Σε μια κοιλάδα του Κολοράντο όπου οι ανθρακωρύχοι έχουν συλλέξει άνθρακα για περισσότερο από έναν αιώνα, ένα δεύτερο καύσιμο-μεθάνιο-δραπετεύει από τις παχιές μαύρες ραφές του ορυχείου Elk Creek. Ένα σύστημα γεωτρήσεων και αγωγών γύρω από τις χοάνες ανθρακωρύχων πλούσιο σε μεθάνιο αέριο σε μια τροποποιημένη μηχανή φορτηγών. Χρησιμοποιώντας ένα τρίο γεννητριών ενός μεγαβάτ, ο κινητήρας μετατρέπει αυτό το μεθάνιο σε ηλεκτρική ενέργεια για το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο.
Το Elk Creek είναι το πρώτο έργο μεθανίου-ενέργειας σε ανθρακωρυχείο δυτικά του Μισισιπή και το μεγαλύτερο του είδους του σε εθνικό επίπεδο. Αλλά τα ανθρακωρυχεία όπως ο Elk Creek συμβάλλουν περίπου το 10% των εκπομπών μεθανίου σε εθνικό επίπεδο και το 6% των εκπομπών μεθανίου παγκοσμίως και συνεχίζουν να απελευθερώνουν μεθάνιο πολύ μετά την ολοκλήρωση των εργασιών εξόρυξης. Το φυσικό αέριο εμφανίζεται επίσης από βάλτους, βιομηχανικούς αγωγούς, χώρους υγειονομικής ταφής, εκμεταλλεύσεις βοοειδών και επιχειρήσεις φυσικού αερίου.
Στην πραγματικότητα, τόσο πολύ μεθάνιο εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης κάθε χρόνο που παγκοσμίως είναι η δεύτερη μεγαλύτερη συνεισφορά στην αλλαγή του κλίματος μετά από διοξείδιο του άνθρακα. Το μεθάνιο διαλύεται ταχύτερα από τον άνθρακα, αλλά η ισχύς του ως αέριο θερμοκηπίου σε μια περίοδο 100 ετών είναι περισσότερο από 20 φορές υψηλότερη από εκείνη του CO2.
Η καύση του μεθανίου μπορεί να παράγει ενέργεια ή χρήσιμη θερμότητα μειώνοντας παράλληλα την επίδρασή του στο κλίμα - ουσιαστικά μειώνοντας το αέριο σε μια ασθενέστερη ποσότητα νερού και διοξειδίου του άνθρακα. Στο Elk Creek, που καίγεται μόλις πάνω από 670, ooo κυβικά μέτρα μεθανίου ανά ημέρα - περίπου το 16% των συνολικών εκπομπών μεθανίου του ορυχείου - σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης αναμένεται να παράγει 24 gigawatt ώρες ετησίως. Αυτό είναι αρκετό για να τροφοδοτήσει περίπου 2.000 σπίτια.
Με το σταμάτημα του μεθανίου να εισέλθει στην ατμόσφαιρα, το έργο θα αποτρέψει εκπομπές ισοδύναμες με περισσότερους από 96.500 μετρικούς τόνους CO2 ετησίως τα επόμενα 15 χρόνια, σύμφωνα με εκτιμήσεις του κύριου χρηματοδότη του, Aspen Skiing Company. Πρόκειται για εκπομπές άνθρακα αξίας περίπου 10 ημερών από ένα τυπικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύση άνθρακα - που δεν επαρκεί για να προκαλέσουν σημαντική μείωση στις παγκόσμιες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, αλλά ένα σημαντικό βήμα για τη μετατροπή του μεθανίου από ένα προβληματικό απόβλητο σε ένα πολύτιμο καύσιμο.
Ένας συνδυασμός αλλαγών πολιτικής, δημιουργικών νέων εταιρικών σχέσεων και τεχνολογικής καινοτομίας σημαίνει τώρα ότι ο Elk Creek θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα πολύ μεγαλύτερο κύμα παρόμοιων έργων που συλλέγουν μεθάνιο από ανθρακωρυχεία.
