andre lande i årtier. Men disse projekter har draget fordel af skattemæssige incitamenter og andre former for offentlig støtte såvel som dyre naturgas og elektricitet - som giver dem mulighed for at sælge metan konkurrencedygtigt til højere priser. Elk Creek tilbyder en model til udnyttelse af dette affald gennem private partnerskaber i en tid og et sted, hvor elektricitet fra naturgas er relativt billigt.
Tom Vessels, præsident for Denver, Colorado-baseret energiudvikler Vessels Coal and Gas, begyndte at søge partnere og finansfolk til et kulmine-metan-til-energi-projekt i 2005 efter at have turneret et antal miner med teknologien i Tyskland. De fleste amerikanske virksomheder, han kontaktede, var ikke bekendt med teknologien, siger Vessels og var tilbageholdende med at investere som et resultat. Det er sandt, at det ikke var blevet gjort i USA, siger han. ”Men vi tjekker den boks nu.”
I 2012 sikrede fartøjer 5, 4 millioner dollars i finansiering fra Aspen Skiing Company, et high-end resort-selskab, der sigter mod at generere renere energi og modveje emissionerne i forbindelse med dets egen el-brug. Holy Cross Energy, et elektricitetssamarbejde i landdistrikterne, underskrev at betale lidt over markedspriser for elektricitet fra projektet til gengæld for en 15-årig kontrakt og en ny, renere strømkilde.
Til sidst accepterede Elk Creek-ejeren Oxbow Mining, ledet af energimagnaten William Koch, at lade fartøjer installere udstyr i minen i bytte for et lille nedskæring af årligt strømforsyning. De fleste af indtægterne fra Holy Cross - omkring $ 650.000 pr. År eller ca. 12 procent af ASC's oprindelige investering - vil gå til resortfirmaet.
Politik på horisonten
Projektet begyndte at tilføre elektricitet til elnettet sidste år til distribution i det vestlige Colorado. Flere måneder senere vedtog Colorado en ny lov, der kræver store elektriske kooperationer i landdistrikterne, og de forsyningsselskaber, der tjener dem, for at hente 20 procent af deres energi fra vedvarende energikilder inden 2020 - en fordobling af et krav, der blev sat i 2004.
Loven anerkender metan ved siden af kontinuerligt genopfyldte ressourcer som vind og sol som en vedvarende ressource, en politik, der er stærkt imod nogle miljøgrupper og talsmænd for grøn energi. Jeremy Nichols, direktør for klima- og energiprogrammer for den almennyttige miljøadvokategruppe WildEarth Guardians, siger at klassificering af metan "ikke er formålet med en standard for vedvarende energi." Men at bruge metan til energi, siger han, slår status quo for at udlufte den til atmosfæren. ”I slutningen af dagen, ” siger han, ”er det at gøre det bedste ud af en dårlig ting.” Og over tid siger eksperter, at at bringe metan under det nye mandat kan øge efterspørgslen blandt Colorado-forsyningsvirksomhederne efter elektricitet fra projekter som Elk Creek.
Forandringer er også på fod på niveau. Præsident Obama har instrueret føderale agenturer om at "udvikle en omfattende metanstrategi", og Environmental Protection Agency har identificeret omkring 50 amerikanske kulminer, der viser løfte om at fange affald metan og brænde det eller konvertere det til elektricitet.
Forslag til metanergi er håbefulde, at en kommende afstemning i Californien i sidste ende vil gøre teknologien mere rentabel kyst til kyst. Statens luftregulatorer forventes snart at stemme om et forslag om at belønne metanreduktionsprojekter under dens cap-and-trade-program, som er designet til at hjælpe staten med at reducere sine drivhusgasemissioner til 1990-niveauer inden år 2020. Hvis det godkendes, skal protokol tillader kulmineoperatører og metanudledere landsdækkende at tjene kreditter for at reducere deres emissioner. Forurenere i Californien, der forventer at overskride statens maksimale emissionskvote, kan derefter købe disse kreditter som en måde at negere deres overskud på.
"Du har brug for en meget god pris på kulstof for at gøre [metanbegrænsning] levedygtig, " siger Clark Talkington, seniorkonsulent hos Advanced Resources International, der udvikler energi og kulstofbinding-projekter. "Jeg ved, at der er flere projekter, der sidder på sidelinjen, så hvis Californien kommer igennem, ville det bestemt føre dem frem."
I Elk Creek for eksempel forbrændes 84 procent af metan, der er fanget fra minen - nok til at generere $ 1 million værdi af elektricitet - simpelthen, fordi Holy Cross mangler budget og ønske om at købe mere energi fra projektet, og ingen andre kunder har været fundet. "Vi har bestemt øje med et andet projekt, " siger ASCs Schendler. "Men barrieren får en strømkøbsaftale fra et andet værktøj, der er til en acceptabel pris." ASC ville miste penge på projektet, hvis det solgte elektricitet til den typiske engrospris på 3, 5 cent pr. Kilowattime.
Innovation i værkerne
Udover politikken gør innovative teknikker det muligt at fange methan fra meget fortyndede kilder, såsom den ventilerede luft i mineaksler, og bruge den som brændstof til generatorer. I en stor kulmine i Kinas Henan-provinsen anvendes ventileret luft med metankoncentrationer, så lave 0, 3 procent, til at opvarme vand til minefaciliteter. Systemet sløjfer den ventilerede kulmineluft gennem kamre, der øger dens temperatur, indtil methanmolekyler bryder ned i kuldioxid og vand, og varmen fra denne reaktion indfanges.
I Australien kombinerer et kulfabrik, der ejes af BHP Billiton, ventileret luftmetan med stærkt koncentreret metan, der er drænet til borehuller, der bores nær minen, inden minedrift begynder. Blandet kan methan fra ventilationshullerne og afløbene brændes som brændstof. Dette system genererer varme til produktion af damp, som igen kører et lille kraftværk, der producerer i gennemsnit 10 gigawattimer om året.
Andre forskere søger at udvikle bedre filtre til adskillelse af metan i ventileret luft fra unødvendige gasser som kuldioxid og nitrogen. Forskere ved University of California, Berkeley og Lawrence Livermore National Laboratory har for eksempel set på et stærkt sorbent materiale præget af nanoskala porer kaldet nanoporøs zeolitter. Gruppen har brugt computermodeller til at teste næsten 100.000 forskellige zeolitstrukturer, siger Amitesh Maiti, en materialfysiker ved Lawrence Livermore laboratorium.
På dette tidspunkt forbliver forskningen i tidlige stadier. "Materialet er måske ikke så rent i det virkelige liv, som vi ser i disse modeller, " siger Maiti. Men hvis en nanoporøs zeolit eller andet materiale kan udvikles, der let fanger methanmolekyler, kan det dramatisk reducere omkostningerne ved generering af elektricitet fra den stærkt fortyndede affaldsmetan fra kulminer. I processen kan det gøre denne kilde af metan for værdifuld som brændstof til at fortsætte sin forrige mantel som et skadeligt, generende affald, der skal smides.
