En un valle de Colorado donde los mineros han cosechado carbón durante más de un siglo, un segundo combustible, el metano, escapa de las gruesas vetas negras de la mina Elk Creek. Un sistema de perforaciones y tuberías alrededor de la mina canaliza gas rico en metano a un motor de camión modificado. Usando un trío de generadores de un megavatio, el motor convierte este metano en electricidad para la red eléctrica local.
Elk Creek es el primer proyecto de metano a energía en una mina de carbón al oeste del Mississippi y el más grande de su tipo en todo el país. Pero las minas de carbón como Elk Creek contribuyen con aproximadamente el 10 por ciento de las emisiones de metano a nivel nacional y el 6 por ciento de las emisiones de metano en todo el mundo, y continúan liberando metano mucho después de que las operaciones mineras hayan terminado. El gas también se filtra de pantanos, conductos industriales, vertederos, granjas de ganado y operaciones de gas natural.
De hecho, tanto metano ingresa a la atmósfera de la Tierra cada año que a nivel mundial es el segundo mayor contribuyente al cambio climático después del dióxido de carbono. El metano se disipa más rápido que el carbono, pero su resistencia como gas de efecto invernadero durante un período de 100 años es más de 20 veces mayor que el del CO2.
Quemar metano puede generar energía o calor útil al tiempo que disminuye su impacto climático, esencialmente reduciendo el gas a una mezcla más débil de agua y dióxido de carbono. En Elk Creek, que quema un poco más de 670, ooo pies cúbicos de metano por día (aproximadamente el 16 por ciento de las emisiones totales de metano de la mina) en un motor de combustión interna se espera que genere 24 gigavatios hora anualmente. Eso es suficiente electricidad para alimentar aproximadamente 2, 000 hogares.
Al evitar que el metano ingrese a la atmósfera, el proyecto evitará emisiones equivalentes a más de 96, 500 toneladas métricas de CO2 anualmente durante los próximos 15 años, según las estimaciones de su principal financiador, Aspen Skiing Company. Eso equivale a aproximadamente 10 días de emisiones de carbono de una planta de energía de carbón típica, no lo suficiente como para reducir significativamente las emisiones globales de gases de efecto invernadero, pero es un paso importante para transformar el metano de un desperdicio problemático en un combustible valioso.
Una combinación de cambios en las políticas, nuevas asociaciones creativas e innovación tecnológica ahora significa que Elk Creek podría estar liderando una ola mucho más grande de proyectos similares que cosechan metano de las minas de carbón.
El reto
Históricamente, los propietarios de minas como Elk Creek en los EE. UU. Han tenido pocos incentivos para utilizar el metano. El gas se vende a precios tan bajos en estos días en relación con otros combustibles que llevaría muchos años recuperar el costo de instalar los sistemas necesarios para cosecharlo. Como resultado, los propietarios de minas simplemente permiten que el gas ingrese a la atmósfera terrestre.
Y hasta hace poco, la tecnología ha limitado a los operadores de la mina a aprovechar la energía solo de las emisiones de la mina de carbón con concentraciones relativamente altas de metano. A concentraciones superiores al 80 por ciento, el metano puede inyectarse en tuberías de gas natural o convertirse en gas natural licuado para vehículos. En concentraciones de alrededor del 20 al 40 por ciento, el gas puede alimentar la generación de energía como lo hace en Elk Creek, o en calderas industriales que generan vapor o agua caliente. Según un informe de las Naciones Unidas, la mayoría del metano de calidad media y alta se utiliza para generar energía o una combinación de energía y calor útil. Este metano generalmente se recolecta en pozos perforados alrededor del sitio antes de que comience la minería real.
Sin embargo, gran parte del metano que sale de los pozos de las minas de carbón se encuentra en bajas concentraciones, mezclado con nitrógeno, oxígeno y otros contaminantes. Esto se debe a que los operadores suelen usar sistemas de ventilación para diluir cualquier escape de metano en los pozos de la mina con aire fresco para la seguridad de los trabajadores: con una concentración del 5 al 15 por ciento en el aire, el metano es explosivo y se requieren concentraciones por debajo del 1 por ciento para una respiración saludable.
