Colorado-laaksossa, jossa kaivostyöläiset ovat keränneet hiiltä jo yli vuosisadan, toinen polttoaine - metaani - karkaa Elk Creek -kaivoksen paksuista mustista saumoista. Porausrei'iden ja putkien järjestelmä kaivos suppilojen ympärillä, metaanirikas kaasu modifioituun kuorma-auton moottoriin. Kolme yhden megawatin generaattoreita moottori muuntaa metaanin sähköksi paikalliselle sähköverkolle.
Elk Creek on ensimmäinen metaani-energia-projekti Mississippistä länteen sijaitsevassa hiilikaivossa ja suurin laatuaan koko maassa. Mutta Elk Creekin kaltaisten hiilikaivosten osuus on noin 10 prosenttia metaanipäästöistä kansallisesti ja 6 prosenttia metaanipäästöistä maailmanlaajuisesti, ja ne jatkavat metaanin vapautumista kauan kaivostoiminnan päättymisen jälkeen. Kaasu imeytyy myös suolta, teollisuushormit, kaatopaikat, karjatilat ja maakaasutoiminnot.
Itse asiassa niin paljon metaania saapuu maan ilmakehään vuosittain, että se on maailman toiseksi suurin ilmastomuutoksen vaikuttaja hiilidioksidin jälkeen. Metaani hajoaa nopeammin kuin hiili, mutta sen lujuus kasvihuonekaasuna 100 vuoden aikana on yli 20 kertaa hiilidioksidin vahvuus.
Palava metaani voi tuottaa energiaa tai hyödyllistä lämpöä vähentäen samalla sen ilmastovaikutuksia - vähentää olennaisesti kaasua heikompaan veden ja hiilidioksidin hauteeseen. Elk Creekissä, joka polttaa hieman yli 670, ooo kuutiometriä metaania päivässä - noin 16 prosenttia kaivoksen kaikista metaanipäästöistä - polttomoottorin odotetaan tuottavan 24 gigawattituntia vuodessa. Se on tarpeeksi sähköä noin 2000 kodin käyttämiseen.
Pysäyttämällä metaanin pääsyn ilmakehään projekti estää päästöjä, jotka vastaavat yli 96 500 tonnia hiilidioksidia vuodessa seuraavan 15 vuoden aikana, sen päärahoittajan Aspen Skiing Company -yrityksen arvioiden mukaan. Se on noin 10 päivän arvoinen hiilidioksidipäästöt tyypillisestä hiilivoimalaitoksesta - ei riittävän merkityksellisen viiran saavuttamiseksi kasvihuonekaasujen maailmanlaajuisissa päästöissä, mutta tärkeä askel kohti metaanin muuttamista ongelmallisesta jätteestä arvokkaalle polttoaineelle.
Poliittisten muutosten, luovien uusien kumppanuuksien ja teknologiainnovaatioiden yhdistelmä tarkoittaa nyt, että Elk Creek voi johtaa paljon suuremman aallon vastaavista hankkeista, joilla kerätään metaania hiilikaivoksista.
Haaste
Historiallisesti Yhdysvaltojen Elk Creekin kaltaisten kaivoksenomistajilla ei ole ollut vähän kannustimia käyttää metaania. Kaasu myy nykyään niin alhaisilla hinnoilla muihin polttoaineisiin verrattuna, että sen sadonkorjuun edellyttämien järjestelmien asennuskustannusten korvaaminen kesti monta vuotta. Seurauksena on, että kaivosten omistajat vain antavat kaasun päästä maan ilmakehään.
