In una valle del Colorado dove i minatori hanno raccolto carbone per più di un secolo, un secondo combustibile, il metano, fugge dalle fitte cuciture nere della miniera di Elk Creek. Un sistema di pozzi e tubi attorno alla miniera incanala gas ricco di metano verso un motore di camion modificato. Utilizzando un trio di generatori da un megawatt, il motore converte questo metano in elettricità per la rete elettrica locale.
Elk Creek è il primo progetto di metano-energia in una miniera di carbone a ovest del Mississippi e il più grande del suo genere a livello nazionale. Ma le miniere di carbone come Elk Creek contribuiscono per circa il 10 percento delle emissioni di metano a livello nazionale e il 6 percento delle emissioni di metano in tutto il mondo e continuano a rilasciare metano per molto tempo dopo la fine delle operazioni di estrazione. Il gas filtra anche da paludi, canne fumarie industriali, discariche, allevamenti di bestiame e operazioni di gas naturale.
In effetti, così tanto metano entra nell'atmosfera terrestre ogni anno che a livello globale è il secondo maggiore contributo al cambiamento climatico dopo l'anidride carbonica. Il metano si dissipa più rapidamente del carbonio, ma la sua forza di gas serra per un periodo di 100 anni è più di 20 volte quella della CO2.
La combustione del metano può generare energia o calore utile riducendo al contempo l'impatto sul clima, riducendo sostanzialmente il gas a una miscela più debole di acqua e anidride carbonica. A Elk Creek, che brucia poco più di 670, ooo piedi cubi di metano al giorno - circa il 16 percento delle emissioni totali di metano della miniera - in un motore a combustione interna dovrebbe generare 24 gigawattora all'anno. È abbastanza elettricità per alimentare circa 2.000 case.
Impedendo al metano di entrare nell'atmosfera, il progetto eviterà emissioni equivalenti a oltre 96.500 tonnellate di CO2 all'anno nei prossimi 15 anni, secondo le stime del suo principale finanziatore, Aspen Skiing Company. Ciò equivale a circa 10 giorni di emissioni di carbonio da una tipica centrale elettrica a carbone, non abbastanza per intaccare significativamente le emissioni globali di gas a effetto serra, ma un passo importante verso la trasformazione del metano da un rifiuto problematico in un combustibile prezioso.
Una combinazione di cambiamenti politici, nuove partnership creative e innovazione tecnologica ora significa che Elk Creek potrebbe guidare un'ondata molto più ampia di progetti simili che raccolgono metano dalle miniere di carbone.
La sfida
Storicamente, i proprietari di miniere come Elk Creek negli Stati Uniti hanno avuto pochi incentivi a utilizzare il metano. Il gas vende a prezzi così bassi in questi giorni rispetto ad altri combustibili che occorrerebbero molti anni per recuperare i costi di installazione dei sistemi necessari per la raccolta. Di conseguenza, i proprietari delle miniere permettono semplicemente al gas di entrare nell'atmosfera terrestre.
E fino a poco tempo fa, la tecnologia ha limitato gli operatori delle miniere a sfruttare l'energia solo dalle emissioni di miniere di carbone con concentrazioni relativamente elevate di metano. A concentrazioni superiori all'80%, il metano può essere iniettato in condotte di gas naturale o convertito in gas naturale liquefatto per veicoli. A concentrazioni comprese tra il 20 e il 40 percento, il gas può alimentare la produzione di energia come fa a Elk Creek, o caldaie industriali che generano vapore o acqua calda. Secondo un rapporto delle Nazioni Unite, la maggior parte del metano di media e alta qualità viene utilizzata per generare energia o una combinazione di energia e calore utile. Questo metano viene in genere raccolto in pozzi perforati attorno al sito prima che inizi l'effettiva estrazione.
Gran parte del metano che fuoriesce dai pozzi delle miniere di carbone, tuttavia, è a basse concentrazioni, miscelato con azoto, ossigeno e altri contaminanti. Questo perché gli operatori utilizzano in genere i sistemi di ventilazione per diluire qualsiasi perdita di metano nei pozzi con aria fresca per la sicurezza dei lavoratori: con una concentrazione dell'aria compresa tra il 5 e il 15 percento, il metano è esplosivo e sono necessarie concentrazioni inferiori all'1 percento per una respirazione sana.
