V údolí Colorado, kde horníci těžili uhlí po více než století, unikne druhé palivo - metan - ze silných černých švů dolu Elk Creek. Systém vrtů a potrubí kolem důlních trysek plyn bohatý na metan k upravenému motoru kamionu. Použitím trojice generátorů s jedním megawattem převede motor tento metan na elektřinu pro místní rozvodnou síť.
Elk Creek je první projekt na výrobu metanu v uhelném dole západně od Mississippi a největší svého druhu na celostátní úrovni. Uhelné doly jako Elk Creek však přispívají asi 10 procenty emisí metanu na celostátní úrovni a 6 procenty emisí metanu na celém světě a nadále uvolňují metan dlouho po ukončení těžby. Plyn také prosakuje z bažin, průmyslových kouřů, skládek, farem skotu a operací se zemním plynem.
Ve skutečnosti tolik metanu vstupuje každoročně do atmosféry Země, že je celosvětově druhým největším přispěvatelem ke změně klimatu po oxidu uhličitém. Metan se rozptyluje rychleji než uhlík, ale jeho síla skleníkových plynů po dobu 100 let je více než 20krát větší než u CO2.
Spalování metanu může generovat energii nebo užitečné teplo a zároveň snížit jeho dopad na klima - podstatně snižuje plyn na slabší vodu a oxid uhličitý. V Elk Creek, který spaluje něco málo přes 670, ooo kubických stop metanu denně - zhruba 16 procent celkových emisí metanu z miny - se očekává, že v motoru s vnitřním spalováním vytvoří 24 gigawatthodin ročně. To je dost elektřiny pro napájení zhruba 2 000 domů.
Tím, že projekt zamezí vstupu metanu do atmosféry, zabrání projektům emise ekvivalentní více než 96 500 metrickým tunám CO2 ročně v příštích 15 letech, podle odhadů svého hlavního donora Aspen Skiing Company. To je asi desetidenní hodnota emisí uhlíku z typické uhelné elektrárny - nestačí na to, aby se významně proměnila globální emise skleníkových plynů, ale důležitý krok k přeměně metanu z problematického odpadu na cenné palivo.
Kombinace politických změn, kreativních nových partnerství a technologických inovací nyní znamená, že Elk Creek by mohl vést mnohem větší vlnu podobných projektů, při nichž se získává metan z uhelných dolů.
Výzva
Historicky měli majitelé dolů jako Elk Creek v USA jen malou motivaci k využívání metanu. Plyn prodává v dnešní době za tak nízké ceny ve srovnání s jinými palivy, že by trvalo mnoho let, než by se vrátily náklady na instalaci systémů nezbytných k jeho sklizni. Díky tomu majitelé dolů jednoduše dovolí plynu vstoupit do zemské atmosféry.
A donedávna technologie omezovala provozovatele dolů na využití energie pouze z emisí uhelných dolů s relativně vysokou koncentrací metanu. Při koncentracích nad 80 procent může být metan vstřikován do plynovodů na zemní plyn nebo přeměněn na zkapalněný zemní plyn pro vozidla. Při koncentracích kolem 20 až 40 procent může plyn podporovat výrobu energie jako v Elk Creek nebo průmyslové kotle, které vytvářejí páru nebo horkou vodu. Podle zprávy OSN se většina středně a vysoce kvalitního metanu používá k výrobě energie nebo kombinace energie a užitečného tepla. Tento metan je obvykle shromažďován do vrtů vyvrtaných kolem místa před zahájením skutečné těžby.
Většina metanu vycházejícího z šacht z uhelných dolů je však v nízkých koncentracích, smíchaná společně s dusíkem, kyslíkem a dalšími kontaminanty. Důvodem je to, že provozovatelé obvykle používají ventilační systémy k ředění jakéhokoli metanu unikajícího do důlních šachet čerstvým vzduchem pro bezpečnost pracovníků: při koncentraci 5 až 15 procent ve vzduchu je metan výbušný a pro zdravé dýchání jsou vyžadovány koncentrace pod 1 procenta.
Jakmile se metan ve ventilačních systémech smísí s jinými plyny, je obtížné ho použít jako palivo, protože směs nehoří a metan je obtížně odfiltrován.
