Dans une vallée du Colorado, où les mineurs exploitent le charbon depuis plus d'un siècle, un deuxième combustible, le méthane, s'échappe des épais fonds noirs de la mine Elk Creek. Un système de trous de forage et de tuyaux autour de la mine achemine du gaz riche en méthane vers un moteur de camion modifié. À l'aide de trois générateurs d'un mégawatt, le moteur convertit ce méthane en électricité pour le réseau électrique local.
Elk Creek est le premier projet de transformation de méthane en énergie dans une mine de charbon à l'ouest du Mississippi et le plus important du genre au pays. Mais les mines de charbon comme Elk Creek sont responsables de 10% environ des émissions de méthane au niveau national et de 6% des émissions de méthane dans le monde. Elles continuent de rejeter du méthane longtemps après la fin des opérations minières. Le gaz s'écoule également des marécages, des conduits de fumée industriels, des décharges, des fermes d'élevage de bétail et des exploitations de gaz naturel.
En fait, chaque année, le méthane est tellement présent dans l'atmosphère de la Terre qu'il est le deuxième contributeur au changement climatique après le dioxyde de carbone. Le méthane se dissipe plus rapidement que le carbone, mais sa force en tant que gaz à effet de serre sur une période de 100 ans est plus de 20 fois supérieure à celle du CO2.
La combustion de méthane peut générer de l'énergie ou de la chaleur utile tout en réduisant son impact sur le climat - en réduisant essentiellement le gaz à une infusion plus faible d'eau et de dioxyde de carbone. À Elk Creek, la combustion d'un peu plus de 670 000 pieds cubes de méthane par jour, soit environ 16% des émissions totales de méthane de la mine, dans un moteur à combustion interne devrait générer 24 gigawattheures par an. C'est assez d'électricité pour alimenter environ 2 000 foyers.
En empêchant le méthane de pénétrer dans l'atmosphère, le projet permettra d'éviter des émissions équivalentes à plus de 96 500 tonnes de CO2 par an au cours des 15 prochaines années, selon les estimations de son principal bailleur de fonds, Aspen Skiing Company. Cela équivaut à environ 10 jours d'émissions de carbone d'une centrale électrique au charbon typique - pas assez pour réduire de façon significative les émissions mondiales de gaz à effet de serre, mais une étape importante pour transformer le méthane d'un déchet problématique en un combustible précieux.
Une combinaison de changements de politiques, de nouveaux partenariats créatifs et d'innovations technologiques signifie désormais qu'Elk Creek pourrait mener une vague beaucoup plus vaste de projets similaires d'exploitation du méthane dans les mines de charbon.
Le défi
Historiquement, les propriétaires de mines comme Elk Creek aux États-Unis n’ont guère été incités à utiliser le méthane. Le gaz se vend à des prix aussi bas de nos jours par rapport aux autres carburants qu'il faudrait plusieurs années pour récupérer le coût d'installation des systèmes nécessaires à sa récolte. En conséquence, les propriétaires de mines permettent simplement au gaz de pénétrer dans l'atmosphère terrestre.
Et jusqu'à récemment, la technologie limitait les exploitants miniers à exploiter l'énergie provenant uniquement des émissions des mines de charbon contenant des concentrations relativement élevées de méthane. À des concentrations supérieures à 80%, le méthane peut être injecté dans des gazoducs ou converti en gaz naturel liquéfié pour véhicules. À des concentrations voisines de 20 à 40%, le gaz peut alimenter la production d'électricité comme à Elk Creek ou des chaudières industrielles générant de la vapeur ou de l'eau chaude. Selon un rapport des Nations Unies, la majeure partie du méthane de qualité moyenne et élevée est utilisée pour générer de l'électricité ou une combinaison d'énergie et de chaleur utile. Ce méthane est généralement collecté dans des puits forés autour du site avant le début de l’exploitation.
