U dolini Kolorada, gdje su rudari prikupljali ugljen više od jednog stoljeća, drugo gorivo - metan - bježi iz gustih crnih šavova rudnika Elk Creek. Sustav bušotina i cijevi oko rudnika odvodi plin bogati metanom modificiranim motorom kamiona. Pomoću tria agregata od jednog megavata, motor pretvara ovaj metan u električnu energiju za lokalnu elektroenergetsku mrežu.
Elk Creek je prvi projekt metan-energija u rudniku ugljena zapadno od Mississippija i najvećem te vrste širom zemlje. No, rudnici ugljena poput Elk Creeka doprinose oko 10 posto emisije metana na nacionalnoj razini i 6 posto emisije metana širom svijeta, i nastavljaju sa ispuštanjem metana dugo nakon što su rudarske operacije završene. Plin također dolazi iz močvara, industrijskih dimovoda, odlagališta otpada, farmi goveda i operacijama s prirodnim plinom.
U stvari, toliko metana ulazi u Zemljinu atmosferu svake godine da je globalno drugi najveći doprinos klimatskim promjenama nakon ugljičnog dioksida. Metan se rastvara brže od ugljika, ali njegova je snaga stakleničkih plinova tijekom razdoblja od 100 godina veća od 20 puta veća od CO2.
Izgaranje metana može stvarati energiju ili korisnu toplinu uz smanjenje utjecaja na klimu - bitno smanjujući plin na slabiju količinu vode i ugljičnog dioksida. U Elk Creeku, koji sagorijeva nešto više od 670, ooo kubičnih metara metana dnevno - otprilike 16 posto ukupne emisije metana u rudniku, u motoru s unutarnjim sagorijevanjem očekuje se da godišnje stvara 24 gigavat-sata. To je dovoljno električne energije za napajanje otprilike 2000 domova.
Zaustavljanjem metana da uđe u atmosferu, projekt će spriječiti emisiju koja je ekvivalentna više od 96.500 metričkih tona CO2 godišnje tijekom sljedećih 15 godina, prema procjenama njegovog glavnog osiguravača, Aspen skijaške kompanije. To je otprilike 10 dana vrijednosti ugljičnih emisija iz tipične elektrane na ugalj - nedovoljno da bi se napravila značajna mrlja u globalnoj emisiji stakleničkih plinova, ali važan korak prema pretvaranju metana iz problematičnog otpada u vrijedno gorivo.
Kombinacija promjena politike, kreativnih novih partnerstava i tehnoloških inovacija sada znači da bi Elk Creek mogao voditi puno veći val sličnih projekata izvlačenja metana iz rudnika ugljena.
Izazov
Povijesno gledano, vlasnici rudnika poput Elk Creeka u SAD-u imali su malo poticaja da koriste metan. Plin se ovih dana prodaje po tako niskim cijenama u odnosu na druga goriva da bi bilo potrebno mnogo godina da nadoknade troškove instaliranja sustava potrebnih za prikupljanje. Kao rezultat, vlasnici rudnika jednostavno dopuštaju plinu da uđe u zemljinu atmosferu.
I donedavno je tehnologija ograničila rudarske pogone na korištenje energije samo iz emisija rudnika ugljena s relativno visokim koncentracijama metana. U koncentracijama iznad 80 posto, metan se može ubrizgati u cjevovode za prirodni plin ili pretvoriti u ukapljeni prirodni plin za vozila. U koncentraciji od oko 20 do 40 posto, plin može poticati proizvodnju električne energije kao što je to slučaj u Elk Creeku ili industrijske kotlove koji stvaraju paru ili toplu vodu. Prema izvješću Ujedinjenih naroda, većina metana srednje i visoke kvalitete koristi se za proizvodnju energije ili kombinacije snage i korisne topline. Taj se metan obično skuplja u bušotinama izbušenim oko mjesta prije nego što započne stvarni rudarstva.
Veći dio metana koji dolazi iz rudnika ugljena nalazi se u malim koncentracijama, pomiješan s dušikom, kisikom i drugim onečišćenjima. To je zbog toga što operatori obično koriste ventilacijske sustave za razrjeđivanje bilo kog metana koji propušta u rudničke šahte svježim zrakom radi sigurnosti radnika: u koncentraciji od 5 do 15 posto u zraku je metan eksplozivan, a za zdravo disanje potrebne su koncentracije ispod 1 posto.
Jednom kada se metan miješa s drugim plinovima u ventilacijskim sustavima, postaje ga teško koristiti kao gorivo jer se smjesa neće sagorjeti, a metan je teško filtrirati.
