In een Colorado-vallei waar mijnwerkers meer dan een eeuw steenkool hebben geoogst, ontsnapt een tweede brandstof - methaan - uit de dikke zwarte naden van de Elk Creek-mijn. Een systeem van boorgaten en leidingen rond de mijn leidt methaanrijk gas naar een aangepaste vrachtwagenmotor. Met behulp van een trio van één megawatt generatoren zet de motor dit methaan om in elektriciteit voor het lokale elektriciteitsnet.
Elk Creek is het eerste methaan-energieproject in een kolenmijn ten westen van de Mississippi en het grootste in zijn soort in het hele land. Maar kolenmijnen zoals Elk Creek dragen op nationaal niveau bij aan ongeveer 10 procent van de methaanemissies en 6 procent van de methaanemissies, en ze blijven methaan vrijgeven lang nadat de mijnactiviteiten zijn beëindigd. Het gas sijpelt ook uit moerassen, industriële schoorstenen, stortplaatsen, veehouderijen en aardgasactiviteiten.
In feite komt er elk jaar zoveel methaan in de atmosfeer van de aarde dat het wereldwijd de op een na grootste bijdrage levert aan de klimaatverandering na kooldioxide. Methaan dissipeert sneller dan koolstof, maar zijn sterkte als broeikasgas over een periode van 100 jaar is meer dan 20 keer die van CO2.
Het verbranden van methaan kan energie of nuttige warmte genereren, terwijl het de impact op het klimaat vermindert, waardoor het gas in wezen wordt gereduceerd tot een zwakker brouwsel van water en kooldioxide. In Elk Creek, dat net iets meer dan 670 verbrandt, wordt ooo kubieke voet methaan per dag - ruwweg 16 procent van de totale methaanemissies van de mijn - in een verbrandingsmotor verwacht jaarlijks 24 gigawattuur te genereren. Dat is genoeg elektriciteit om ongeveer 2.000 huizen van stroom te voorzien.
Door te voorkomen dat methaan de atmosfeer binnendringt, zal het project de uitstoot voorkomen die overeenkomt met meer dan 96.500 ton CO2 per jaar in de komende 15 jaar, volgens schattingen van de belangrijkste financier, Aspen Skiing Company. Dat is ongeveer tien dagen aan koolstofemissies van een typische kolengestookte elektriciteitscentrale - niet genoeg om een zinvolle deuk te maken in de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, maar een belangrijke stap in de omvorming van methaan van problematisch afval naar waardevolle brandstof.
Een combinatie van beleidswijzigingen, creatieve nieuwe partnerschappen en technologische innovatie betekent nu dat Elk Creek een veel grotere golf van soortgelijke projecten kan leiden die methaan oogsten uit kolenmijnen.
De uitdaging
Historisch gezien hebben de eigenaren van mijnen zoals Elk Creek in de VS weinig prikkels gehad om methaan te gebruiken. Het gas verkoopt tegenwoordig voor zulke lage prijzen ten opzichte van andere brandstoffen dat het vele jaren zou kosten om de kosten te dekken van het installeren van de systemen die nodig zijn om het te oogsten. Dientengevolge laten mijneigenaren het gas gewoon de atmosfeer van de aarde binnenkomen.
En tot voor kort heeft de technologie mijnexploitanten beperkt tot het benutten van energie alleen uit kolenmijnemissies met relatief hoge concentraties methaan. Bij concentraties van meer dan 80 procent kan methaan worden geïnjecteerd in aardgaspijpleidingen of worden omgezet in vloeibaar aardgas voor voertuigen. Bij concentraties van ongeveer 20 tot 40 procent kan het gas energie opwekken zoals bij Elk Creek, of industriële ketels die stoom of heet water genereren. Volgens een rapport van de Verenigde Naties wordt het meeste methaan van gemiddelde en hoge kwaliteit gebruikt om energie op te wekken of een combinatie van energie en nuttige warmte. Dit methaan wordt meestal verzameld in boorgaten die rond de site zijn geboord voordat de daadwerkelijke mijnbouw begint.
Veel van het methaan dat uit kolenmijnschachten komt, bevindt zich echter in lage concentraties, gemengd met stikstof, zuurstof en andere verontreinigingen. Dit komt omdat operators meestal ventilatiesystemen gebruiken om methaan dat in mijnschachten lekt te verdunnen met frisse lucht voor de veiligheid van de werknemer: bij een concentratie van 5 tot 15 procent in lucht is methaan explosief en zijn concentraties onder 1 procent vereist voor een gezonde ademhaling.
