In einem Colorado-Tal, in dem Bergleute seit mehr als einem Jahrhundert Kohle ernten, entweicht ein zweiter Brennstoff - Methan - aus den dicken schwarzen Nähten der Elk Creek-Mine. Ein System von Bohrlöchern und Rohren um die Mine leitet methanreiches Gas zu einem modifizierten Lkw-Motor. Mit drei Ein-Megawatt-Generatoren wandelt der Motor dieses Methan in Strom für das lokale Stromnetz um.
Elk Creek ist das erste Methan-Energie-Projekt in einer Kohlenmine westlich des Mississippi und das landesweit größte seiner Art. Aber Kohlebergwerke wie Elk Creek verursachen etwa 10 Prozent der Methanemissionen im Inland und 6 Prozent der Methanemissionen weltweit und setzen Methan auch noch lange nach Beendigung des Bergbaus frei. Das Gas sickert auch aus Sümpfen, Industriekaminen, Mülldeponien, Rinderfarmen und Erdgasbetrieben.
Tatsächlich gelangt jedes Jahr so viel Methan in die Erdatmosphäre, dass es weltweit nach Kohlendioxid den zweitgrößten Beitrag zum Klimawandel leistet. Methan löst sich schneller auf als Kohlenstoff, ist jedoch über einen Zeitraum von 100 Jahren mehr als 20-mal so stark wie CO2.
Durch die Verbrennung von Methan kann Energie oder nützliche Wärme erzeugt und gleichzeitig die Auswirkungen auf das Klima gemindert werden. Dadurch wird das Gas im Wesentlichen auf eine schwächere Mischung aus Wasser und Kohlendioxid reduziert. In Elk Creek werden bei einer Verbrennung von etwas mehr als 670.000 Kubikfuß Methan pro Tag - etwa 16 Prozent der gesamten Methanemissionen der Mine - voraussichtlich 24 Gigawattstunden pro Jahr erzeugt. Das reicht aus, um rund 2.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.
Indem verhindert wird, dass Methan in die Atmosphäre gelangt, werden durch das Projekt in den nächsten 15 Jahren Emissionen von umgerechnet mehr als 96.500 Tonnen CO2 pro Jahr vermieden, so Schätzungen seines Hauptfinanzierers Aspen Skiing Company. Das sind etwa 10 Tage Kohlenstoffemissionen eines typischen Kohlekraftwerks - nicht genug, um die globalen Treibhausgasemissionen spürbar zu senken, aber ein wichtiger Schritt, um Methan von einem problematischen Abfall in einen wertvollen Brennstoff umzuwandeln.
Eine Kombination aus politischen Änderungen, kreativen neuen Partnerschaften und technologischen Innovationen bedeutet jetzt, dass Elk Creek eine viel größere Welle ähnlicher Projekte anführen könnte, bei denen Methan aus Kohlebergwerken gewonnen wird.
Die Herausforderung
In der Vergangenheit hatten die Besitzer von Minen wie Elk Creek in den USA wenig Anreiz, Methan zu nutzen. Das Gas verkauft sich heutzutage zu so niedrigen Preisen im Vergleich zu anderen Brennstoffen, dass es viele Jahre dauern würde, um die Kosten für die Installation der für die Ernte erforderlichen Systeme wieder hereinzuholen. Infolgedessen lassen Minenbesitzer das Gas einfach in die Erdatmosphäre gelangen.
Und bis vor kurzem beschränkte sich die Technologie der Minenbetreiber darauf, Energie nur aus Kohlengrubenemissionen mit relativ hohen Methankonzentrationen zu gewinnen. Bei Konzentrationen über 80 Prozent kann Methan in Erdgasleitungen injiziert oder in verflüssigtes Erdgas für Fahrzeuge umgewandelt werden. Bei Konzentrationen um 20 bis 40 Prozent kann das Gas die Stromerzeugung wie bei Elk Creek oder Industriekessel, die Dampf oder heißes Wasser erzeugen, befeuern. Einem Bericht der Vereinten Nationen zufolge wird das meiste Methan mittlerer und hoher Qualität zur Stromerzeugung oder zur Erzeugung einer Kombination aus Strom und Nutzwärme verwendet. Dieses Methan wird in der Regel in Bohrlöchern gesammelt, die rund um das Gelände gebohrt wurden, bevor der eigentliche Abbau beginnt.
Ein Großteil des Methans, das aus den Kohlengrubenschächten stammt, ist jedoch in geringen Konzentrationen zusammen mit Stickstoff, Sauerstoff und anderen Verunreinigungen gemischt. Dies liegt daran, dass die Bediener in der Regel Lüftungssysteme verwenden, um aus Gründen der Arbeitssicherheit in Bergwerksschächte austretendes Methan mit Frischluft zu verdünnen: Methan ist in einer Luftkonzentration von 5 bis 15 Prozent explosionsgefährlich und für eine gesunde Atmung sind Konzentrationen unter 1 Prozent erforderlich.
Sobald Methan mit anderen Gasen in Lüftungssystemen gemischt wird, wird es schwierig, es als Kraftstoff zu verwenden, da das Gemisch nicht verbrennt und Methan nur schwer herauszufiltern ist.