Ja viime aikoihin saakka tekniikka on rajoittanut kaivoksenharjoittajat energian hyödyntämiseen vain hiilikaivoksista, joissa metaanipitoisuudet ovat suhteellisen korkeat. Pitoisuuksina, jotka ovat yli 80 prosenttia, metaani voidaan ruiskuttaa maakaasuputkiin tai muuttaa nesteytetyksi maakaasuksi ajoneuvoille. Pitoisuuksilla, jotka ovat noin 20–40 prosenttia, kaasu voi polttaa energiantuotantoa kuten Elk Creekissä tai teollisuuskattiloissa, jotka tuottavat höyryä tai kuumaa vettä. YK: n raportin mukaan useinta keskipitkää ja korkealaatuista metaania käytetään tuottamaan joko voimaa tai voiman ja hyödyllisen lämmön yhdistelmää. Tämä metaani kerätään tyypillisesti porausreikiin, jotka on porattu alueen ympärille ennen varsinaisen kaivostoiminnan alkamista.
Suuri osa kivihiilikaivoskuiluista ulos tulevasta metaanista on kuitenkin pieninä pitoisuuksina sekoitettuna typen, hapen ja muiden epäpuhtauksien kanssa. Tämä johtuu siitä, että operaattorit käyttävät tyypillisesti ilmanvaihtojärjestelmiä laimentamaan kaivosakseliin vuotavaa metaania raikkaalla ilmalla työntekijöiden turvallisuuden vuoksi: ilmassa olevan 5–15 prosentin pitoisuuden ollessa metaani on räjähtävä ja terveen hengityksen edellyttämät alle 1 prosentin pitoisuudet.
Kun metaani sekoittuu muiden kaasujen kanssa ilmanvaihtojärjestelmissä, siitä tulee vaikeaa polttoaineena, koska seos ei pala ja metaania on vaikea suodattaa.
Osittain näiden haasteiden takia metaanipäällysteinen tuuletettu ilma pääsee tyypillisesti ilmakehään, kuten Elk Creekissä. Vain noin 20 yli 500 aktiivisesta maan alle sijaitseviin hiilikaivoksiin on asennettu kaikenlainen järjestelmä metaanin sieppaamiseksi tai muuntamiseksi sähköksi. Ja näistä 20 kaivoksesta suurin osa vie yksinkertaisesti viemärikaivoihin kerätyn metaanin ja ruiskuttaa sitä läheisiin maakaasuputkistoihin koteihin ja yrityksiin.
Uuden lähestymistavan kumppanit
Länsivaltioissa, kuten Coloradossa, hiilikaivokset sijaitsevat usein kaukana maakaasuputkista, joten jopa korkealaatuisen metaanin valjastaminen näiltä alueilta vaatii erilaista lähestymistapaa. Elk Creek on epätavallinen Yhdysvaltain hiilikaivoksissa siinä mielessä, että se polttaa metaania tuottaakseen sähköä paikan päällä ja lähettäen kyseisen sähkön paikalliseen sähköverkkoon.
Samanlainen metaani-energia-tekniikka on asennettu kaivoksiin Euroopassa, Australiassa, Kiinassa ja muissa maissa vuosikymmenien ajan. Mutta nämä hankkeet ovat hyötyneet verokannustimista ja muusta julkisesta tuesta sekä kalliimmasta maakaasusta ja sähköstä - mikä antaa heille mahdollisuuden myydä metaania kilpailukykyisesti korkeammilla hinnoilla. Elk Creek tarjoaa mallin tämän jätteen hyödyntämiseksi yksityisten kumppanuuksien kautta aikaan ja paikassa, jossa maakaasun sähkö on suhteellisen halpaa.
Denverin presidentti Tom Vessels, Coloradossa toimiva energiakehittäjä Vessels Coal and Gas, aloitti kumppaneiden ja rahoittajien etsimisen hiilikaivoksista peräisin olevan metaani-energia-projektille vuonna 2005 kiertämällä useita kaivoksia, jotka käyttivät tekniikkaa Saksassa. Suurin osa yhdysvaltalaisista yrityksistä, joihin hän kääntyi, olivat tuntemattomia tekniikan suhteen, Vessels toteaa, ja haluttomia investoimaan. Totta, sitä ei ollut tehty Yhdysvalloissa, hän sanoo. "Mutta tarkistamme sen ruudun nyt."
