В долината на Колорадо, където миньорите добиват въглища повече от век, второ гориво - метан - се измъква от дебелите черни шевове на рудника Elk Creek. Система от сондажи и тръби около мината фунии богат на метан газ до модифициран двигател на камиона. Използвайки трио генератори с един мегават, двигателят преобразува този метан в електричество за локалната електрическа мрежа.
Elk Creek е първият проект за метан-енергия в въглищна мина западно от Мисисипи и най-големият по рода си в цялата страна. Но въглищните мини като Elk Creek допринасят за около 10 процента от емисиите на метан в национален мащаб и 6 процента от метановите емисии в световен мащаб, и те продължават да отделят метан дълго след приключването на минните операции. Газът също попада от блата, промишлени димоотводи, сметища, ферми за добитък и операции с природен газ.
Всъщност толкова много метан навлиза в земната атмосфера всяка година, че в световен мащаб той е вторият най-голям принос за изменението на климата след въглеродния двуокис. Метанът се отделя по-бързо от въглерода, но силата му като парников газ за 100-годишен период е повече от 20 пъти по-голяма от тази на CO2.
Изгарянето на метана може да генерира енергия или полезна топлина, като същевременно намалява влиянието му върху климата - по същество намалявайки газа до по-слаба вара от вода и въглероден диоксид. В Elk Creek, изгаряйки малко над 670, кубически фута метан на ден - приблизително 16 процента от общите емисии на метан в мината - в двигателя с вътрешно горене се очаква да генерира 24 гигаватчата годишно. Това е достатъчно електроенергия за захранване на около 2000 домове.
Спряйки навлизането на метан в атмосферата, проектът ще предотврати емисиите, равняващи се на над 96 500 метрични тона CO2 годишно през следващите 15 години, според оценките на основния му финансист, Aspen Skiing Company. Това е около 10 дни стойност на въглеродните емисии от типична електроцентрала, работеща с въглища - недостатъчна, за да направи значима вдлъбнатина в глобалните емисии на парникови газове, но важна стъпка към превръщането на метана от проблемен отпадък в ценно гориво.
Съчетание от промени в политиката, нови креативни партньорства и технологични иновации сега означава, че Elk Creek може да ръководи много по-голяма вълна от подобни проекти, добиващи метан от въглищни мини.
Предизвикателството
В исторически план собствениците на мини като Elk Creek в САЩ не са имали малък стимул да използват метан. Днес газът продава толкова ниски цени спрямо други горива, че ще са необходими много години, за да се възстановят разходите за инсталиране на системите, необходими за събирането му. В резултат собствениците на мина просто позволяват на газта да влезе в земната атмосфера.
И доскоро технологията е ограничила операторите на мини да използват енергията само от въглеродните мини с относително високи концентрации на метан. При концентрации над 80 процента метан може да се инжектира в тръбопроводи за природен газ или да се превърне в втечнен природен газ за превозни средства. При концентрации около 20 до 40 процента, газът може да гориво за производство на енергия, както в Elk Creek, или промишлени котли, които генерират пара или топла вода. Според доклада на Организацията на обединените нации, повечето метан със средно и високо качество се използва за генериране на енергия или комбинация от мощност и полезна топлина. Този метан обикновено се събира в сондажи, пробити около площадката, преди да започне действителното изкопаване.
Голяма част от метана, който излиза от шахтите на мините на въглища, обаче е в ниски концентрации, смесени заедно с азот, кислород и други замърсители. Това е така, защото операторите обикновено използват вентилационни системи за разреждане на всеки изтичащ метан в шахтите на шахти с чист въздух за безопасност на работниците: при концентрация от 5 до 15 процента във въздуха метанът е взривоопасен, а за здравословно дишане са необходими концентрации под 1%.
След като метанът се смеси с други газове във вентилационните системи, става трудно да се използва като гориво, тъй като сместа няма да изгори и метанът е труден за филтриране.