Una vez que el metano se mezcla con otros gases en los sistemas de ventilación, se hace difícil usarlo como combustible porque la mezcla no se quema y el metano es difícil de filtrar.
Debido en parte a estos desafíos, el aire ventilado con metano generalmente se libera a la atmósfera, como sucede en Elk Creek. Solo alrededor de 20 de los más de 500 activos Las minas subterráneas de carbón en todo el país han instalado cualquier tipo de sistema para capturar metano o convertirlo en electricidad. Y de esas 20 minas, la mayoría simplemente está tomando metano recogido en los agujeros de drenaje e inyectándolo en tuberías de gas natural cercanas para su uso en hogares y negocios.
Socios para un nuevo enfoque
En los estados occidentales como Colorado, las minas de carbón a menudo están ubicadas lejos de las tuberías de gas natural, por lo que aprovechar incluso el metano de alta calidad de estos sitios exige un enfoque diferente. Elk Creek es inusual entre las minas de carbón de los EE. UU. Ya que está quemando metano para generar electricidad en el sitio y enviando esa electricidad a la red eléctrica local.
Tecnología similar de metano a energía se ha instalado en minas en Europa, Australia, China y otros países durante décadas. Pero esos proyectos se han beneficiado de incentivos fiscales y otras formas de apoyo público, así como de gas natural y electricidad más costosos, lo que les permite vender metano de manera competitiva a precios más altos. Elk Creek ofrece un modelo para aprovechar estos desechos a través de asociaciones privadas en un momento y lugar donde la electricidad del gas natural es relativamente barata.
Tom Vessels, presidente del desarrollador de energía con sede en Denver, Colorado, Vessels Coal and Gas, comenzó a buscar socios y financieros para un proyecto de metano a energía en una mina de carbón en 2005 después de recorrer varias minas que utilizan la tecnología en Alemania. La mayoría de las compañías estadounidenses a las que se acercó no estaban familiarizadas con la tecnología, dice Vessels, y como resultado se mostraron reacias a invertir. Es cierto que no se había hecho en los Estados Unidos, dice. "Pero ahora estamos marcando esa casilla".
En 2012, Vessels obtuvo $ 5.4 millones en fondos de Aspen Skiing Company, una corporación turística de alta gama con el objetivo de generar energía más limpia y contrarrestar las emisiones asociadas con su propio uso de electricidad. Holy Cross Energy, una cooperativa rural de electricidad, firmó para pagar tarifas ligeramente más altas del mercado por la electricidad del proyecto a cambio de un contrato de 15 años y una nueva fuente de electricidad más limpia.
Finalmente, el propietario de Elk Creek, Oxbow Mining, liderado por el magnate de la energía William Koch, acordó permitir que Vessels instale equipos en su mina a cambio de un pequeño recorte de las ventas anuales de energía. La mayor parte de los ingresos de Holy Cross, alrededor de $ 650, 000 por año, o alrededor del 12 por ciento de la inversión original de ASC, se destinará a la compañía del resort.
Políticas en el horizonte
El proyecto comenzó a suministrar electricidad a la red eléctrica el año pasado para su distribución en todo el oeste de Colorado. Varios meses después, Colorado aprobó una nueva ley que requiere grandes cooperativas eléctricas rurales, y las empresas de servicios públicos que las abastecen, para obtener el 20 por ciento de su energía de fuentes renovables para 2020, duplicando un requisito establecido en 2004.
La ley reconoce el metano junto con los recursos continuamente renovados como el viento y la energía solar como un recurso renovable, una política fuertemente opuesta por algunos grupos ambientalistas y defensores de la energía verde. Jeremy Nichols, director de programas de clima y energía para el grupo de defensa ambiental sin fines de lucro WildEarth Guardians, dice que clasificar el metano "no es el propósito de un estándar de energía renovable". Pero usar metano para obtener energía, dice, supera el status quo de ventilarlo a la atmósfera. "Al final del día", dice, "está haciendo lo mejor de algo malo". Y con el tiempo, los expertos dicen que incluir el metano bajo el nuevo mandato podría aumentar la demanda entre las empresas de servicios públicos de Colorado de electricidad de proyectos como Elk Creek.