Η πρόκληση
Ιστορικά, οι ιδιοκτήτες ορυχείων όπως ο Elk Creek στις ΗΠΑ είχαν ελάχιστα κίνητρα να κάνουν χρήση του μεθανίου. Το αέριο πωλεί για τέτοιες χαμηλές τιμές αυτές τις μέρες σε σχέση με άλλα καύσιμα που θα χρειαστούν πολλά χρόνια για να ανακτηθεί το κόστος εγκατάστασης των συστημάτων που είναι απαραίτητα για τη συγκομιδή του. Ως αποτέλεσμα, οι ιδιοκτήτες ορυχείων απλώς επιτρέπουν στο αέριο να εισέλθει στην ατμόσφαιρα της γης.
Μέχρι πρόσφατα, η τεχνολογία έχει περιορίσει τους μεταφορείς να εκμεταλλευτούν ενέργεια μόνο από τις εκπομπές ορυχείων άνθρακα με σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις μεθανίου. Σε συγκεντρώσεις άνω του 80%, το μεθάνιο μπορεί να ενεθεί σε αγωγούς φυσικού αερίου ή να μετατραπεί σε υγροποιημένο φυσικό αέριο για οχήματα. Σε συγκεντρώσεις περίπου 20 έως 40 τοις εκατό, το φυσικό αέριο μπορεί να τροφοδοτήσει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όπως συμβαίνει στην Elk Creek, ή βιομηχανικούς λέβητες που παράγουν ατμό ή ζεστό νερό. Σύμφωνα με μια έκθεση των Ηνωμένων Εθνών, το μεγαλύτερο μέρος μεθανίου μέσης και υψηλής ποιότητας χρησιμοποιείται για τη δημιουργία είτε ισχύος είτε συνδυασμού ισχύος και χρήσιμης θερμότητας. Αυτό το μεθάνιο συνήθως συλλέγεται σε γεωτρήσεις που έχουν διανοιχτεί γύρω από τον τόπο πριν αρχίσει η πραγματική εξόρυξη.
Μεγάλο μέρος του μεθανίου που προέρχεται από άξονες ορυχείων άνθρακα, ωστόσο, είναι σε χαμηλές συγκεντρώσεις, αναμειγνύεται μαζί με άζωτο, οξυγόνο και άλλες προσμείξεις. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι χειριστές χρησιμοποιούν συνήθως συστήματα εξαερισμού για να αραιώσουν τυχόν διαρροή μεθανίου σε άξονες ορυχείων με καθαρό αέρα για την ασφάλεια των εργαζομένων: σε συγκέντρωση 5 έως 15% στον αέρα, το μεθάνιο είναι εκρηκτικό και απαιτούνται συγκεντρώσεις κάτω του 1% για υγιή αναπνοή.
Μόλις το μεθάνιο αναμιχθεί με άλλα αέρια στα συστήματα εξαερισμού, γίνεται δύσκολο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο επειδή το μείγμα δεν καίγεται και το μεθάνιο είναι δύσκολο να φιλτραριστεί.
Λόγω εν μέρει αυτών των προκλήσεων, ο εξαεριωμένος αέρας με μεθάνιο απελευθερώνεται συνήθως στην ατμόσφαιρα, όπως στον Elk Creek. Μόνο περίπου 20 από τις περισσότερες από 500 ενεργές υπόγειες ανθρακωρυχεία σε εθνικό επίπεδο έχουν εγκαταστήσει οποιοδήποτε τύπο συστήματος για τη σύλληψη του μεθανίου ή τη μετατροπή του σε ηλεκτρική ενέργεια. Και από αυτά τα 20 ορυχεία, τα περισσότερα απλά παίρνουν το μεθάνιο που συλλέγεται σε τρύπες αποστράγγισης και το ενίουν σε κοντινούς αγωγούς φυσικού αερίου για χρήση από σπίτια και επιχειρήσεις.
