В долине Колорадо, где шахтеры добывали уголь более столетия, из толстых черных пластов рудника Элк-Крик вытекает второе топливо - метан. Система скважин и труб вокруг шахты направляет обогащенный метаном газ на модифицированный двигатель грузовика. Используя трио генераторов мощностью в 1 мегаватт, двигатель преобразует этот метан в электричество для местной электросети.
Elk Creek - это первый проект по производству метана в энергетике на угольной шахте к западу от Миссисипи, и крупнейший в своем роде в стране. Но угольные шахты, такие как Элк-Крик, обеспечивают около 10 процентов выбросов метана на национальном уровне и 6 процентов выбросов метана во всем мире, и они продолжают выпускать метан еще после окончания горных работ. Газ также просачивается из болот, промышленных дымоходов, свалок, животноводческих ферм и предприятий, работающих на природном газе.
Фактически, каждый год в атмосферу Земли попадает столько метана, что во всем мире он является вторым по величине источником изменения климата после углекислого газа. Метан рассеивается быстрее, чем углерод, но его прочность в качестве парникового газа в течение 100-летнего периода более чем в 20 раз выше, чем у CO2.
Сжигание метана может генерировать энергию или полезное тепло, уменьшая при этом его воздействие на климат - по существу, превращая газ в более слабую воду и углекислый газ. Ожидается, что в Элк-Крик, где сжигается чуть более 670 кубических футов метана в день - примерно 16 процентов от общего объема выбросов метана - в двигателе внутреннего сгорания будет производиться 24 гигаватт-часа в год. Этого достаточно для питания примерно 2000 домов.
Прекращая попадание метана в атмосферу, проект предотвратит выбросы, эквивалентные более чем 96 500 метрическим тоннам CO2 в год в течение следующих 15 лет, согласно оценкам его основного спонсора, Aspen Skiing Company. Это примерно на 10 дней выбросы углерода от типичной электростанции, работающей на угле, - недостаточно для того, чтобы серьезно повлиять на глобальные выбросы парниковых газов, но это важный шаг к превращению метана из проблемных отходов в ценное топливо.
Сочетание изменений политики, новых творческих партнерств и технологических инноваций теперь означает, что Elk Creek может возглавить гораздо большую волну подобных проектов по добыче метана из угольных шахт.
Соревнование
Исторически сложилось так, что у владельцев таких рудников, как Элк-Крик, в США не было стимулов использовать метан. В наши дни газ продается по таким низким ценам по сравнению с другими видами топлива, что потребуются многие годы, чтобы окупить затраты на установку систем, необходимых для его сбора. В результате владельцы шахт просто пропускают газ в атмосферу Земли.
И до недавнего времени технологии ограничивали операторов шахты использованием энергии только за счет выбросов угольной шахты с относительно высокими концентрациями метана. При концентрациях выше 80 процентов метан может впрыскиваться в трубопроводы природного газа или превращаться в сжиженный природный газ для транспортных средств. При концентрациях от 20 до 40 процентов газ может стимулировать выработку электроэнергии, как это происходит в Элк-Крик, или промышленных котлах, которые вырабатывают пар или горячую воду. Согласно отчету ООН, большинство метана среднего и высокого качества используется для выработки либо энергии, либо комбинации мощности и полезного тепла. Этот метан обычно собирается в скважинах, пробуренных вокруг площадки до начала фактической добычи.
Однако большая часть метана, поступающего из шахт угольных шахт, находится в низких концентрациях, смешанных с азотом, кислородом и другими загрязнителями. Это связано с тем, что операторы обычно используют вентиляционные системы для разбавления любого метана, попадающего в шахты, свежим воздухом для обеспечения безопасности работников: при концентрации в воздухе от 5 до 15 процентов метан взрывоопасен, а для здорового дыхания требуются концентрации менее 1 процента.
Как только метан смешивается с другими газами в вентиляционных системах, его становится трудно использовать в качестве топлива, поскольку смесь не сгорает, а метан сложно отфильтровать.