Una volta che il metano viene miscelato con altri gas nei sistemi di ventilazione, diventa difficile utilizzare come combustibile perché la miscela non brucia e il metano è difficile da filtrare.
In parte a causa di queste sfide, l'aria ventilata con metano viene in genere rilasciata nell'atmosfera, come lo è a Elk Creek. Solo circa 20 degli oltre 500 attivi le miniere di carbone sotterranee a livello nazionale hanno installato qualsiasi tipo di sistema per catturare metano o convertirlo in elettricità. E di quelle 20 miniere, la maggior parte sta semplicemente prendendo metano raccolto nei fori di drenaggio e iniettandolo nei gasdotti vicini per essere utilizzato da case e aziende.
Partner per un nuovo approccio
Negli stati occidentali come il Colorado, le miniere di carbone sono spesso situate lontano dai gasdotti naturali, quindi sfruttare anche il metano di alta qualità da questi siti richiede un approccio diverso. Elk Creek è insolito tra le miniere di carbone degli Stati Uniti in quanto sta bruciando metano per generare elettricità sul posto e inviandola alla rete elettrica locale.
Una tecnologia metano-energia simile è stata installata nelle miniere in Europa, Australia, Cina e altri paesi per decenni. Ma quei progetti hanno beneficiato di incentivi fiscali e altre forme di sostegno pubblico, nonché di gas naturale ed elettricità più costosi, il che consente loro di vendere metano in modo competitivo a prezzi più elevati. Elk Creek offre un modello per sfruttare questi rifiuti attraverso partnership private in un momento e in un luogo in cui l'elettricità dal gas naturale è relativamente economica.
Tom Vessels, presidente di Denver, lo sviluppatore energetico con sede in Colorado, Vessels Coal and Gas, ha iniziato a cercare partner e finanziatori per un progetto metano-energia nella miniera di carbone nel 2005, dopo aver visitato diverse miniere che utilizzano la tecnologia in Germania. La maggior parte delle aziende statunitensi a cui si avvicinava non conosceva la tecnologia, afferma Vessels, e riluttante a investire di conseguenza. È vero, non era stato fatto negli Stati Uniti, dice. "Ma stiamo selezionando quella casella ora."
Nel 2012, Vessels ha ottenuto finanziamenti per $ 5, 4 milioni da Aspen Skiing Company, una società resort di fascia alta che mira a generare energia più pulita e controbilanciare le emissioni associate al proprio consumo di elettricità. Holy Cross Energy, una cooperativa di elettricità rurale, ha firmato per pagare leggermente al di sopra dei tassi di mercato per l'elettricità dal progetto in cambio di un contratto di 15 anni e una nuova fonte di elettricità più pulita.
Infine, Oxbow Mining, proprietario di Elk Creek, guidato dal magnate dell'energia William Koch, ha accettato di lasciare che i Vessels installassero apparecchiature presso la sua miniera in cambio di un piccolo taglio delle vendite annuali di energia. La maggior parte delle entrate di Holy Cross - circa $ 650.000 all'anno, ovvero circa il 12 percento dell'investimento iniziale di ASC, andrà alla società resort.
Politiche all'orizzonte
Lo scorso anno il progetto ha iniziato a fornire elettricità alla rete elettrica per la distribuzione in tutto il Colorado occidentale. Diversi mesi dopo, il Colorado ha approvato una nuova legge che richiede grandi cooperative elettriche rurali e le utility che le servono, per ottenere il 20% della loro energia da fonti rinnovabili entro il 2020, raddoppiando un requisito stabilito nel 2004.
La legge riconosce il metano insieme a risorse continuamente reintegrate come il vento e il solare come risorsa rinnovabile, una politica fortemente contrastata da alcuni gruppi ambientalisti e sostenitori dell'energia verde. Jeremy Nichols, direttore dei programmi climatici ed energetici per il gruppo di difesa ambientale no profit WildEarth Guardians, afferma che la classificazione del metano "non è lo scopo di uno standard di energia rinnovabile". Ma usare il metano come energia, dice, batte lo status quo di sfogarlo nell'atmosfera. "Alla fine della giornata", dice, "sta ottenendo il meglio da una brutta cosa". E nel corso del tempo, gli esperti affermano che portare il metano sotto il nuovo mandato potrebbe aumentare la domanda tra le utility del Colorado di elettricità da progetti come Elk Creek.
