Di lembah Colorado di mana pelombong telah menuai arang batu selama lebih daripada satu abad, bahan api kedua-metana-melepaskan dari jahitan hitam tebal lombong Elk Creek. Sistem lubang-lubang dan paip di sekeliling corong lombong yang kaya gas metana ke enjin trak yang diubahsuai. Menggunakan trio penjana satu megawatt, enjin menukar metana ini kepada elektrik untuk grid tenaga tempatan.
Elk Creek adalah projek metana ke-tenaga pertama di lombong arang batu barat Mississippi dan yang terbesar seumpamanya di seluruh negara. Tetapi lombong arang batu seperti Elk Creek menyumbang kira-kira 10 peratus pelepasan metana secara nasional dan 6 peratus pelepasan metana di seluruh dunia, dan mereka terus melepaskan metana lama selepas operasi perlombongan telah berakhir. Gas juga meresap dari rawa, flora industri, tapak pelupusan, ladang ternakan dan operasi gas asli.
Malah, metana begitu banyak memasuki atmosfer bumi setiap tahun yang secara global merupakan penyumbang terbesar kepada perubahan iklim selepas karbon dioksida. Methane melepaskan lebih cepat daripada karbon, tetapi kekuatannya sebagai gas rumah hijau selama tempoh 100 tahun lebih daripada 20 kali ganda CO2.
Pembakaran metana boleh menjana tenaga atau haba yang berguna sambil mengurangkan kesan iklimnya-pada dasarnya mengurangkan gas ke dalam air yang lebih lemah dan karbon dioksida. Di Elk Creek, pembakaran lebih dari 670, mete kaki kaki metana setiap hari-kira-kira 16 peratus daripada jumlah pelepasan gas metana di dalam enjin pembakaran dalaman dijangka menjana 24 gigawatt jam setiap tahun. Itulah kuasa yang cukup untuk kuasa kira-kira 2, 000 rumah.
Dengan menghentikan metana daripada memasuki atmosfera, projek itu akan menghalang pelepasan yang bersamaan dengan lebih daripada 96, 500 tan metrik CO2 setiap tahun dalam tempoh 15 tahun yang akan datang, menurut anggaran dari penanggung utamanya, Syarikat Ski Aspen. Itu adalah kira-kira 10 hari pelepasan karbon dari loji janakuasa arang batu biasa-tidak mencukupi untuk membuat penyesuai bermakna dalam pelepasan gas rumah hijau global, tetapi satu langkah penting ke arah mengubah metana dari sisa bermasalah kepada bahan api berharga.
Gabungan perubahan dasar, perkongsian baru kreatif dan inovasi teknologi kini bermakna Elk Creek boleh memimpin gelombang yang lebih besar daripada projek serupa yang menuai metana dari lombong arang batu.
Cabaran
Dari segi sejarah, pemilik lombong seperti Elk Creek di Amerika Syarikat mempunyai sedikit insentif untuk menggunakan metana. Gas menjual untuk harga yang rendah pada hari ini berbanding bahan api lain yang akan mengambil masa bertahun-tahun untuk menampung kos memasang sistem yang diperlukan untuk menuai. Akibatnya, pemilik tambang hanya membenarkan gas untuk memasuki atmosfer bumi.
Dan sehingga baru-baru ini, teknologi telah mengehadkan pengendali tambang untuk memanfaatkan tenaga hanya dari pelepasan lombong arang batu dengan kepekatan metana yang agak tinggi. Pada kepekatan melebihi 80 peratus, metana boleh disuntik ke saluran paip gas asli atau ditukar kepada gas asli cecair untuk kenderaan. Pada kepekatan kira-kira 20 hingga 40 peratus, gas boleh menjana penjanaan kuasa seperti yang berlaku di Elk Creek, atau dandang industri yang menjana stim atau air panas. Menurut laporan Pertubuhan Bangsa-bangsa Bersatu, kebanyakan metana yang bermutu tinggi dan bermutu digunakan untuk menghasilkan sama ada kuasa atau gabungan kekuatan dan haba yang berguna. Metana ini biasanya dikumpulkan ke dalam lubang bor di sekitar tapak sebelum pertambangan sebenar bermula.
Kebanyakan metana yang keluar dari aci lombong arang batu, bagaimanapun, adalah dalam kepekatan yang rendah, bercampur dengan nitrogen, oksigen dan bahan cemar lain. Ini kerana pengendali biasanya menggunakan sistem pengudaraan untuk mencairkan sebarang metana yang bocor ke dalam lubang lombong dengan udara segar untuk keselamatan pekerja: pada 5 hingga 15 peratus kepekatan udara, metana adalah bahan letupan, dan kepekatan di bawah 1 peratus diperlukan untuk pernafasan yang sihat.
Apabila metana menjadi bercampur-campur dengan gas lain dalam sistem pengudaraan, ia menjadi sukar untuk digunakan sebagai bahan bakar kerana campuran itu tidak akan terbakar dan metana adalah rumit untuk ditapis.