Djelomično zbog ovih izazova, prozračeni zrak s metanom obično se ispušta u atmosferu, kao što je to slučaj u Elk Creeku. Samo oko 20 od više od 500 aktivnih u podzemnim rudnicima ugljena širom zemlje ugradili su bilo koju vrstu sustava za hvatanje metana ili pretvaranje u električnu energiju. A od tih 20 mina, većina jednostavno uzima metan prikupljen u odvodnim rupama i ubrizgava ga u obližnje cjevovode za prirodni plin za upotrebu kućama i tvrtkama.
Partneri za novi pristup
U zapadnim državama poput Kolorada, rudnici ugljena često se nalaze daleko od cjevovoda za prirodni plin, pa je za iscrpljivanje čak i visokokvalitetnog metana s ovih mjesta potrebno drugačiji pristup. Elk Creek je neuobičajen među američkim rudnicima ugljena po tome što gori metan za proizvodnju električne energije na licu mjesta i slanje te električne energije u lokalnu elektroenergetsku mrežu.
Slična tehnologija metan-energija instalirana je u rudnicima u Europi, Australiji, Kini i drugim zemljama već desetljećima. Ali ti su projekti imali koristi od poreznih olakšica i drugih oblika javne potpore, kao i skupljeg prirodnog plina i električne energije - što im omogućava da prodaju metan konkurentno po višim cijenama. Elk Creek nudi model za odvoz ovog otpada privatnim partnerstvima u vremenu i mjestu gdje je struja iz prirodnog plina relativno jeftina.
Tom Vessels, predsjednik Denvera, energetski razvijeni proizvođač Vessels Coal and Gas, počeo je tražiti partnere i finansijere za projekt proizvodnje metana u energiju iz ugljena nakon 2005. godine, nakon što je obišao više rudnika koristeći tu tehnologiju u Njemačkoj. Većina američkih tvrtki kojima je pristupio nisu bili upoznati s tehnologijom, kaže Vessels, i nerado ulažu kao rezultat. Točno, to nije učinjeno u SAD-u, kaže on. "Ali sada provjeravamo taj okvir."
U 2012. godini, Brodovi su osigurali 5, 4 milijuna dolara financiranja od Aspen Skiing Company, odmarališta visoke klase, koje je imalo za cilj generirati čistiju energiju i uravnotežiti emisije povezane s vlastitom potrošnjom električne energije. Holy Cross Energy, seoska elektroenergetska zadruga, potpisala je da plaća nešto iznad tržišnih stopa električne energije iz projekta u zamjenu za 15-godišnji ugovor i novi, čistiji izvor električne energije.
Napokon, vlasnik kompanije Elk Creek Oxbow Mining, predvođen energetskim magnatom Williamom Kochom, pristao je pustiti Veslale da instaliraju opremu u svoj rudnik u zamjenu za mali pad godišnje prodaje električne energije. Većina prihoda od Holy Cross-a - oko 650.000 USD godišnje, ili oko 12 posto ASC-ovog izvornog ulaganja - pripalo će ljetovalištu.
Politike na horizontu
Projekt je počeo napajati električnu energiju prošle godine za distribuciju u zapadnom Koloradu. Nekoliko mjeseci kasnije, Colorado je donio novi zakon kojim su potrebna velika seoska električna poduzeća i komunalne usluge koje im opslužuju da do 2020. godine dobiju 20 posto svoje energije iz obnovljivih izvora - udvostručujući zahtjev postavljen 2004. godine.
Zakon priznaje da se metan uz stalno obnavljajuće resurse poput vjetra i sunca koristi kao obnovljivi resurs, politici koju snažno protive neke ekološke skupine i zagovornici zelene energije. Jeremy Nichols, direktor klimatskih i energetskih programa za neprofitnu grupu zagovaranja zaštite okoliša WildEarth Guardians, kaže da razvrstavanje metana "nije svrha standarda obnovljivih izvora energije". Ali, upotreba metana za energiju, kaže, premašuje status quo odzračivanja ga u atmosferu. "Na kraju dana, " kaže on, "to je najbolje od lošeg." S vremenom, stručnjaci kažu kako bi dovođenje metana u novi mandat moglo povećati potražnju komunalnih poduzeća za kolorado za električnom energijom iz projekata poput Elk Creeka.