Zčásti kvůli těmto výzvám je ventilovaný vzduch přiváděný metanem typicky uvolňován do atmosféry, jako je tomu u Elk Creek. Pouze asi 20 z více než 500 aktivních podzemní uhelné doly na celostátní úrovni instalovaly jakýkoli typ systému pro zachycování metanu nebo jeho přeměnu na elektřinu. A z těchto 20 dolů většina z nich jednoduše vezme metan shromážděný do drenážních otvorů a vstřikuje jej do blízkých plynovodů pro použití v domácnostech a podnicích.
Partneři pro nový přístup
V západních státech, jako je Colorado, se uhelné doly často nacházejí daleko od plynovodů na zemní plyn, takže využití i vysoce kvalitního metanu z těchto míst vyžaduje jiný přístup. Elk Creek je mezi uhelnými dole v USA neobvyklý v tom, že spaluje metan, aby vyráběl elektřinu na místě a posílal ji do místní energetické sítě.
Podobná technologie metanu a energie byla v dolech v Evropě, Austrálii, Číně a dalších zemích instalována po celá desetiletí. Tyto projekty však využily daňových pobídek a dalších forem veřejné podpory, jakož i nákladnějšího zemního plynu a elektřiny, což jim umožňuje konkurenční prodej metanu za vyšší ceny. Elk Creek nabízí model využití tohoto odpadu prostřednictvím soukromých partnerství v čase a na místě, kde je elektřina ze zemního plynu relativně levná.
Tom Vessels, prezident společnosti Denver, vývojář energie v Coloradu Vessels Coal and Gas, začal v roce 2005 hledat partnery a finančníky na projekt metan-energetická těžba uhelného dolu poté, co v Německu navštívil řadu dolů pomocí této technologie. Většina amerických společností, které oslovil, nebyla s touto technologií obeznámena, říká Vessels, a proto se zdráhají investovat. Je pravda, že se tak nestalo v USA, říká. "Ale teď to políčko kontrolujeme."
V roce 2012 společnost Vessels zajistila financování ve výši 5, 4 milionu dolarů od společnosti Aspen Skiing Company, která je špičkovou resortní společností zaměřenou na výrobu čistší energie a vyvážení emisí spojených s vlastním využíváním elektřiny. Holy Cross Energy, venkovské elektrické družstvo, podepsalo smlouvu, aby zaplatilo mírně nad tržní ceny elektřiny z projektu výměnou za 15letou smlouvu a nový, čistší zdroj elektřiny.
Nakonec majitel společnosti Elk Creek Oxbow Mining, vedený energetickým magnátem Williamem Kochem, souhlasil s tím, že dovolí plavidlům instalovat vybavení do dolu výměnou za malý pokles ročního prodeje energie. Většina příjmů ze Svatého kříže - asi 650 000 dolarů ročně, nebo asi 12 procent původní investice ASC - půjde do rekreační společnosti.
Politiky na obzoru
Projekt začal dodávat elektřinu do energetické sítě v loňském roce pro distribuci v celém západním Coloradu. O několik měsíců později přijal Colorado nový zákon, který vyžaduje, aby velké venkovské elektrické družstva a nástroje, které jim slouží, získaly do roku 2020 20 procent své energie z obnovitelných zdrojů - zdvojnásobení požadavku stanoveného v roce 2004.
Zákon uznává metan spolu s neustále se doplňujícími zdroji, jako je vítr a sluneční energie, jako obnovitelný zdroj, což je politika silně oponující některým environmentálním skupinám a zastáncům zelené energie. Jeremy Nichols, ředitel klimatických a energetických programů pro neziskovou environmentální advokátní skupinu WildEarth Guardians, říká, že klasifikace metanu „není účelem standardu obnovitelné energie“. Ale použití metanu k energii, říká, překonává současný stav jeho větrání do atmosféry. "Na konci dne, " říká, "dělá to nejlepší ze špatné věci." A postupem času odborníci říkají, že když se metan pod novým mandátem může zvýšit poptávka mezi společnostmi v Coloradu o elektřinu z projektů, jako je Elk Creek.
Změna je také na federální úrovni. Prezident Obama nařídil federálním agenturám, aby „vytvořily komplexní metanovou strategii“ a Agentura pro ochranu životního prostředí identifikovala kolem 50 amerických uhelných dolů, které ukazují příslib pro zachycení odpadního metanu a jeho spálení nebo přeměnu na elektřinu.