Zodra methaan wordt gemengd met andere gassen in ventilatiesystemen, wordt het moeilijk om als brandstof te gebruiken omdat het mengsel niet brandt en methaan lastig uit te filteren is.
Mede door deze uitdagingen komt geventileerde methaangetrokken lucht doorgaans in de atmosfeer terecht, zoals in Elk Creek. Slechts ongeveer 20 van de meer dan 500 actieve landelijke ondergrondse kolenmijnen hebben elk type systeem geïnstalleerd om methaan op te vangen of om te zetten in elektriciteit. En van die 20 mijnen, nemen de meeste gewoon methaan op dat is verzameld in afwateringsgaten en injecteert het in nabijgelegen aardgaspijpleidingen voor gebruik door huizen en bedrijven.
Partners voor een nieuwe aanpak
In westerse staten zoals Colorado liggen kolenmijnen vaak ver van aardgaspijpleidingen, dus het gebruiken van zelfs hoogwaardig methaan van deze locaties vereist een andere aanpak. Elk Creek is ongebruikelijk onder Amerikaanse kolenmijnen omdat het methaan verbrandt om ter plaatse elektriciteit op te wekken en die elektriciteit naar het lokale elektriciteitsnet te sturen.
Soortgelijke methaan-naar-energie technologie wordt al tientallen jaren geïnstalleerd in mijnen in Europa, Australië, China en andere landen. Maar die projecten hebben geprofiteerd van fiscale prikkels en andere vormen van overheidssteun, evenals duurder aardgas en elektriciteit - waardoor ze concurrerend methaan kunnen verkopen tegen hogere prijzen. Elk Creek biedt een model om dit afval te benutten via particuliere partnerschappen in een tijd en plaats waar elektriciteit uit aardgas relatief goedkoop is.
Tom Vessels, president van Denver, Colorado, energieontwikkelaar Vessels Coal and Gas, begon in 2005 partners en financiers te zoeken voor een kolenmijn methaan-naar-energieproject na een rondleiding door een aantal mijnen met behulp van de technologie in Duitsland. De meeste Amerikaanse bedrijven die hij benaderde, waren onbekend met de technologie, zegt Vessels, en aarzelen om te investeren. Toegegeven, het was niet in de VS gedaan, zegt hij. "Maar we vinken dat vak nu aan."
In 2012 hebben schepen $ 5, 4 miljoen aan financiering verkregen van Aspen Skiing Company, een high-end resortbedrijf dat schonere energie wil genereren en de uitstoot van het eigen elektriciteitsverbruik wil compenseren. Holy Cross Energy, een landelijke elektriciteitscoöperatie, tekende aan om iets boven de markttarieven te betalen voor elektriciteit uit het project in ruil voor een contract van 15 jaar en een nieuwe, schonere bron van elektriciteit.
Ten slotte stemde Oxbow Mining, eigenaar van Elk Creek, onder leiding van energiemagnaat William Koch ermee in om schepen apparatuur in zijn mijn te laten installeren in ruil voor een kleine verlaging van de jaarlijkse stroomverkopen. De meeste inkomsten van Holy Cross - ongeveer $ 650.000 per jaar, of ongeveer 12 procent van de oorspronkelijke investering van ASC - gaan naar het resortbedrijf.
Beleid aan de Horizon
Het project begon vorig jaar met het voeden van elektriciteit aan het elektriciteitsnet voor distributie in heel West-Colorado. Enkele maanden later keurde Colorado een nieuwe wet goed die grote landelijke elektrische coöperaties vereist, en de nutsbedrijven die hen van dienst zijn, om tegen 2020 20 procent van hun energie uit hernieuwbare bronnen te halen - een verdubbeling van een in 2004 gestelde eis.
De wet erkent methaan naast voortdurend bijgevulde hulpbronnen zoals wind en zonne-energie als een hernieuwbare hulpbron, een beleid dat sterk wordt tegengewerkt door sommige milieugroeperingen en voorstanders van groene energie. Jeremy Nichols, directeur van klimaat- en energieprogramma's voor de non-profit milieubeschermingsgroep WildEarth Guardians, zegt dat het classificeren van methaan "niet het doel is van een norm voor duurzame energie." Maar het gebruik van methaan voor energie, zegt hij, verslaat de status quo van het ventileren naar de atmosfeer. "Aan het einde van de dag, " zegt hij, "maakt het het beste van het slechte." En na verloop van tijd zeggen experts dat het onder het nieuwe mandaat brengen van methaan de vraag bij elektriciteitsbedrijven in Colorado naar projecten van Elk Creek zou kunnen vergroten.