Promjene su također na saveznoj razini. Predsjednik Obama uputio je savezne agencije na "izradu sveobuhvatne strategije metana", a Agencija za zaštitu okoliša identificirala je oko 50 američkih rudnika ugljena koji pokazuju obećanje za hvatanje otpadnog metana i njegovo spaljivanje ili pretvaranje u električnu energiju.
Zagovornici energije metana nadaju se da će nadolazeće glasanje u Kaliforniji u konačnici učiniti tehnologiju profitabilnijom obalom. Državni zračni regulatori uskoro će glasovati o prijedlogu za nagrađivanje projekata smanjenja metana u okviru svog programa ograničavanja i trgovine, koji je osmišljen kako bi pomogao državi da do 2020. smanji emisije stakleničkih plinova do razine 1990. Ako bude odobrena, protokolom bi se omogućilo operatorima rudnika uglja i emisijama metana u cijeloj zemlji da zarade kreditne za smanjenje svojih emisija. Kalifornijski zagađivači koji očekuju da prelaze državnu najveću emisijsku emisiju mogli bi tada kupiti ove kredite kao način da ponište svoje prekomjerne vrijednosti.
"Potrebna vam je vrlo povoljna cijena ugljika kako bi [ublažavanje metana] učinili održivom", kaže Clark Talkington, stariji savjetnik u Advanced Resources International, koji razvija projekte za energetsku i zaplenu ugljika. "Znam da na straži sjedi nekoliko projekata, pa ako Kalifornija prođe, to bi ih definitivno pokrenulo."
Na primjer, u Elk Creeku, 84 posto metana zarobljenog iz rudnika - dovoljno da stvori električnu energiju vrijednu milijun dolara - jednostavno se spaljuje, jer Holy Crossu nedostaje proračun i želja da kupi više energije iz projekta, a drugi kupci nisu bili pronađeno. "Definitivno imamo pogled na još jedan projekt", kaže ASC-ov Schendler. "Ali prepreka je sklapanje ugovora o kupnji električne energije od drugog uslužnog programa koji je po prihvatljivoj cijeni." ASC bi izgubio novac na projektu ako bi prodavao struju po uobičajenoj veleprodajnoj stopi od 3, 5 centa po kilovatsatu.
Inovacija u radovima
Osim politike, inovativne tehnike omogućavaju uklanjanje metana iz vrlo razrijeđenih izvora, poput ventiliranog zraka u rudničkim oknima, i koriste ga kao gorivo za generatore. U velikom rudniku ugljena u kineskoj provinciji Henan, ventilirani zrak s koncentracijom metana niskim 0, 3 posto koristi se za zagrijavanje vode u rudničkim objektima. Sustav propušta ventilirani zrak iz rudnika ugljena kroz komore koje povećavaju njegovu temperaturu sve dok se molekule metana ne razgrade na ugljični dioksid i vodu, a toplina iz ove reakcije se zarobi.
U Australiji, tvornica ugljena u vlasništvu BHP Billitona, kombinira prozračni metan iz zraka i visoko koncentrirani metan koji je ispušten u bušotine izbušene u blizini rudnika prije nego što započne rudarstvo. Mešani zajedno, metan iz ventilacijskih otvora i odvoda može se sagorjeti kao gorivo. Ovaj sustav stvara toplinu za proizvodnju pare, koja zauzvrat pokreće malu elektranu koja proizvodi u prosjeku 10 gigavatnih sati godišnje.
Drugi znanstvenici žele razviti bolje filtre za odvajanje metana u prozračenom zraku od nepotrebnih plinova poput ugljičnog dioksida i dušika. Na primjer, znanstvenici sa Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeleyja i Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore pregledali su visoko sorbentni materijal obilježen nano-skalom pozom nazvanom nanoporozni zeoliti. Grupa je koristila računalne modele za testiranje gotovo 100.000 različitih struktura zeolita, kaže Amitesh Maiti, fizičar materijala u laboratoriju Lawrence Livermore.
U ovom trenutku, istraživanje ostaje u ranoj fazi. "Materijal u stvarnom životu možda nije toliko čist kao što vidimo kod ovih modela", kaže Maiti. Ipak, ako se može razviti nanoporozni zeolit ili drugi materijal koji lako zahvaća molekule metana, to može dramatično smanjiti troškove proizvodnje električne energije iz visoko razrijeđenog otpadnog metana iz rudnika ugljena. U tom procesu, ovaj izvor metana mogao bi biti previše vrijedan kao gorivo da bi se nosio na svom prethodnom plaštu kao štetni, neugodni otpad koji bi se trebao baciti.