Zum Teil aufgrund dieser Herausforderungen wird mit Methan belüftete Luft in der Regel an die Atmosphäre abgegeben, wie dies auch bei Elk Creek der Fall ist. Nur etwa 20 der mehr als 500 aktiv Bundesweit haben unterirdische Kohlengruben jede Art von Anlage installiert, mit der Methan aufgefangen oder in Elektrizität umgewandelt werden kann. Und von diesen 20 Minen nehmen die meisten einfach Methan, das in Entwässerungslöchern gesammelt wurde, und injizieren es in nahe gelegene Erdgasleitungen, die von Privathaushalten und Unternehmen verwendet werden.
Partner für einen neuen Ansatz
In westlichen Bundesstaaten wie Colorado befinden sich Kohleminen oft weit entfernt von Erdgaspipelines. Daher ist ein anderer Ansatz erforderlich, um auch hochwertiges Methan von diesen Standorten aus nutzen zu können. Elk Creek ist unter US-Kohlebergwerken insofern ungewöhnlich, als es Methan verbrennt, um vor Ort Strom zu erzeugen und diesen in das lokale Stromnetz einzuspeisen.
Ähnliche Methan-Energie-Technologien werden seit Jahrzehnten in Bergwerken in Europa, Australien, China und anderen Ländern eingesetzt. Diese Projekte profitierten jedoch von Steueranreizen und anderen Formen der öffentlichen Unterstützung sowie von teureren Erdgas- und Stromkosten, wodurch sie Methan zu höheren Preisen wettbewerbsfähig verkaufen konnten. Elk Creek bietet ein Modell für die Nutzung dieser Abfälle durch private Partnerschaften an einem Ort und zu einer Zeit, an dem Strom aus Erdgas relativ billig ist.
Tom Vessels, Präsident von Denver, dem in Colorado ansässigen Energieentwickler Vessels Coal and Gas, suchte seit 2005 nach Partnern und Geldgebern für ein Kohlebergwerk-Methan-Energie-Projekt, nachdem er eine Reihe von Minen mit dieser Technologie in Deutschland besichtigt hatte. Laut Vessels waren die meisten US-Unternehmen, mit denen er Kontakt aufnahm, mit der Technologie nicht vertraut und zögerten daher, in sie zu investieren. Es sei zwar nicht in den USA geschehen, sagt er. "Aber wir prüfen das jetzt."
Im Jahr 2012 erhielt Vessels von Aspen Skiing Company, einem High-End-Resort-Unternehmen, eine Finanzierung in Höhe von 5, 4 Mio. USD, die darauf abzielte, sauberere Energie zu erzeugen und die mit dem eigenen Stromverbrauch verbundenen Emissionen auszugleichen. Holy Cross Energy, eine ländliche Stromgenossenschaft, hat sich verpflichtet, im Austausch für einen 15-Jahres-Vertrag und eine neue, sauberere Stromquelle etwas über den Marktpreisen für Strom aus dem Projekt zu zahlen.
Schließlich erklärte sich Elk-Creek-Eigentümer Oxbow Mining unter der Führung des Energiemagnaten William Koch bereit, Vessels die Installation von Geräten in seiner Mine zu überlassen, um einen geringen jährlichen Stromabsatz zu erzielen. Der größte Teil der Einnahmen aus Holy Cross - etwa 650.000 US-Dollar pro Jahr oder etwa 12 Prozent der ursprünglichen ASC-Investition - geht an das Resortunternehmen.
Politik am Horizont
Das Projekt hat im vergangenen Jahr damit begonnen, Strom in das Stromnetz einzuspeisen, um es im gesamten westlichen Colorado zu verteilen. Einige Monate später verabschiedete Colorado ein neues Gesetz, das große ländliche Elektrizitätsgenossenschaften und die Versorgungsunternehmen, die sie versorgen, dazu verpflichtet, bis 2020 20 Prozent ihrer Energie aus erneuerbaren Quellen zu beziehen.
Das Gesetz erkennt Methan neben ständig nachgefüllten Ressourcen wie Wind und Sonne als erneuerbare Ressource an, eine Politik, die von einigen Umweltgruppen und Befürwortern von grüner Energie entschieden abgelehnt wird. Jeremy Nichols, Leiter der Klima- und Energieprogramme der gemeinnützigen Umweltschutzgruppe WildEarth Guardians, sagt, die Einstufung von Methan sei "nicht das Ziel eines Standards für erneuerbare Energien". Die Nutzung von Methan als Energieträger übertreffe jedoch den Status Quo der Abgabe an die Atmosphäre. "Am Ende des Tages", sagt er, "macht es das Beste aus einer schlechten Sache." Und im Laufe der Zeit könnten Experten behaupten, die Einführung von Methan im Rahmen des neuen Mandats könne die Nachfrage der Energieversorger in Colorado nach Strom aus Projekten wie Elk Creek erhöhen.