Cependant, une grande partie du méthane sortant des puits de charbon est en faibles concentrations, mélangée à de l'azote, de l'oxygène et d'autres contaminants. En effet, les opérateurs utilisent généralement des systèmes de ventilation pour diluer à l'air frais le méthane déversé dans les puits de mine: pour une sécurité de 5 à 15%, le méthane est explosif et des concentrations inférieures à 1% sont nécessaires pour une respiration saine.
Une fois que le méthane est mélangé avec d'autres gaz dans les systèmes de ventilation, il devient difficile de l'utiliser comme carburant, car le mélange ne brûle pas et le méthane est difficile à filtrer.
En partie à cause de ces difficultés, de l’air ventilé contenant du méthane est généralement rejeté dans l’atmosphère, comme à Elk Creek. Seulement environ 20 des plus de 500 actifs Les mines de charbon souterraines du pays ont installé tout type de système permettant de capturer le méthane ou de le convertir en électricité. Et parmi ces 20 mines, la plupart prélèvent simplement du méthane recueilli dans des trous de drainage et l'injectent dans des gazoducs situés à proximité pour être utilisées par les particuliers et les entreprises.
Partenaires pour une nouvelle approche
Dans les États occidentaux comme le Colorado, les mines de charbon sont souvent situées loin des gazoducs. Par conséquent, l'exploitation du méthane, même de haute qualité, sur ces sites nécessite une approche différente. Elk Creek est inhabituel parmi les mines de charbon américaines en ce qu'il brûle du méthane pour générer de l'électricité sur site et l'envoie au réseau électrique local.
Une technologie similaire permettant de transformer le méthane en énergie est installée dans des mines d'Europe, d'Australie, de Chine et d'autres pays depuis des décennies. Mais ces projets ont bénéficié d'incitations fiscales et d'autres formes de soutien public, ainsi que de gaz naturel et d'électricité plus coûteux - ce qui leur permet de vendre le méthane à des prix plus compétitifs. Elk Creek offre un modèle pour exploiter ces déchets par le biais de partenariats privés dans un lieu et une époque où l’électricité produite à partir de gaz naturel est relativement bon marché.
Tom Vessels, président de Vessels Coal and Gas, un développeur d'énergie basé à Denver, dans le Colorado, a commencé à rechercher des partenaires et des financiers pour un projet méthane-énergie de mine de charbon en 2005, après avoir visité plusieurs mines utilisant cette technologie en Allemagne. Selon Vessels, la plupart des entreprises américaines qu’il a contactées n’étaient pas familiarisées avec cette technologie et étaient donc réticentes à investir. Certes, cela n’a pas été fait aux États-Unis, dit-il. "Mais nous vérifions cette case maintenant."
En 2012, Vessels a obtenu un financement de 5, 4 millions de dollars d'Aspen Skiing Company, une société de villégiature haut de gamme qui vise à générer une énergie plus propre et à contrebalancer les émissions associées à sa propre consommation d'électricité. Holy Cross Energy, une coopérative d'électricité rurale, s'est engagée à payer l'électricité du projet à un prix légèrement supérieur à celui du marché, en échange d'un contrat de 15 ans et d'une nouvelle source d'électricité plus propre.
Enfin, Oxbow Mining, propriétaire d’Elk Creek, dirigé par le magnat de l’énergie William Koch, a accepté de laisser Vessels installer l’équipement de sa mine en échange d’une petite réduction de ses ventes annuelles d’électricité. La majeure partie des revenus de Holy Cross - environ 650 000 $ par an, soit environ 12% de l'investissement initial de NCP - ira à la société de villégiature.
Politiques à l'horizon
Le projet a commencé à alimenter en électricité le réseau électrique l'année dernière pour une distribution dans l'ouest du Colorado. Quelques mois plus tard, le Colorado a adopté une nouvelle loi obligeant les grandes coopératives d'électricité rurales et les services publics qui les desservent à utiliser 20% de leur énergie à partir de sources renouvelables d'ici 2020, soit le double de l'exigence fixée en 2004.