Отчасти поради тези предизвикателства, атмосферният вентилиран въздух с метан обикновено се изпуска в атмосферата, както е в Elk Creek. Само около 20 от повече от 500 активни подземните въглищни мини в цялата страна са инсталирали всякакъв вид система за улавяне на метан или преобразуването му в електричество. И от тези 20 мини, повечето просто вземат метан, събран в отводнителни отвори и го инжектират в близки газопроводи за природен газ за използване от домове и предприятия.
Партньори за нов подход
В западни щати като Колорадо, въглищните мини често са разположени далеч от газопроводи за природен газ, така че използването на дори висококачествен метан от тези обекти изисква различен подход. Elk Creek е необичаен сред американските въглищни мини, тъй като гори метан, за да генерира електроенергия на място и изпраща електроенергията до местната електрическа мрежа.
Подобна технология за метан-енергия е инсталирана в мини в Европа, Австралия, Китай и други страни от десетилетия. Но тези проекти са се възползвали от данъчни стимули и други форми на обществена подкрепа, както и от по-скъп природен газ и електроенергия, което им позволява да продават метан конкурентно на по-високи цени. Elk Creek предлага модел за събиране на тези отпадъци чрез частни партньорства във време и място, където електричеството от природен газ е сравнително евтино.
Том Веселс, президент на Денвър, базирания в Колорадо енергиен разработчик Vessels Coal and Gas, започна да търси партньори и финансисти за проект за въвеждане в експлоатация на метан за производство на въглища през 2005 г., след като обиколи редица мини, използващи технологията в Германия. Повечето американски компании, към които се е обърнал, не са били запознати с технологията, казва Веселс и не са склонни да инвестират в резултат. Вярно, това не беше направено в САЩ, казва той. "Но ние проверяваме това квадратче сега."
През 2012 г. Vessels е осигурил 5, 4 милиона долара финансиране от Aspen Skiing Company, курортна компания от висок клас, която има за цел да генерира по-чиста енергия и да компенсира емисиите, свързани със собственото й използване на електроенергия. Holy Cross Energy, селска електрическа кооперация, подписа да плати малко над пазарните цени за ток от проекта в замяна на 15-годишен договор и нов, по-чист източник на електроенергия.
И накрая, собственикът на Elk Creek Oxbow Mining, воден от енергийния магнат Уилям Кох, се съгласи да позволи на Vessels да инсталира оборудване в мината си в замяна на малък спад на годишните продажби на електроенергия. По-голямата част от приходите от Holy Cross - около 650 000 долара годишно, или около 12 процента от първоначалната инвестиция на ASC - ще отидат за курортната компания.
Политики на хоризонта
Проектът започна подаване на електроенергия към електропреносната мрежа през миналата година за разпространение в западен Колорадо. Няколко месеца по-късно Колорадо прие нов закон, който изисква големи селски електрически кооперации и комунални услуги, които ги обслужват, да получат 20 процента от енергията си от възобновяеми източници до 2020 г. - удвояване на изискването, заложено през 2004 г.
Законът признава метана наред с постоянно попълваните ресурси като вятър и слънчева енергия като възобновяем ресурс, политика, която силно се противопоставя на някои екологични групи и защитници на зелената енергия. Джеръми Никълс, директор на климатични и енергийни програми за нестопанската застъпническа група за защита на околната среда WildEarth Guardians, казва, че класифицирането на метана „не е целта на стандарта за възобновяема енергия“. Но използването на метан за енергия, според него, победи статуквото за изхвърлянето му в атмосферата. „В края на деня, казва той, „ това е най-доброто от лошо нещо. “С течение на времето експертите казват, че привеждането на метан в новия мандат може да увеличи търсенето на електроенергия от Колорадо за електроенергия от проекти като Elk Creek.
