К. Х. Шульц, Смягчение климата и
К. К. Толкингтон, Агентство по охране окружающей среды в США

Исходный URL: Evolution of US Markets for Coal Mine Methane

РЕФЕРАТ

Метан является эффективным газом для улавливания тепла и одним из шести газов, который предусмотрен рамочной конвенцией Организации Объединенных Наций по изменению климата, в которой США являются подписавшейся стороной. Агентство по охране окружающей среды США начало исследовать возможные варианты снижения выбросов метана в 1989 году и определило угольную промышленность как важный мировой источник не только выбросов, но и возможностей их уменьшения. В 1994 году Агентство по охране окружающей среды создало программу, ориентированную на метан в угольных пластах, чтобы помочь американским шахтерам и другим заинтересованным сторонам определить технологии, источники финансирования и рынки для осуществления проектов по утилизации энергии шахтного метана. С тех пор количество случаев предотвращенных выбросов метана в США утроилось.

Данная работа обрисовывает положение проектов, связанных с шахтным метаном в США. Работа подчеркивает ключевые этапы в развитии промышленности, связанной с шахтным метаном. Она также определяет и анализирует причины промышленного прогресса, излагает проблемы, с которыми сталкивается промышленность, и обсуждает ключевые возможности, которые имеются для дальнейшего развития промышленности.

1.0.ОБЗОР/ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ДОБЫВАЮЩЕЙ ШАХТНЫЙ МЕТАН В США

Газоносные угольные пласты США можно найти в четырех географических районах: Аппалачские бассейны восточной части США (от среднего до высокого битуминозного угля и антрацит), Иллинойский бассейн на Среднем Западе (от среднего до высокого жирного угля), бассейн Скалистых Гор в западной части США (бурый уголь, полубитуминозный уголь до среднего/ высокого битуминозного угля), северная часть побережья Мексиканского залива и бассейн Анадарко на юге/юго-западе (бурый уголь, полубитуминозный уголь, средний/высоко битуминозный уголь). Исторически сложилось так, что добыча угля в США была сосредоточена в подземных шахтах Аппалачского бассейна, особенно в северной и центральной частях Аппалачского бассейна. Несмотря на то, что большая часть угледобычи переместилась в Западный бассейн и на огромные площади добычи открытым способом, Аппалачский бассейн все еще остается центром подземной угледобывающей промышленности, который насчитывает 7 из первых 10 добывающих подземных шахт в США. (EIA 2001). Бассейны Иллинойса и Западный бассейн также ведут интенсивную подземную добычу. США имеют значительные залежи метана в угольных пластах. Различные источники оценивают базу залежей метана в угольных пластах между 4 и 11 триллионами кубических метров, ставя США позади Канады, России, Китая и Австралии (Куускра 1992, Каирн Поинт Паблишин 1997, Шульц 1998, Комитет по потенциалам газа 2001). Исходя из выбросов метана угольных пластов, США стоит на втором месте после Китая в качестве наибольшего источника выбросов шахтного метана. В 2001 общее количество метана, выделенного из подземных шахт, составило 133 миллиарда футов³ или 3.8 миллиарда м³ . Как показано на рисунке 1, США добыли 40 миллиардов футов³ или 1.2 миллиарда м³ выделенного метана из подземных угольных пластов, что составляет 2.5% общей добычи метана в США в размере 1.6 миллиардов футов ³ (45 миллиардов м³). (Управление по охране окружающей среды США, 2003а, и Министерство энергетики США, 2002). После определения нетто-позиции извлекаемых и используемых 40 миллиардов футов3, чистые выбросы из подземных шахт составили 93 миллиарда футов3 (2.6 миллиарда м³). В дополнение к подземным шахтам выбросы также происходят на открытых шахтах и в процессах, происходящих после добычи, включая транспортировку, хранение и переработку угля. Добавление этих источников к чистому количеству выбросов из подземных шахт дает общее число выбросов 151 миллиард футов³ (4.3 миллиарда м³) в 2001 году. Смотри рисунок 2. (Управление по охране окружающей среды США, 2003а)