Συνεργάτες για μια νέα προσέγγιση
Στα δυτικά κράτη όπως το Κολοράντο, τα ανθρακωρυχεία βρίσκονται συχνά μακριά από τους αγωγούς φυσικού αερίου, οπότε και η αξιοποίηση ακόμη και υψηλής ποιότητας μεθανίου από αυτές τις τοποθεσίες απαιτεί μια διαφορετική προσέγγιση. Ο Elk Creek είναι ασυνήθιστος μεταξύ των ανθρακωρυχείων στις ΗΠΑ, επειδή καίγεται μεθανίου για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια στο εργοτάξιο και αποστέλλει αυτή την ηλεκτρική ενέργεια στο τοπικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.
Παρόμοια τεχνολογία μεθανίου προς ενέργεια έχει εγκατασταθεί σε ορυχεία στην Ευρώπη, την Αυστραλία, την Κίνα και άλλες χώρες εδώ και δεκαετίες. Ωστόσο, τα έργα αυτά επωφελήθηκαν από φορολογικά κίνητρα και άλλες μορφές δημόσιας στήριξης, καθώς και από το δαπανηρότερο φυσικό αέριο και τον ηλεκτρισμό - που τους επιτρέπει να πωλούν μεθανίου ανταγωνιστικά σε υψηλότερες τιμές. Ο Elk Creek προσφέρει ένα μοντέλο για την αξιοποίηση αυτών των αποβλήτων μέσω ιδιωτικών εταιρικών σχέσεων σε χρόνο και τόπο όπου η ηλεκτρική ενέργεια από φυσικό αέριο είναι σχετικά φθηνή.
Ο Tom Vessels, πρόεδρος του Denver, με έδρα το Κολοράντο, ο κατασκευαστής ενέργειας Coal and Gas, άρχισε να αναζητά συνεργάτες και χρηματοδότες για ένα έργο ανθρακωρυχείων μεθανίου σε ενέργεια το 2005, μετά από περιηγήσεις σε αρκετά ορυχεία χρησιμοποιώντας την τεχνολογία στη Γερμανία. Οι περισσότερες εταιρείες των ΗΠΑ στις οποίες προσέγγισε δεν ήταν εξοικειωμένες με την τεχνολογία, λένε τα σκάφη και απρόθυμα να επενδύσουν ως αποτέλεσμα. Είναι αλήθεια ότι δεν είχε γίνει στις ΗΠΑ, λέει. "Αλλά ελέγχουμε το κουτί τώρα."
Το 2012, τα σκάφη εξασφάλισαν χρηματικά ποσά ύψους 5, 4 εκατομμυρίων δολαρίων από την Aspen Skiing Company, μια εταιρία θέρετρων υψηλών προδιαγραφών με στόχο να παράγει καθαρότερη ενέργεια και να αντισταθμίσει τις εκπομπές που σχετίζονται με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας. Η Holy Cross Energy, ένας αγροτικός συνεταιρισμός ηλεκτρικής ενέργειας, υπογράφηκε για να πληρώσει ελαφρώς πάνω από τα επιτόκια της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από το έργο με αντάλλαγμα 15ετή σύμβαση και νέα, καθαρότερη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τέλος, ο ιδιοκτήτης του Elk Creek, Oxbow Mining, με επικεφαλής τον μεγιστάνα ενέργειας William Koch, συμφώνησε να επιτρέψει στα σκάφη να εγκαταστήσουν εξοπλισμό στο ορυχείο του, σε αντάλλαγμα για μια μικρή περικοπή των ετήσιων πωλήσεων ισχύος. Τα περισσότερα από τα έσοδα από τον Τίμιο Σταυρό - περίπου 650.000 δολάρια ετησίως, ή περίπου το 12% της αρχικής επένδυσης της ASC - θα πάνε στην ξενοδοχειακή μονάδα.
Πολιτικές στον ορίζοντα
Το έργο άρχισε να τροφοδοτεί την ηλεκτρική ενέργεια στο ηλεκτρικό δίκτυο πέρυσι για διανομή σε όλο το δυτικό Κολοράντο. Λίγες μήνες αργότερα, το Κολοράντο πέρασε έναν νέο νόμο που απαιτεί μεγάλα αγροτικά ηλεκτρικά συνεργεία και τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας που τους εξυπηρετούν να αποκτήσουν το 20% της ενέργειας τους από ανανεώσιμες πηγές έως το 2020 - διπλασιάζοντας την απαίτηση που είχε τεθεί το 2004.