Zastánci energie metanu doufají, že nadcházející hlasování v Kalifornii nakonec povede k tomu, že tato technologie bude ziskovější od pobřeží k pobřeží. Státní regulátoři vzduchu jsou připraveni hlasovat brzy o návrhu odměnit projekty snižování emisí metanu v rámci svého programu cap-and-trade, který má pomoci státu snížit jeho emise skleníkových plynů na úroveň roku 1990 do roku 2020. Pokud bude schválen, Protokol by umožnil provozovatelům uhelných dolů a producentům metanu na celostátní úrovni získat kredity za snížení jejich emisí. Kalifornští znečišťovatelé, kteří očekávají, že překročí maximální emisní povolenku státu, by pak mohli tyto kredity zakoupit jako způsob, jak popřít jejich nadměrné množství.
„K dosažení životaschopnosti [snižování metanu] potřebujete velmi dobrou cenu uhlíku, “ říká Clark Talkington, senior konzultant společnosti Advanced Resources International, která vyvíjí projekty sekvestrace energie a uhlíku. "Vím, že na vedlejší koleji sedí několik projektů, takže pokud prochází Kalifornie, určitě by je posunula kupředu."
Například v Elk Creek je 84 procent metanu zachyceného z dolu - dost na výrobu elektřiny v hodnotě 1 milionu dolarů - jednoduše spáleno, protože Svatému kříži chybí rozpočet a touha nakoupit více energie z projektu a žádný další zákazníci nebyli nalezeno. „Rozhodně se díváme na další projekt, “ říká Schendler ASC. "Ale bariérou je získání dohody o nákupu energie od jiného nástroje, který je za přijatelnou cenu." ASC by ztratila peníze na projektu, kdyby prodávala elektřinu za obvyklou velkoobchodní sazbu 3, 5 centů za kilowatthodinu.
Inovace v práci
Kromě politiky umožňují inovativní techniky zachycovat metan z velmi zředěných zdrojů, jako je ventilovaný vzduch v šachtách, a použít jej jako palivo pro generátory. Ve velkém uhelném dole v čínské provincii Henan se pro ohřev vody pro důlní zařízení používá ventilovaný vzduch s koncentrací metanu v nízkých 0, 3 procenta. Systém prochází vzduchem ventilovaným vzduchem z uhelných dolů skrze komory, které zvyšují jeho teplotu, dokud se molekuly metanu nerozpadnou na oxid uhličitý a vodu a teplo z této reakce je zachyceno.
V Austrálii kombinuje uhelná elektrárna BHP Billiton ventilovaný methan s vysoce koncentrovaným metanem, který byl před začátkem těžby vypuštěn do vrtů vyvrtaných poblíž dolu. Při smíchání lze metan z větracích otvorů a odtoků spálit jako palivo. Tento systém generuje teplo pro výrobu páry, která zase provozuje malou elektrárnu produkující v průměru 10 gigawatthodin ročně.
Jiní vědci se snaží vyvinout lepší filtry pro separaci metanu ve větraném vzduchu od nepotřebných plynů, jako je oxid uhličitý a dusík. Vědci z University of California, Berkeley a Lawrence Livermore National Laboratory se například podívali na vysoce sorbentní materiál označený póry v nano měřítku zvaný nanoporézní zeolity. Skupina použila počítačové modely k testování téměř 100 000 různých zeolitových struktur, říká Amitesh Maiti, fyzik materiálů v laboratoři Lawrence Livermore.
V tomto okamžiku zůstává výzkum v raných stádiích. „Materiál nemusí být v reálném životě tak čistý, jak vidíme v těchto modelech, “ říká Maiti. Přesto, pokud lze vyvinout nanoporézní zeolit nebo jiný materiál, který snadno zachycuje molekuly metanu, mohl by dramaticky snížit náklady na výrobu elektřiny z vysoce zředěného odpadního metanu z uhelných dolů. V tomto procesu by mohl učinit tento zdroj metanu příliš cenným jako palivo k tomu, aby pokračoval ve svém předchozím plášti jako škodlivý, nepříjemný odpad, který by měl být vyhozen.