Il cambiamento è in corso anche a livello federale. Il presidente Obama ha ordinato alle agenzie federali di "sviluppare una strategia globale per il metano" e l'Agenzia per la protezione ambientale ha identificato circa 50 miniere di carbone statunitensi che mostrano la promessa di catturare rifiuti di metano e bruciarli o convertirli in elettricità.
I sostenitori dell'energia del metano sperano che un prossimo voto in California renderà la tecnologia più redditizia da costa a costa. I regolatori dell'aria dello stato dovrebbero votare presto su una proposta per premiare i progetti di abbattimento del metano nell'ambito del suo programma "cap-and-trade", progettato per aiutare lo stato a ridurre le emissioni di gas serra ai livelli del 1990 entro il 2020. Se approvato, il il protocollo consentirebbe agli operatori delle miniere di carbone e agli emettitori di metano a livello nazionale di guadagnare crediti per ridurre le loro emissioni. Gli inquinatori della California che si aspettano di superare il limite massimo di emissioni dello Stato potrebbero quindi acquistare questi crediti come mezzo per negare il loro eccesso.
"È necessario un ottimo prezzo sul carbonio per rendere [mitigazione del metano] praticabile", afferma Clark Talkington, consulente senior di Advanced Resources International, che sviluppa progetti di sequestro dell'energia e del carbonio. "So che ci sono molti progetti in disparte, quindi se la California dovesse arrivare, li farebbe sicuramente avanzare".
Ad Elk Creek, ad esempio, l'84 percento del metano catturato dalla miniera - abbastanza per generare $ 1 milione di elettricità - viene semplicemente bruciato perché Holy Cross non ha il budget e desidera acquistare più energia dal progetto, e nessun altro cliente è stato trovato. "Abbiamo sicuramente messo gli occhi su un altro progetto", afferma Schendler di ASC. "Ma la barriera sta ottenendo un accordo di acquisto di energia da un'altra utility a un prezzo accettabile". ASC perderebbe soldi per il progetto se vendesse elettricità al normale tasso all'ingrosso di 3, 5 centesimi per chilowattora.
Innovazione nelle opere
Al di là della politica, tecniche innovative stanno rendendo possibile eliminare il metano da fonti molto diluite, come l'aria ventilata nei pozzi delle miniere, e utilizzarlo come combustibile per i generatori. In una grande miniera di carbone nella provincia cinese dell'Henan, l'aria calda con concentrazioni di metano inferiori allo 0, 3 percento viene utilizzata per riscaldare l'acqua delle strutture minerarie. Il sistema avvolge l'aria di miniera di carbone ventilata attraverso camere che aumentano la sua temperatura fino a quando le molecole di metano si scompongono in anidride carbonica e acqua, e il calore di questa reazione viene catturato.
In Australia, una centrale a carbone di proprietà di BHP Billiton combina metano ad aria ventilata con metano altamente concentrato che è stato scaricato in pozzi perforati vicino alla miniera prima dell'inizio dell'estrazione. Mescolati insieme, il metano proveniente dalle prese d'aria e dagli scarichi può essere bruciato come combustibile. Questo sistema genera calore per produrre vapore, che a sua volta gestisce una piccola centrale elettrica che produce in media 10 gigawattora all'anno.
Altri scienziati stanno cercando di sviluppare filtri migliori per separare il metano nell'aria ventilata da gas non necessari come l'anidride carbonica e l'azoto. Gli scienziati dell'Università della California, di Berkeley e del Lawrence Livermore National Laboratory, ad esempio, hanno esaminato un materiale altamente assorbente contrassegnato da pori su nanoscala chiamati zeoliti nanoporose. Il gruppo ha utilizzato modelli di computer per testare quasi 100.000 diverse strutture di zeolite, afferma Amitesh Maiti, un fisico dei materiali presso il laboratorio Lawrence Livermore.
A questo punto, la ricerca rimane nelle fasi iniziali. "Il materiale potrebbe non essere puro nella vita reale come vediamo in questi modelli", afferma Maiti. Tuttavia, se si potesse sviluppare una zeolite nanoporosa o altro materiale che catturi prontamente molecole di metano, si potrebbe ridurre drasticamente il costo di generazione di elettricità dal metano di scarto altamente diluito delle miniere di carbone. Nel processo, potrebbe rendere questa fonte di metano troppo preziosa come combustibile per portare il mantello precedente come rifiuto dannoso e fastidioso da buttare via.