Ο νόμος αναγνωρίζει το μεθάνιο παράλληλα με τους συνεχώς ανανεωμένους πόρους, όπως ο αιολικός και ο ηλιακός, ως ανανεώσιμος πόρος, μια πολιτική έντονα αντίθετη από ορισμένες περιβαλλοντικές ομάδες και υποστηρικτές της πράσινης ενέργειας. Ο Jeremy Nichols, διευθυντής προγραμμάτων κλιματικών και ενεργειακών προγραμμάτων για το μη κερδοσκοπικό οργανισμό περιβαλλοντικής υπεράσπισης WildEarth Guardians, λέει ότι η ταξινόμηση του μεθανίου "δεν είναι ο σκοπός ενός προτύπου ανανεώσιμης ενέργειας". Αλλά χρησιμοποιώντας το μεθάνιο για την ενέργεια, λέει, χτυπάει το status quo του αερισμού του στην ατμόσφαιρα. "Με την πάροδο του χρόνου, οι ειδικοί λένε ότι η εισαγωγή μεθάνιου στο πλαίσιο της νέας εντολής θα μπορούσε να αυξήσει τη ζήτηση μεταξύ επιχειρήσεων του Κολοράντο για ηλεκτρική ενέργεια από έργα όπως το Elk Creek.
Η αλλαγή βρίσκεται και σε ομοσπονδιακό επίπεδο. Ο Πρόεδρος Ομπάμα έχει καθοδηγήσει τις ομοσπονδιακές υπηρεσίες να «αναπτύξουν μια ολοκληρωμένη στρατηγική για το μεθάνιο» και η Υπηρεσία Περιβαλλοντικής Προστασίας έχει εντοπίσει περίπου 50 ανθρακωρυχεία στις ΗΠΑ που δείχνουν υπόσχεση για τη δέσμευση των αποβλήτων μεθανίου και την καύση ή τη μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια.
Οι υποστηρικτές της ενέργειας με μεθάνιο ελπίζουν ότι μια επικείμενη ψηφοφορία στην Καλιφόρνια θα καταστήσει τελικά την πιο κερδοφόρα τεχνολογία για την ακτή. Οι ρυθμιστικές αρχές του κράτους αναμένεται να ψηφίσουν σύντομα πρόταση για την επιβράβευση έργων μείωσης του μεθανίου στο πλαίσιο του προγράμματος cap-and-trade, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να βοηθήσει το κράτος να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου στα επίπεδα του 1990 μέχρι το έτος 2020. θα επέτρεπε στους μεταφορείς ναρκών και τους εκπομπούς μεθανίου σε εθνικό επίπεδο να κερδίζουν πιστώσεις για τη μείωση των εκπομπών τους. Οι ρυπαίνοντες της Καλιφόρνια που αναμένουν να υπερβούν το ανώτατο όριο εκπομπών του κράτους θα μπορούσαν στη συνέχεια να αγοράσουν αυτές τις πιστώσεις ως έναν τρόπο να αρνηθούν την υπέρμετρη έκβασή τους.
"Χρειάζεται μια πολύ καλή τιμή για τον άνθρακα, ώστε να καταστεί βιώσιμη η μείωση του μεθανίου", λέει ο Clark Talkington, ανώτερος σύμβουλος της Advanced Resources International, ο οποίος αναπτύσσει ενεργειακά και ανθρακωρυχεία. "Ξέρω ότι υπάρχουν πολλά προγράμματα που βρίσκονται στο περιθώριο, οπότε αν έρθει η Καλιφόρνια, θα οδηγούσε σίγουρα όσους προχωρούν".