Oleh kerana sebahagian daripada cabaran ini, udara berventilasi metana biasanya dibebaskan ke atmosfera, seperti di Elk Creek. Hanya sekitar 20 daripada lebih daripada 500 aktif Lombong arang batu bawah tanah di seluruh negara telah memasang sebarang jenis sistem untuk menangkap metana atau menukarnya kepada elektrik. Dan dari 20 lombong itu, kebanyakannya hanya mengambil metana yang dikumpulkan di lubang saliran dan menyuntikkannya ke saluran paip gas asli berdekatan untuk digunakan oleh rumah dan perniagaan.
Pasangan untuk Pendekatan Baru
Di negara-negara barat seperti Colorado, lombong arang batu sering terletak jauh dari saluran paip gas asli, jadi memanfaatkan metana berkualiti tinggi dari tapak-tapak ini memerlukan pendekatan yang berbeza. Elk Creek adalah luar biasa di kalangan lombong arang batu AS kerana ia membakar metana untuk menghasilkan elektrik di tempat dan menghantar elektrik itu ke grid kuasa tempatan.
Teknologi metana ke-tenaga yang sama telah dipasang di lombong di Eropah, Australia, China dan negara-negara lain selama beberapa dekad. Tetapi projek-projek itu mendapat manfaat daripada insentif cukai dan bentuk sokongan awam yang lain, serta gas asli dan elektrik yang lebih mahal - yang membolehkan mereka menjual metana secara bersaing dengan harga yang lebih tinggi. Elk Creek menawarkan model untuk memanfaatkan sisa ini melalui perkongsian swasta dalam satu masa dan tempat di mana elektrik dari gas asli agak murah.
Tom Vessels, presiden Denver, pemaju tenaga berasaskan Colorado Vessels Coal and Gas, mula mencari rakan kongsi dan pembiaya untuk projek metana-tenaga lombong arang batu pada tahun 2005 selepas melawat beberapa lombong menggunakan teknologi di Jerman. Kebanyakan syarikat AS yang didekati beliau tidak akrab dengan teknologi, kata Vessels, dan enggan melabur sebagai hasilnya. Benar, ia belum dilakukan di AS, katanya. "Tetapi kami sedang memeriksa kotak itu sekarang."
Pada tahun 2012, Kapal mendapat $ 5.4 juta pembiayaan dari Syarikat Ski Aspen, sebuah syarikat resort mewah yang bertujuan untuk menjana tenaga bersih dan mengimbangi pelepasan yang berkaitan dengan penggunaan elektriknya sendiri. Holy Cross Energy, sebuah koperasi elektrik luar bandar, telah menandatangani perjanjian untuk membayar sedikit di atas harga pasaran untuk elektrik daripada projek itu sebagai pertukaran kontrak selama 15 tahun dan sumber bersih baru yang bersih.
Akhirnya, pemilik Elk Creek Oxbow Mining, yang diketuai oleh tenaga tenaga William Koch, bersetuju untuk membiarkan peralatan pemasangan Vessels di lombongnya sebagai ganti potongan kecil jualan kuasa tahunan. Kebanyakan hasil dari Holy Cross - kira-kira $ 650, 000 setahun, atau kira-kira 12 peratus daripada pelaburan asal ASC-akan pergi ke syarikat resort.
Dasar di Horizon
Projek itu mula memberi makan kepada grid kuasa tahun lepas untuk diedarkan di seluruh Colorado barat. Beberapa bulan kemudian, Colorado meluluskan undang-undang baru yang memerlukan koperasi elektrik luar bandar yang besar, dan utiliti yang melayani mereka, untuk mendapatkan 20 peratus daripada tenaga mereka daripada sumber yang boleh diperbaharui menjelang 2020-menggandakan keperluan yang ditetapkan pada tahun 2004.
Undang-undang itu mengiktiraf metana di samping sumber yang terus diisi semula seperti angin dan solar sebagai sumber yang boleh diperbaharui, suatu dasar yang sangat ditentang oleh beberapa kumpulan alam sekitar dan penyokong tenaga hijau. Jeremy Nichols, pengarah program iklim dan tenaga untuk kumpulan penyokong alam sekitar bukan keuntungan WildEarth Guardians, mengatakan pengelasan metana "bukanlah tujuan standard tenaga boleh diperbaharui." Tetapi menggunakan metana untuk tenaga, katanya, mengalahkan status quo membebaskannya ke atmosfera. "Pada akhir hari, " katanya, "ia membuat yang terbaik dari perkara yang buruk." Dan dari masa ke masa, pakar mengatakan membawa metana di bawah mandat baru ini dapat meningkatkan permintaan di kalangan utiliti Colorado untuk tenaga elektrik dari projek seperti Elk Creek.