Vuonna 2012 alukset saivat 5, 4 miljoonaa dollaria rahoitusta Aspen Skiing Company -yritykseltä, joka on huippuluokan lomakeskusyhtiö, jonka tavoitteena on tuottaa puhtaampaa energiaa ja tasapainottaa sen omaan sähkönkäyttöön liittyviä päästöjä. Holy Cross Energy, maaseudun sähköosuuskunta, allekirjoitti maksamaan hiukan markkinahintoja korkeamman hinnan hankkeesta saatavasta sähköstä vastineeksi 15-vuotiselle sopimukselle ja uudelle, puhtaammalle sähkön lähteelle.
Lopuksi Elk Creekin omistaja Oxbow Mining, jota johtaa energiamagnetti William Koch, suostui antamaan aluksille asentaa laitteita kaivokseensa vastineeksi pienestä leikkauksesta vuotuiseen sähkön myyntiin. Suurin osa Pyhän Ristin tuloista - noin 650 000 dollaria vuodessa, tai noin 12 prosenttia ASC: n alkuperäisestä sijoituksesta - menee lomayhtiölle.
Politiikat horisontissa
Projekti aloitti sähkön syöttämisen sähköverkkoon viime vuonna jakeluun koko Länsi-Coloradossa. Useita kuukausia myöhemmin Colorado antoi uuden lain, joka vaatii suuria maaseudun sähköyhteyksiä ja niitä palvelevia apulaitteita saamaan 20 prosenttia energiasta uusiutuvista lähteistä vuoteen 2020 mennessä - kaksinkertaistaen vuonna 2004 asetetun vaatimuksen.
Laissa tunnustetaan metaani jatkuvasti täydennettyjen luonnonvarojen, kuten tuulen ja aurinkoenergian, lisäksi uusiutuvana luonnonvarana, politiikka, jota jotkut ympäristöryhmät ja vihreän energian kannattajat ovat voimakkaasti vastustaneet. Voittoa tavoittelemattoman WildEarth Guardians -ryhmän ilmasto- ja energiaohjelmien johtaja Jeremy Nichols sanoo, että metaanin luokittelu "ei ole uusiutuvan energian standardin tarkoitus". Mutta metaanin käyttäminen energiaan, hän sanoo, voittaa nykyisen tilanteen, kun sitä ilmataan ilmakehään. "Päivän lopussa", hän sanoo, "se tekee parasta parasta." Ja ajan mittaan asiantuntijat sanovat, että metaanin tuominen uuden mandaatin piiriin voisi lisätä Colorado-laitosten keskuudessa sähkön kysyntää muun muassa Elk Creek -hankkeesta.
Muutos on käynnissä myös liittovaltion tasolla. Presidentti Obama on määrännyt liittovaltion virastoja "kehittämään kattavan metaanistrategian", ja ympäristönsuojeluvirasto on yksilöinyt noin 50 Yhdysvaltain hiilikaivosta, jotka osoittavat lupaavansa metaanihiilen sieppaamiseen ja polttamiseen tai muuntamiseen sähköksi.
Metaanienergian kannattajat toivovat, että tuleva äänestys Kaliforniassa viime kädessä tekee tekniikasta kannattavamman rannikolta rannikolle. Valtion ilmansääntelyviranomaisten on määrä äänestää pian ehdotuksesta palkita metaanin vähentämishankkeita sen cap-and-trade-ohjelmasta, jonka tarkoituksena on auttaa valtiota vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään vuoden 1990 tasolle vuoteen 2020 mennessä. Protokolla mahdollistaisi hiilikaivostoiminnan harjoittajien ja metaanipäästöjen ansaitsijoiden hyvitykset päästöjensä vähentämiseksi. Kalifornian saastuttajat, jotka odottavat ylittävänsä valtion enimmäispäästöoikeudet, voisivat sitten ostaa nämä hyvitykset keinona kieltää yliarvostuksensa.