Er is ook verandering op federaal niveau. President Obama heeft federale agentschappen opgedragen "een uitgebreide methaanstrategie te ontwikkelen" en het Environmental Protection Agency heeft ongeveer 50 Amerikaanse kolenmijnen geïdentificeerd die veelbelovend zijn voor het afvangen en verbranden of omzetten van elektriciteit in methaan.
Voorstanders van methaanenergie zijn hoopvol dat een aanstaande stemming in Californië de technologie uiteindelijk van kust tot kust winstgevender zal maken. De luchtregulatoren van de staat zijn gepland om binnenkort te stemmen over een voorstel om methaanbeperkingsprojecten te belonen in het kader van het cap-and-trade-programma, dat is ontworpen om de staat te helpen zijn broeikasgasemissies tegen het jaar 2020 terug te brengen tot 1990. Indien goedgekeurd, protocol zou kolenmijnexploitanten en methaanemitters landelijk in staat stellen credits te verdienen voor het verminderen van hun uitstoot. Vervuilers in Californië die de maximale emissierechten van de staat verwachten te overschrijden, zouden deze credits dan kunnen kopen als een manier om hun overschot teniet te doen.
"Je hebt een zeer goede prijs voor koolstof nodig om [methaanbeperking] levensvatbaar te maken", zegt Clark Talkington, een senior consultant bij Advanced Resources International, die energie- en koolstofvastleggingsprojecten ontwikkelt. "Ik weet dat er verschillende projecten aan de zijlijn staan, dus als Californië erdoorheen komt, zou dit zeker vooruit komen."
In Elk Creek wordt bijvoorbeeld 84 procent van het methaan dat uit de mijn wordt gevangen - genoeg om $ 1 miljoen aan elektriciteit op te wekken - gewoon verbrand omdat Holy Cross het budget en de wens mist om meer energie van het project te kopen en er geen andere klanten zijn geweest gevonden. "We hebben absoluut een ander project in het oog", zegt Schendler van ASC. "Maar de barrière krijgt een stroomafnameovereenkomst van een ander hulpprogramma dat tegen een acceptabele prijs is." ASC zou geld verliezen aan het project als het elektriciteit zou verkopen tegen het typische groothandelspercentage van 3, 5 cent per kilowattuur.
Innovation in the Works
Naast het beleid, maken innovatieve technieken het mogelijk methaan uit zeer verdunde bronnen op te ruimen, zoals de geventileerde lucht in mijnschachten, en het te gebruiken als brandstof voor generatoren. Bij een grote kolenmijn in de Chinese provincie Henan wordt geventileerde lucht met methaanconcentraties van slechts 0, 3 procent gebruikt om water voor mijnfaciliteiten te verwarmen. Het systeem leidt geventileerde kolenmijnlucht door kamers die de temperatuur verhogen totdat methaanmoleculen uiteenvallen in kooldioxide en water en de warmte van deze reactie wordt opgevangen.
In Australië combineert een kolencentrale van BHP Billiton geventileerde lucht methaan met sterk geconcentreerd methaan dat is afgevoerd in boorgaten in de buurt van de mijn voordat de mijnbouw begint. Samen gemengd, kan methaan uit de ventilatieopeningen en de drains als brandstof worden verbrand. Dit systeem genereert warmte om stoom te produceren, die op zijn beurt een kleine energiecentrale beheert die gemiddeld 10 gigawattuur per jaar produceert.
Andere wetenschappers willen betere filters ontwikkelen om het methaan in geventileerde lucht te scheiden van onnodige gassen zoals koolstofdioxide en stikstof. Wetenschappers van de University of California, Berkeley en het Lawrence Livermore National Laboratory hebben bijvoorbeeld gekeken naar een sterk sorberend materiaal dat wordt gekenmerkt door poriën op nanoschaal die nanoporeuze zeolieten worden genoemd. De groep heeft computermodellen gebruikt om bijna 100.000 verschillende zeolietstructuren te testen, zegt Amitesh Maiti, materiaalfysicus bij het Lawrence Livermore lab.
Op dit punt bevindt het onderzoek zich nog in een vroeg stadium. "Het materiaal is misschien niet zo puur in het echte leven als we in deze modellen zien, " zegt Maiti. Maar als een nanoporeus zeoliet of ander materiaal kan worden ontwikkeld dat gemakkelijk methaanmoleculen vangt, kan dit de kosten voor het opwekken van elektriciteit uit het sterk verdunde afvalmethaan van kolenmijnen drastisch verlagen. In het proces zou het deze bron van methaan te waardevol kunnen maken als brandstof om zijn vorige mantel te dragen als een schadelijk, hinderlijk afval dat moet worden weggegooid.