Perubahan juga berlaku di peringkat persekutuan. Presiden Obama telah mengarahkan agensi-agensi persekutuan untuk "membangunkan strategi metana yang komprehensif" dan Agensi Perlindungan Alam Sekitar telah mengenal pasti sekitar 50 lombong arang batu AS yang menunjukkan janji untuk menangkap metana sisa dan membakarnya atau mengubahnya menjadi elektrik.
Penyokong tenaga metana berharap bahawa undi yang akan datang di California akhirnya akan membuat teknologi lebih menguntungkan pantai ke pantai. Pengawal selia udara negeri dijadualkan untuk mengundi tidak lama lagi atas cadangan untuk memberi ganjaran projek pengurangan metana di bawah program cap-dan-perdagangan, yang direka untuk membantu negara mengurangkan pelepasan gas rumah hijaunya pada tahun 1990 oleh tahun 2020. Jika diluluskan, protokol akan membolehkan pengendali lombong arang batu dan pemancar metana di seluruh negara untuk mendapatkan kredit untuk mengurangkan pelepasan mereka. Pencemaran California mengharapkan untuk melebihi elaun pelepasan maksimum negeri kemudian boleh membeli kredit ini sebagai cara untuk menafikan kelebihan mereka.
"Anda memerlukan harga yang sangat baik di atas karbon untuk membuat [pengurangan metana] berdaya maju, " kata Clark Talkington, seorang perunding kanan dengan Advanced Resources International, yang membangunkan projek penyerapan tenaga dan karbon. "Saya tahu ada beberapa projek yang duduk di luar, jadi jika California datang, ia pasti akan memacu mereka ke hadapan."
Di Elk Creek, contohnya, 84 peratus metana yang ditangkap dari lombong - cukup untuk menjana elektrik bernilai $ 1 juta - hanya dibakar kerana Holy Cross tidak mempunyai anggaran dan keinginan untuk membeli lebih banyak tenaga daripada projek itu, dan tidak ada pelanggan lain yang telah dijumpai. "Kami pasti melihat projek lain, " kata Schendler ASC. "Tetapi halangan itu mendapat perjanjian pembelian kuasa dari utiliti lain yang pada harga yang dapat diterima." ASC akan kehilangan wang ke atas projek itu jika ia menjual elektrik pada kadar borong tipikal sebanyak 3.5 sen setiap kilowatt jam.
Inovasi dalam Kerja
Di luar dasar, teknik inovatif memungkinkan untuk membuang metana dari sumber yang sangat cair, seperti udara yang berventilasi di dalam lubang lombong, dan menggunakannya sebagai bahan bakar untuk penjana. Di lombong arang batu besar di Wilayah Henan China, udara berventilasi dengan kepekatan metana sebanyak 0.3 peratus digunakan untuk memanaskan air untuk kemudahan tambang. Sistem ini melingkari udara lombong arang batu berudara melalui bilik yang meningkatkan suhu sehingga molekul metana memecah menjadi karbon dioksida dan air, dan haba dari reaksi ini ditangkap.
Di Australia, sebuah loji arang batu yang dimiliki oleh BHP Billiton menggabungkan metana udara yang berventilasi dengan metana yang sangat pekat yang telah disalirkan ke dalam lubang bor yang dibor dekat lombong sebelum perlombongan bermula. Campuran bersama, metana dari lubang-lubang dan parit boleh dibakar sebagai bahan bakar. Sistem ini menjana haba untuk menghasilkan stim, yang seterusnya menghasilkan loji janakuasa kecil menghasilkan purata 10 gigawatt jam setahun.
Para saintis lain sedang mencari untuk menghasilkan penapis yang lebih baik untuk memisahkan metana dalam udara yang berventilasi daripada gas yang tidak diperlukan seperti karbon dioksida dan nitrogen. Para saintis dengan University of California, Berkeley dan Laboratorium Nasional Lawrence Livermore, misalnya, telah melihat bahan yang sangat sengsara yang ditandai dengan liang nano-skala yang disebut zeolit nanoporous. Kumpulan itu telah menggunakan model komputer untuk menguji hampir 100, 000 struktur zeolit yang berbeza, kata Amitesh Maiti, seorang ahli fizik bahan di makmal Lawrence Livermore.
Pada ketika ini, penyelidikan masih di peringkat awal. "Bahan mungkin tidak semulajadi dalam kehidupan sebenar seperti yang kita lihat dalam model-model ini, " kata Maiti. Namun, jika zeolit nanoporous atau bahan lain boleh dibangunkan dengan mudah menangkap molekul metana, ia dapat mengurangkan kos menjana elektrik secara dramatik daripada metana sisa pepejal metana lombong arang batu. Dalam proses itu, ia boleh menjadikan sumber metana ini terlalu berharga sebagai bahan api untuk meneruskan mantelnya sebelum ini sebagai sisa berbahaya, yang perlu dibuang.