Имея большую базу ресурсов, Правительство США считает добычу метана важной для национальной структуры энергетики и разделила ответственность за содействие утилизации метана угольных пластов между 4 агентствами. Каждое из этих агентств играет четкую, но дополнительную роль в поддержке сбора метана из угольных пластов. Два агентства концентрируются главным образом на экологическом/энергетическом аспектах утилизации метана, в то время как другие два имеют дело с безопасностью шахт. Управлению по охране окружающей среды США поручено предоставить помощь, чтобы определить затраты и экономический эффект утилизации метана угольных пластов и его использования, и содействовать сбору в качестве жизнеспособной в конкретных экономических условиях и экологически приемлемой альтернативы. В Управлении по охране окружающей среды США программа содействия решению проблемы метана в угольных пластах была создана в 1994 году в качестве добровольной программы, чтобы согласовать радиус действия и усилия по технической поддержке. Министерство энергетики США отвечает за поддержку исследований, добычи и демонстрационных проектов, Управление по охране окружающей среды США и Министерство энергетики США типично работают в тесном сотрудничестве при оценке инновационных технологий. Административное руководство здравоохранением и безопасностью шахт (АРЗБШ) Министерства труда США является агентством, имеющим распорядительный орган в отношении добычи полезных ископаемых. Все планы по дегазации и утилизации должны быть одобрены АРЗБШ, а в некоторых случаях правительственными структурами штата. Четвертой организацией является Национальный институт по охране труда и здоровья (работа, связанная с метаном угольных пластов, раньше осуществлялась Горным управлением США), исследовательская организация, ответственная за разработку и оценку технологий по улучшению шахтной вентиляции и дренированию метана. Четыре агентства сохраняют хорошие отношения и работают в тесном сотрудничестве вместе там, где есть необходимость.

2.0. УМЕНЬШЕНИЕ ВЫБРОСОВ ДРЕНИРОВАННОГО ГАЗА В США

Шахты США являются весьма успешными в сборе и утилизации метана угольных пластов при дегазации шахт или в системах дренирования. Как указывается выше, шахты США переработали 40 миллиардов футов³ (1.13 миллиарда м³) из 48 миллиардов футов3 (1.36 миллиарда м³) метана угольных пластов благодаря системе дренирования в 2001 году. Это представляет завоевание рынка на 80%, и является резким увеличением с 1990года, когда данная отрасль собрала 14 миллиардов футов³ (396 миллионов м³) или 27% всех возможных дренированных газов. (Управление по охране окружающей среды США, 2003а). Примечательно, что, по сравнению с другими крупными источниками выбросов антропогенного метана в США, угольная промышленность наблюдает самое большое сокращение выбросов. Используя 1990 год в качестве исходного, выбросы метана угольных пластов уменьшились на 30%, в то время как выбросы метана на мусорных свалках уменьшились на 5%, в системе природного газа на 3%, а сельскохозяйственные источники фактически переживают небольшое увеличение. (АООС, 2002) До недавнего времени около 90% использованного метана из угольных пластов было введено в системы трубопровода природного газа. КОНСОЛ также имеет углесушильную установку, которая утилизирует 500 миллионов футов³ (14 миллионов м³) в год. Недавние не трубопроводные проекты включают проект производства энергии в 88 мВатт на шахтах КОНСОЛ/Бьюкенена, трубонагрев в компании Джим Уолтер Ресорсез и проект производства энергии в 1.2 м Ватт на шахте Пибоди, федеральный номер 2.

Существует несколько причин успеха:

3.0. ПРЕПЯТСТВИЯ НА ПУТИ К ДАЛЬНЕЙШЕМУ СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСОВ МЕТАНА

Пока США достигает впечатляющих результатов в утилизации выбросов дренированного газа, продолжают существовать препятствия на пути дальнейшей утилизации. Вообще ведомственные и регулятивные препятствия в большинстве своем были преодолены. Большинство угледобывающих компаний сейчас принимают дренирование газа и используют его в качестве реальной, рентабельной практики. Сложные задачи сегодня вращаются вокруг рынка и в некоторой степени законных препятствий. По большей части, сохраняющийся объем дренированного газа, около 8 миллиардов футов³ (226 миллионов м³), в большинстве случаев трудно поставить на рынок. Во многих случаях, особенно на Западе, расстояние от трубопровода природного газа может сделать проект невыгодным. Существуют также ограничения по мощности трубопровода, которые ограничивают доступ на рынок, даже если трубопровод является доступным. Существует другое мнение, которое рассматривается и оценивается часто, это производство энергии, но мало проектов было осуществлено из-за низкой цены на энергию в США. В большинстве случаев говорят о том, что $0.03 до $0.05 за киловатт-час оценивается как точка критического объема производства для проектов генерирования энергии из метана в США, но во многих регионах действительные цены на энергию не выше $0.02 за киловатт-час. Однако, как обсуждается далее в этой работе, заинтересованность в производстве энергии растет, так как условия рынка делают его жизнеспособной альтернативой в некоторых областях.

Так как добыча метана в США увеличилась, право собственности тоже стало постоянным спорным вопросом. Когда газ утилизируется и используется, производя доход, требования отчислений заполняются владельцами газа. Суды в США установили правовые нормы, как для угольных, так и для газовых арендаторов. Чтобы решить проблемы, окружающие право собственности, многие штаты, в которых ведется добыча, продвинулись вперед в отношении законодательства, чтобы прояснить спорный вопрос на основе штат за штат. Разработчики метана также берут инициативу, чтобы продвинуться вперед и избежать возможных конфликтов, покупая права собственности на природный газ вдобавок к правам на уголь.

АООС будет продолжать способствовать утилизации остающегося дренированного газа, и будущее выглядит многообещающим. Вдобавок к 8 миллиардам футов³ (226 миллионов м³) уже доступного дренированного газа, несколько новых шахт и некоторые существующие шахты планируют или внесли программы дренирования в свои планы. Анализ АООС определил 4 действующие шахты в восточной части США и 9 действующих и запланированных шахт в западной части, которые будут отличными кандидатами для проектов, связанных с метаном. Ожидается, что шахты будут добывать 60 миллионов футов³ в день (620 миллионов м³ в год) газовыделений из системы вентиляции. Другие благоприятные разработки включают:

4.0. МЕТАН ИЗ ЗАБРОШЕННЫХ ШАХТ

Заброшенные шахты являются другим источником метана среднего и высокого качества. В США, как в Западной Европе и Японии, угольная промышленность прошла значительную реструктуризацию за последние 30 лет, результатом чего стало закрытие тысяч шахт. Многие из этих заброшенных шахт считались газоносными, когда были действующими, и продолжают выпускать метан после закрытия.

Оценка выбросов метана угольными шахтами, включенная в ежегодный реестр США «Выбросы парникового газа и стоки» (АООС, 2003а) не включает выбросы из заброшенных шахт (метан заброшенных шахт или МЗШ). Межправительственная комиссия по вопросам изменения климата (МКИЗ) не утвердила, не приняла и не поддержала методологию для выбросов заброшенных подземных шахт. Однако АООС признает, что заброшенные шахты вносят свою лепту в выбросы парникового газа; АООС и компания «Ресурсы горного кряжа Равен» потратили несколько лет на разработку методологии, чтобы оценить выбросы из заброшенных подземных шахт США. Результаты показывают, что выбросы заброшенных шахт США, хотя и не большая доля общего выброса шахтного метана, превышает общие выбросы на 5-10% (АООС, 2003б). Смотри рисунок 3.

Сейчас существует 20 проектов по заброшенным шахтам в США, извлекающих газ из 30 закрытых шахт. Эти проекты колеблются от производства энергии, используя двигатели внутреннего сгорания, до смешивания и улучшения качества газа для впрыскивания в трубопроводы природного газа. Есть также и проект факельного выброса на заброшенной шахте, и экспериментальный топливный бак, который будет утилизировать МЗШ, сейчас используется.