También se está produciendo un cambio a nivel federal. El presidente Obama ordenó a las agencias federales que "desarrollen una estrategia integral de metano" y la Agencia de Protección Ambiental identificó alrededor de 50 minas de carbón de los Estados Unidos que prometen capturar desechos de metano y quemarlos o convertirlos en electricidad.
Los defensores de la energía del metano esperan que una próxima votación en California haga que la tecnología sea más rentable de costa a costa. Los reguladores del aire del estado están programados para votar pronto sobre una propuesta para recompensar los proyectos de reducción de metano bajo su programa de límite y comercio, que está diseñado para ayudar al estado a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero a los niveles de 1990 para el año 2020. Si se aprueba, el El protocolo permitiría a los operadores de minas de carbón y emisores de metano en todo el país obtener créditos para reducir sus emisiones. Los contaminadores de California que esperan exceder el límite máximo de emisiones del estado podrían comprar estos créditos como una forma de negar su excedente.
"Se necesita un muy buen precio del carbono para que la mitigación de metano sea viable", dice Clark Talkington, consultor senior de Advanced Resources International, que desarrolla proyectos de energía y secuestro de carbono. "Sé que hay varios proyectos al margen, por lo que si California se concreta, definitivamente los impulsaría".
En Elk Creek, por ejemplo, el 84 por ciento del metano capturado de la mina, suficiente para generar $ 1 millón en electricidad, simplemente se quema porque Holy Cross carece del presupuesto y desea comprar más energía del proyecto, y ningún otro cliente ha sido encontró. "Definitivamente tenemos en la mira otro proyecto", dice Schendler de ASC. "Pero la barrera es obtener un acuerdo de compra de energía de otra empresa que tenga un precio aceptable". ASC perdería dinero en el proyecto si vendiera electricidad a la tasa mayorista típica de 3.5 centavos por kilovatio hora.
Innovación en las obras
Más allá de la política, las técnicas innovadoras están haciendo posible eliminar el metano de fuentes muy diluidas, como el aire ventilado en los pozos de las minas, y usarlo como combustible para los generadores. En una gran mina de carbón en la provincia china de Henan, se usa aire ventilado con concentraciones de metano tan bajas como 0.3 por ciento para calentar el agua de las instalaciones mineras. El sistema conecta el aire ventilado de la mina de carbón a través de cámaras que aumentan su temperatura hasta que las moléculas de metano se descomponen en dióxido de carbono y agua, y se captura el calor de esta reacción.
En Australia, una planta de carbón propiedad de BHP Billiton combina metano con aire ventilado con metano altamente concentrado que se ha drenado en pozos perforados cerca de la mina antes de que comience la minería. Mezclados, el metano de los respiraderos y los desagües puede quemarse como combustible. Este sistema genera calor para producir vapor, que a su vez opera una pequeña planta de energía que produce un promedio de 10 gigavatios por año.
Otros científicos están buscando desarrollar mejores filtros para separar el metano en el aire ventilado de los gases innecesarios como el dióxido de carbono y el nitrógeno. Los científicos de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, por ejemplo, han examinado un material altamente sorbente marcado por poros a nanoescala llamados zeolitas nanoporosas. El grupo ha utilizado modelos de computadora para probar casi 100, 000 estructuras de zeolita diferentes, dice Amitesh Maiti, físico de materiales en el laboratorio Lawrence Livermore.
En este punto, la investigación permanece en etapas tempranas. "El material podría no ser tan puro en la vida real como vemos en estos modelos", dice Maiti. Sin embargo, si se puede desarrollar una zeolita nanoporosa u otro material que capture fácilmente las moléculas de metano, podría reducir drásticamente el costo de generar electricidad a partir del metano residual altamente diluido de las minas de carbón. En el proceso, podría hacer que esta fuente de metano sea demasiado valiosa como combustible para llevar su manto anterior como un desperdicio dañino y molesto para tirar.