Στο Elk Creek, για παράδειγμα, το 84% του μεθανίου που συλλέχθηκε από το ορυχείο - αρκετό για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια αξίας 1 εκατ. Δολαρίων, απλώς καίγεται επειδή ο Holy Cross δεν διαθέτει τον προϋπολογισμό και επιθυμεί να αγοράσει περισσότερη ενέργεια από το έργο και κανένας άλλος πελάτης βρέθηκαν. "Έχουμε σίγουρα μάτι για ένα άλλο έργο", λέει ο Schendler της ASC. "Αλλά το φράγμα παίρνει μια συμφωνία αγοράς ενέργειας από μια άλλη χρησιμότητα που είναι σε μια αποδεκτή τιμή." Η ASC θα χάσει χρήματα για το έργο εάν πωλήσει ηλεκτρική ενέργεια με τυπικό χονδρικό ποσοστό 3, 5 σεντ ανά κιλοβατώρα.
Καινοτομία στα Έργα
Πέρα από την πολιτική, οι καινοτόμες τεχνικές καθιστούν δυνατή τη σάρωση του μεθανίου από πολύ αραιές πηγές, όπως ο αεριζόμενος αέρας στους ορυχεία, και το χρησιμοποιούν ως καύσιμο για γεννήτριες. Σε ένα μεγάλο ανθρακωρυχείο στην επαρχία Χενάν της Κίνας, ο εξαεριζόμενος αέρας με συγκεντρώσεις μεθανίου χαμηλό 0, 3% χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού για τις εγκαταστάσεις του ορυχείου. Το σύστημα βρόχους αερίζεται τον αέριο ορυχείο άνθρακα μέσω των θαλάμων που αυξάνουν τη θερμοκρασία του μέχρι τα μόρια του μεθανίου να διασπαστούν σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, και η θερμότητα από αυτή την αντίδραση συλλαμβάνεται.
Στην Αυστραλία, ένα εργοστάσιο άνθρακα που ανήκει στην BHP Billiton συνδυάζει αεριωμένο μεθάνιο αέρα με εξαιρετικά πυκνό μεθάνιο που έχει αποστραγγιστεί σε γεώτρηση κοντά στο ορυχείο πριν από την εξόρυξη. Ανάμεικτα, το μεθάνιο από τις οπές εξαερισμού και τις αποχετεύσεις μπορεί να καεί ως καύσιμο. Το σύστημα αυτό παράγει θερμότητα για την παραγωγή ατμού, ο οποίος με τη σειρά του λειτουργεί μια μικρή μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που παράγει κατά μέσο όρο 10 gigawatt ώρες ετησίως.
Άλλοι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν καλύτερα φίλτρα για τον διαχωρισμό του μεθανίου στον αεριζόμενο αέρα από αχρήστων αερίων όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο. Οι επιστήμονες με το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, το Μπέρκλεϊ και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, για παράδειγμα, εξέτασαν ένα εξαιρετικά ροφητικό υλικό που χαρακτηρίζεται από πόρους νανο-κλίμακας που ονομάζονται νανοπορικοί ζεόλιθοι. Η ομάδα χρησιμοποίησε μοντέλα υπολογιστών για να ελέγξει σχεδόν 100.000 διαφορετικές δομές ζεολίθου, λέει ο Amitesh Maiti, φυσικός των υλικών στο εργαστήριο του Lawrence Livermore.
Σε αυτό το σημείο, η έρευνα παραμένει σε πρώιμα στάδια. "Το υλικό μπορεί να μην είναι τόσο καθαρό στην πραγματική ζωή όσο βλέπουμε σε αυτά τα μοντέλα", λέει ο Maiti. Ωστόσο, εάν μπορεί να αναπτυχθεί ένας νανοπορώδης ζεόλιθος ή άλλο υλικό που συλλαμβάνει εύκολα τα μόρια του μεθανίου, θα μπορούσε να μειώσει δραματικά το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού από το εξαιρετικά αραιωμένο μεθάνιο των ανθρακωρυχείων. Κατά τη διαδικασία αυτή, θα μπορούσε να καταστήσει αυτή την πηγή μεθανίου πολύ πολύτιμη ως καύσιμο για να μεταφέρει το προηγούμενο μανδύα της ως βλαβερό, ενοχλητικό απόβλητο που θα απορριφθεί.