Ожидается, что использование МЗШ будет продолжать расти, так как многие газоносные шахты закрылись в недавнее время. Добытый из пустоты по существу показывает разработчику предварительно просверленную буровую скважину, и многие заброшенные шахты также находятся рядом с конечным рынком. Вдобавок, несмотря на то, что развитие проекта, связанного с МЗШ представляет много сложных проблем, некоторые разработчики предпочитают заброшенные шахты, потому что им не нужно совмещать их программы с угледобычей.

5.0. МЕТАН, ПОЛУЧЕННЫЙ ПРИ ВЕНТИЛЯЦИИ ВОЗДУХА, – БУДУЩИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНА В США

Чтобы безопасно добывать уголь, газоносные подземные шахты должны прокачивать огромные количества воздуха, чтобы разбавлять концентрации метана и других веществ. Обычно шахтам необходимо сохранять концентрацию метана на рабочих участках ниже 1%. На сегодняшний день подавляющее количество такого метана, полученного в результате вентиляции воздуха (МВВ), выпускается в атмосферу, и выбросы, появляющиеся из вентиляционных стволов, представляют единственный самый большой источник выбросов угольных шахт. АООС подсчитало, что в 2000 году мировые выбросы МВВ превысили 600 миллиардов футов³ (17 миллиардов м³), эквивалент 237 миллионов тонн эквивалента углекислого газа. (АООС США, 2003с). Выбросы МВВ США в 2001 году равнялись 86 миллиардам футов³ (2.4 миллиардам м³) или 35 миллионам тонн эквивалента углекислого газа. (АООС США, 2003а)

До недавнего времени, из-за очень низкой концентрации метана в воздухе вентилирования, шахтеры не имели технических проверенных способов утилизации этого газа в отношении его энергетической ценности. Однако за последнее десятилетие технологии были разработаны и приспособлены, которые обещают сократить большую часть этих выбросов по низкой себестоимости. Сейчас АООС и другие организации и поставщики технологий работают, чтобы продемонстрировать и превратить в источник прибыли эти технологии.

АООС разработало графики предельных затрат на снижение уровня загрязнения окружающей среды, чтобы оценить стоимость технологий МВВ. Поскольку многое известно о технологии окисления, затраты на реакторы обращения потоков были использованы в расчетах. Как показывает рисунок 4, по цене $3.00 за тонну СО2 или около $0.12 за киловатт-час, приблизительно 25 миллионов тонн СО2 может быть окислено в США. Переводя эти затраты на объемы рынка, по цене $3.00 за тонну СО2 , можно было бы выработать почти 460 м Ватт чистой энергетической мощности, и ежегодный доход мог превысить $120 миллионов. В дальнейшем доход, полученный для удовлетворения потребностей рынка в оборудовании, значительно мог бы увеличить всеобщие экономические преимущества. (АООС, 2003с).

Как сказано выше, стратегическое направление сейчас фокусируется на сокращении вентиляционных выбросов. Программа прилагала, и будет продолжать прилагать значительные усилия, чтобы найти экономические решения для сокращения этого источника метана.

6.0. ВЫВОД

США лидируют в мире в сборе шахтного метана и утилизации на действующих шахтах. В 2000 году 80% всего дренированного газа было использовано, в основном введено в системы распределения природного газа. Выгоды для окружающей среды и дополнительные преимущества, полученные из утилизации метана, многочисленны, и они доказывают, что они являются выгодными для компаний США, действующих на рынке. Пока проникновение на рынок дренированного газа является очень хорошим, все еще остается много возможностей для дополнительных проектов, связанных с метаном. Вдобавок к 8 миллиардам футов3 (227 миллионам м3) доступного дренированного газа, установка систем дегазации на существующих шахтах и некоторых новых шахтах, вероятно, увеличит объем газа, имеющегося в наличии. Улучшения технологий бурения в будущем увеличит доступные сейчас объемы дренированного газа. Заброшенные шахты представляют собой новые и увеличивающиеся запасы шахтного метана. Несмотря на то, что США отстает от Великобритании и Германии в использовании этих запасов, количество проектов, связанных с метаном на заброшенных шахтах продолжает расти, как и объемы утилизации. С приходом технологий, которые могут использовать низкую концентрацию метана, многие из правительства США будут ориентироваться на поддержку развития проектов, связанных с МВВ.