Промяната също е на федерално ниво. Президентът Обама насочи федералните агенции да "разработят цялостна метанова стратегия", а Агенцията за опазване на околната среда идентифицира около 50 въглищни мини в САЩ, които показват обещание за улавяне на отпадъци от метан и изгарянето му или превръщането му в електричество.
Привържениците на енергията на метана се надяват, че предстоящото гласуване в Калифорния в крайна сметка ще направи технологията по-изгодна за крайбрежието. Въздушните регулатори на държавата ще планират скоро да гласуват предложение за възнаграждение на проекти за намаляване на метана в рамките на неговата програма за ограничаване и търговия, чиято цел е да помогне на държавата да намали своите емисии на парникови газове до нивата от 1990 г. до 2020 г. Ако бъде одобрен, Протоколът ще позволи на операторите на въглищни мини и на емисиите на метан в цялата страна да печелят кредити за намаляване на емисиите си. Замърсителите в Калифорния, които очакват да надвишат максималните държавни квоти за емисии, могат да закупят тези кредити като начин да отменят надвишаването им.
„Нуждаете се от много добра цена на въглерода, за да направите [ограничаването на метана] жизнеспособна“, казва Кларк Талингтън, старши консултант в Advanced Resources International, който разработва проекти за енергийни и секвестиращи въглеродни емисии. "Знам, че има няколко проекта, които седят в кулоарите, така че ако Калифорния премине, това определено ще ги задвижи напред."
В Elk Creek, например, 84 процента метан, улавен от рудника - достатъчно, за да генерира електроенергия на стойност 1 милион долара, просто се изгаря, тъй като на Holy Cross липсва бюджет и желание за закупуване на повече енергия от проекта, а други клиенти не са били намерен. "Определено имаме око за друг проект", казва Шендлер на ASC. „Но бариерата е получаване на споразумение за закупуване на енергия от друга полезна програма, която е на приемлива цена.“ ASC би загубил пари по проекта, ако продава електричество при типичната цена на едро от 3, 5 цента на киловатчас.
Иновации в произведенията
Отвъд политиката, иновативните техники позволяват да се очисти метан от много разредени източници, като например вентилирания въздух в шахтите, и да се използва като гориво за генератори. В голяма въглищна мина в китайската провинция Хенан, вентилиран въздух с ниски концентрации на метан се използва за загряване на вода за рудни съоръжения. Системата пропуска вентилиран въздух от рудни въглища през камери, които повишават температурата си, докато молекулите на метана не се разпадат на въглероден диоксид и вода и топлината от тази реакция се улавя.
В Австралия завод за въглища, собственост на BHP Billiton, комбинира метан с вентилиран въздух с високо концентриран метан, който е изтичан в сондажи, пробити в близост до рудника, преди да започне минното дело. Смесен заедно, метанът от отворите и каналите може да се изгори като гориво. Тази система генерира топлина за производство на пара, която от своя страна работи с малка електроцентрала, произвеждаща средно 10 гигаватчаса годишно.
Други учени искат да разработят по-добри филтри за отделяне на метана във вентилиран въздух от ненужни газове като въглероден диоксид и азот. Учени от Калифорнийския университет, Бъркли и Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, например, разгледаха високо сорбентен материал, белязан от наномащабни пори, наречени нанопористи зеолити. Групата е използвала компютърни модели за тестване на близо 100 000 различни зеолитни структури, казва Амитеш Маити, физик по материали в лабораторията на Лорънс Ливърмор.
На този етап изследването остава в ранни етапи. "Материалът може да не е толкова чист в реалния живот, както виждаме в тези модели", казва Мейти. Но ако може да се разработи нанопорен зеолит или друг материал, който лесно улавя метанови молекули, това може драстично да намали разходите за генериране на електричество от силно разредения отпадъчен метан на въглищните мини. В процеса може да се направи този източник на метан твърде ценен като гориво, за да носи предишната си мантия като вредни, неприятни отпадъци, които да бъдат изхвърлени.