Veränderungen sind auch auf Bundesebene im Gange. Präsident Obama hat die Bundesbehörden angewiesen, "eine umfassende Methanstrategie zu entwickeln", und die Environmental Protection Agency hat rund 50 US-Kohlebergwerke ermittelt, die vielversprechend sind, Methanabfälle zu fangen und zu verbrennen oder in Elektrizität umzuwandeln.
Befürworter von Methanenergie sind zuversichtlich, dass eine bevorstehende Abstimmung in Kalifornien letztendlich die Rentabilität der Technologie von Küste zu Küste erhöhen wird. Die Luftregulierungsbehörden des Staates sollen demnächst über einen Vorschlag abstimmen, mit dem Projekte zur Methanreduzierung im Rahmen seines Emissionsobergrenzen- und Handelsprogramms belohnt werden sollen, das dem Staat helfen soll, seine Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2020 auf das Niveau von 1990 zu senken Das Protokoll würde es Betreibern von Kohlebergwerken und Methanemittenten im ganzen Land ermöglichen, Gutschriften für die Reduzierung ihrer Emissionen zu erhalten. Kalifornische Umweltverschmutzer, die damit rechnen, die Emissionshöchstmenge des Staates zu überschreiten, könnten diese Gutschriften dann erwerben, um ihre Überschreitung zu beseitigen.
"Sie brauchen einen sehr guten Preis für Kohlenstoff, um [Methanminderung] rentabel zu machen", sagt Clark Talkington, Senior Consultant bei Advanced Resources International, der Projekte zur Energie- und Kohlenstoffbindung entwickelt. "Ich weiß, dass es am Rande mehrere Projekte gibt. Wenn Kalifornien also erfolgreich ist, werden diese definitiv vorangetrieben."
In Elk Creek beispielsweise werden 84 Prozent des aus der Mine gewonnenen Methans - genug, um Strom im Wert von 1 Million US-Dollar zu erzeugen - einfach verbrannt, weil Holy Cross das Budget fehlt und der Wunsch besteht, mehr Energie aus dem Projekt zu kaufen, und dies bei keinem anderen Kunden der Fall war gefunden. "Wir haben definitiv ein anderes Projekt im Blick", sagt ASC-Schendler. "Aber die Barriere besteht darin, dass ein Stromabnahmevertrag von einem anderen Energieversorger zu einem akzeptablen Preis abgeschlossen wird." ASC würde Geld für das Projekt verlieren, wenn es Strom zum üblichen Großhandelspreis von 3, 5 Cent pro Kilowattstunde verkaufte.
Innovation in the Works
Über die Politik hinaus ermöglichen es innovative Techniken, Methan aus sehr verdünnten Quellen, wie der belüfteten Luft in Bergwerksschächten, zu entfernen und als Brennstoff für Generatoren zu verwenden. In einer großen Kohlemine in der chinesischen Provinz Henan wird belüftete Luft mit Methankonzentrationen von nur 0, 3 Prozent zum Erhitzen von Wasser für Minenanlagen verwendet. Das System führt die belüftete Kohlengrubenluft durch Kammern, die ihre Temperatur erhöhen, bis Methanmoleküle in Kohlendioxid und Wasser zerfallen und die Wärme aus dieser Reaktion abgefangen wird.
In Australien kombiniert ein Kohlekraftwerk von BHP Billiton belüftetes Luftmethan mit hochkonzentriertem Methan, das vor Beginn des Abbaus in Bohrlöcher in der Nähe der Mine abgelassen wurde. Zusammengemischt kann Methan aus den Entlüftungsöffnungen und den Abflüssen als Brennstoff verbrannt werden. Dieses System erzeugt Wärme zur Erzeugung von Dampf, der wiederum ein kleines Kraftwerk mit einer durchschnittlichen Leistung von 10 Gigawattstunden pro Jahr betreibt.
Andere Wissenschaftler suchen nach besseren Filtern, um das Methan in der belüfteten Luft von nicht benötigten Gasen wie Kohlendioxid und Stickstoff zu trennen. Wissenschaftler der University of California in Berkeley und des Lawrence Livermore National Laboratory haben beispielsweise ein hochsorbierendes Material untersucht, das durch nanoskalige Poren gekennzeichnet ist, die als nanoporöse Zeolithe bezeichnet werden. Die Gruppe hat Computermodelle verwendet, um fast 100.000 verschiedene Zeolithstrukturen zu testen, sagt Amitesh Maiti, ein Materialphysiker im Lawrence Livermore-Labor.
Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Forschung noch in einem frühen Stadium. "Das Material ist im wirklichen Leben möglicherweise nicht so rein wie in diesen Modellen", sagt Maiti. Wenn jedoch ein nanoporöser Zeolith oder ein anderes Material entwickelt werden kann, das Methanmoleküle leicht einfängt, könnten die Kosten für die Stromerzeugung aus dem stark verdünnten Methanabfall von Kohlebergwerken drastisch gesenkt werden. Dabei könnte es diese Methanquelle als Brennstoff zu wertvoll machen, um ihren vorherigen Mantel als schädlichen, lästigen Abfall weiterzuführen und wegzuwerfen.