Частично из-за этих проблем вентилируемый воздух с метановым потоком обычно выпускается в атмосферу, как это происходит в Элк Крик. Только около 20 из более чем 500 активных Подземные угольные шахты по всей стране установили любой тип системы для улавливания метана или преобразования его в электроэнергию. И из этих 20 шахт большинство просто берут метан, собранный в дренажных скважинах, и закачивают его в близлежащие газопроводы для использования домами и предприятиями.
Партнеры для нового подхода
В западных штатах, таких как Колорадо, угольные шахты часто расположены далеко от трубопроводов природного газа, поэтому добыча даже высококачественного метана с этих мест требует другого подхода. Элк-Крик необычен для американских угольных шахт тем, что сжигает метан для выработки электроэнергии на месте и посылает ее в местную электросеть.
Подобные технологии производства метана и энергии были установлены на шахтах в Европе, Австралии, Китае и других странах на протяжении десятилетий. Но эти проекты получили выгоду от налоговых льгот и других форм государственной поддержки, а также от более дорогого природного газа и электроэнергии, что позволяет им продавать метан по конкурентоспособным ценам по более высоким ценам. Elk Creek предлагает модель для утилизации этих отходов через частные партнерства во время и в месте, где электричество из природного газа является относительно дешевым.
Том Весселс, президент Denver, колорадского энергетического разработчика Vessels Coal and Gas, начал искать партнеров и финансистов для проекта по добыче метана в энергетику угольной шахты в 2005 году после того, как совершил поездку по ряду шахт с использованием этой технологии в Германии. По словам Вессела, большинство американских компаний, к которым он обратился, были незнакомы с этой технологией и не хотели вкладывать средства. Правда, это не было сделано в США, говорит он. «Но мы сейчас проверяем этот флажок».
В 2012 году компания Vessels получила финансирование в размере 5, 4 млн. Долларов от Aspen Skiing Company, высококлассной курортной корпорации, стремящейся производить более чистую энергию и уравновешивать выбросы, связанные с ее собственным использованием электроэнергии. Сельский энергетический кооператив Holy Cross Energy подписал контракт на оплату электроэнергии, немного превышающей рыночные, по проекту в обмен на 15-летний контракт и новый, более чистый источник электроэнергии.
Наконец, владелец Elk Creek Oxbow Mining во главе с энергетическим магнатом Уильямом Кохом согласился разрешить Vessels установить оборудование на своем руднике в обмен на небольшое сокращение ежегодных продаж электроэнергии. Большая часть доходов от Святого Креста - около 650 000 долларов в год или около 12% первоначальных инвестиций ASC - пойдет на курортную компанию.
Политика на горизонте
В прошлом году проект начал подачу электроэнергии в электросеть для распределения по всему западному Колорадо. Несколько месяцев спустя в штате Колорадо был принят новый закон, который требует, чтобы крупные сельские электрические кооперативы и обслуживающие их коммунальные предприятия получали к 2020 году 20 процентов своей энергии из возобновляемых источников, что вдвое превышает требования, установленные в 2004 году.
Закон признает метан наряду с постоянно пополняемыми ресурсами, такими как ветер и солнечная энергия, как возобновляемый ресурс, политика, которой категорически противостоят некоторые экологические группы и защитники зеленой энергии. Джереми Николс, директор климатических и энергетических программ некоммерческой группы по защите окружающей среды WildEarth Guardians, говорит, что классификация метана «не является целью стандарта на возобновляемую энергию». Но использование метана для производства энергии, по его словам, превосходит статус-кво по выпуску его в атмосферу. «В конце концов, - говорит он, - это делает лучшее из плохого». И со временем, эксперты говорят, что введение метана в соответствии с новым мандатом может увеличить спрос среди коммунальных служб Колорадо на электроэнергию из таких проектов, как Elk Creek.