"Tarvitset erittäin hyvän hinnan hiilestä, jotta [metaanin vähentäminen] olisi kannattavaa", sanoo Clark Talkington, vanhempi konsultti Advanced Resources International -yrityksessä, joka kehittää energia- ja hiilidioksidiprojekteja. "Tiedän, että useita projekteja on sivussa, joten jos Kalifornia tulee läpi, se ajaa ehdottomasti niitä eteenpäin."
Esimerkiksi Elk Creekissä 84 prosenttia kaivoksesta kaapatusta metaanista - joka riittää tuottamaan miljoonan dollarin arvosta sähköä - poltetaan yksinkertaisesti, koska Pyhällä Ristillä puuttuu budjetti ja halu ostaa lisää energiaa projektista, eikä muita asiakkaita ole ollut löydetty. "Meillä on ehdottomasti silmämme toiseen projektiin", sanoo ASC: n Schendler. "Mutta esteenä on sähkönhankintasopimuksen saaminen toiselta apuohjelmalta, joka on hyväksyttävällä hinnalla." ASC menettäisi rahaa projektista, jos se myy sähköä tyypillisellä tukkuhinnalla 3, 5 senttiä kilowattitunnilta.
Innovaatio teoksissa
Poliittisen politiikan lisäksi innovatiiviset tekniikat antavat mahdollisuuden hankkia metaania erittäin laimeista lähteistä, kuten kaivoksien tuuletetusta ilmasta, ja käyttää sitä polttoaineena generaattoreille. Kiinan Henanin maakunnan suuressa hiilikaivoksessa tuulettuvaa ilmaa, jonka metaanipitoisuudet ovat alhaiset, 0, 3 prosenttia, käytetään kaivoslaitosten veden lämmittämiseen. Järjestelmä silmukoi tuuletetun hiilikaivosilman kammioiden läpi, jotka nostavat sen lämpötilaa, kunnes metaanimolekyylit hajoavat hiilidioksidiksi ja vedeksi ja tämän reaktion lämpö talteen.
Australiassa BHP Billitonin omistama hiilitehdas yhdistää tuuletetun ilmametaanin erittäin väkevöityyn metaaniin, joka on valutettu kaivoksen lähellä kairattuihin reikiin ennen kaivostoiminnan alkamista. Sekoitettuna, tuuletusaukkojen metaani ja viemärit voidaan polttaa polttoaineena. Tämä järjestelmä tuottaa lämpöä höyryn tuottamiseksi, mikä puolestaan johtaa pientä voimalaitosta, joka tuottaa keskimäärin 10 gigawattituntia vuodessa.
Muut tutkijat etsivät parempia suodattimia tuuletetun ilman metaanin erottamiseksi tarpeettomista kaasuista, kuten hiilidioksidista ja typestä. Esimerkiksi Kalifornian yliopiston, Berkeleyn ja Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tutkijat ovat tarkastelleet erittäin sorbenttimateriaalia, joka on merkitty nanomittakaavoisilla huokosilla, joita kutsutaan nanoporaisiksi zeoliiteiksi. Ryhmä on käyttänyt tietokonemalleja testatakseen lähes 100 000 erilaista zeoliittirakennetta, kertoo Lawrence Livermore -laboratorion materiaalifysiikka Amitesh Maiti.
Tässä vaiheessa tutkimus jatkuu alkuvaiheessa. "Materiaali ei välttämättä ole niin puhdasta tosielämässä kuin näemme näissä malleissa", Maiti sanoo. Kuitenkin, jos voidaan kehittää nanoporous zeoliitti tai muu materiaali, joka tarttuu helposti metaanimolekyyleihin, se voisi vähentää dramaattisesti sähkön tuotantokustannuksia kivihiilikaivosten erittäin laimennetusta jätemetaanista. Prosessissa se voisi tehdä tästä metaanilähteestä liian arvokkaan polttoaineena jatkaakseen edellistä vaippaansa haitallisena, haittaa aiheuttavana jätteenä, joka heitetään pois.