Изменения тоже на федеральном уровне. Президент Обама поручил федеральным агентствам «разработать всеобъемлющую стратегию в отношении метана», а Агентство по охране окружающей среды определило около 50 американских угольных шахт, которые обещают захватывать и сжигать отработанный метан или преобразовывать его в электроэнергию.
Сторонники метановой энергетики надеются, что предстоящее голосование в Калифорнии в конечном итоге сделает технологию более прибыльной от побережья до побережья. Регуляторы штата штата должны в ближайшее время проголосовать за предложение о вознаграждении проектов по борьбе с выбросами метана в рамках своей программы ограничения и торговли квотами, которая призвана помочь государству сократить выбросы парниковых газов до уровня 1990 года к 2020 году. В случае одобрения, Протокол позволит операторам угольных шахт и эмитентам метана по всей стране зарабатывать кредиты для сокращения своих выбросов. Калифорнийские загрязнители, ожидающие превышения максимальной нормы выбросов штата, могли бы затем приобрести эти кредиты как способ свести на нет их избыток.
«Вам нужна очень хорошая цена на углерод, чтобы сделать [снижение уровня метана] жизнеспособным», - говорит Кларк Токингтон, старший консультант компании Advanced Resources International, которая разрабатывает проекты по улавливанию энергии и углерода. «Я знаю, что есть несколько проектов, которые находятся в стороне, поэтому, если Калифорния выйдет, это определенно продвинет их вперед».
Например, в Элк-Крике 84 процента метана, улавливаемого из шахты - достаточно для производства электричества на 1 миллион долларов, - просто сжигается, потому что у Святого Креста не хватает бюджета и желания покупать больше энергии из проекта, а других клиентов не было. найденный. «Мы определенно следим за другим проектом», - говорит Шендлер из ASC. «Но барьером является получение соглашения о покупке электроэнергии от другого предприятия по приемлемой цене». ASC потеряет деньги на проекте, если продаст электроэнергию по типичной оптовой цене 3, 5 цента за киловатт-час.
Инновации в работах
Помимо политики, инновационные технологии позволяют собирать метан из очень разбавленных источников, таких как вентилируемый воздух в шахтах, и использовать его в качестве топлива для генераторов. На большой угольной шахте в китайской провинции Хэнань вентилируемый воздух с низкими концентрациями метана 0, 3 процента используется для нагрева воды для шахтных сооружений. Система пропускает вентилируемый воздух угольной шахты через камеры, которые повышают ее температуру до тех пор, пока молекулы метана не распадутся на углекислый газ и воду, и тепло от этой реакции не будет уловлено.
В Австралии угольная электростанция, принадлежащая BHP Billiton, комбинирует метан вентилируемого воздуха с высококонцентрированным метаном, который сливается в скважины, пробуренные возле шахты до начала добычи. Смешанный метан может быть сожжен в качестве топлива из вентиляционных отверстий и стоков. Эта система генерирует тепло для производства пара, который, в свою очередь, работает на небольшой электростанции, производящей в среднем 10 гигаватт-часов в год.
Другие ученые ищут более совершенные фильтры для отделения метана в вентилируемом воздухе от ненужных газов, таких как углекислый газ и азот. Например, ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса изучили высокосорбирующий материал, отмеченный наноразмерными порами, называемыми нанопористыми цеолитами. Группа использовала компьютерные модели для тестирования почти 100 000 различных цеолитных структур, говорит Амитеш Маити, физик материалов из лаборатории Лоуренса в Ливерморе.
На данный момент исследования остаются на ранних стадиях. «Материал может быть не таким чистым в реальной жизни, как мы видим в этих моделях», - говорит Маити. Тем не менее, если можно разработать нанопористый цеолит или другой материал, который легко улавливает молекулы метана, это может значительно снизить затраты на производство электроэнергии из сильно разбавленных отходов метана угольных шахт. В процессе этого он может сделать этот источник метана слишком ценным в качестве топлива, чтобы нести его предыдущую мантию как вредные, вредные отходы, которые можно выбрасывать.