La loi reconnaît le méthane aux côtés de ressources continuellement réapprovisionnées, telles que l’énergie éolienne et solaire, en tant que ressource renouvelable, une politique fermement opposée par certains groupes environnementaux et défenseurs de l’énergie verte. Jeremy Nichols, directeur des programmes climat et énergie du groupe de défense de l'environnement sans but lucratif WildEarth Guardians, a déclaré que la classification du méthane "n'est pas la finalité d'une norme sur les énergies renouvelables". Mais utiliser le méthane pour produire de l’énergie, dit-il, bat le statu quo de le rejeter dans l’atmosphère. «En fin de journée, dit-il, c'est tirer le meilleur parti d'une mauvaise chose.» Et avec le temps, les experts affirment que l'introduction de méthane dans le nouveau mandat pourrait accroître la demande d'électricité des entreprises du Colorado pour des projets tels qu'Elk Creek.
Le changement se prépare également au niveau fédéral. Le président Obama a demandé aux agences fédérales de "développer une stratégie globale pour le méthane" et l'Environmental Protection Agency a identifié une cinquantaine de mines de charbon américaines prometteuses pour capturer le méthane, le brûler ou le convertir en électricité.
Les partisans de l’énergie au méthane espèrent qu’un vote prochain en Californie rendra la technologie plus rentable d’un océan à l’autre. Les régulateurs aériens de l'État devraient voter prochainement sur une proposition visant à récompenser les projets de réduction du méthane dans le cadre de son programme de plafonnement et d'échange, qui est conçu pour aider l'État à réduire ses émissions de gaz à effet de serre au niveau de 1990 d'ici 2020. Si approuvé, le Ce protocole permettrait aux exploitants de mines de charbon et aux émetteurs de méthane à l'échelle nationale d'obtenir des crédits pour réduire leurs émissions. Les pollueurs californiens s'attendant à dépasser l'allocation d'émission maximale fixée par l'État pourraient alors acheter ces crédits afin d'éliminer leur excédent.
"Il faut un très bon prix sur le carbone pour rendre [l'atténuation du méthane] viable", a déclaré Clark Talkington, consultant senior chez Advanced Resources International, qui développe des projets de séquestration d'énergie et de carbone. "Je sais qu'il y a plusieurs projets en suspens, donc si la Californie réussissait, cela les ferait avancer."
À Elk Creek, par exemple, 84% du méthane capturé dans la mine - suffisamment pour générer 1 million de dollars d’électricité - est simplement brûlé car Holy Cross manque de budget et ne souhaite pas acheter davantage d’énergie du projet, et aucun autre client n’a été informé. a trouvé. "Nous avons définitivement un autre projet en tête", déclare Schendler de ASC. "Mais l'obstacle consiste à obtenir un contrat d'achat d'électricité d'un autre service public à un prix acceptable." ASC perdrait de l’argent sur le projet si elle vendait de l’électricité au taux de gros habituel de 3, 5 cents le kilowattheure.
L'innovation dans les travaux
Au-delà de la politique, des techniques innovantes permettent d'extraire le méthane de sources très diluées, telles que l'air ventilé dans les puits de mines, et de l'utiliser comme carburant pour les générateurs. Dans une grande mine de charbon de la province chinoise du Henan, de l'air ventilé avec une concentration de méthane aussi faible que 0, 3% est utilisé pour chauffer de l'eau pour les installations minières. Le système passe en boucle l'air de mine de charbon ventilé dans des chambres qui augmentent sa température jusqu'à ce que les molécules de méthane se décomposent en dioxyde de carbone et en eau, et que la chaleur produite par cette réaction soit capturée.
En Australie, une centrale au charbon appartenant à BHP Billiton associe du méthane à air ventilé à du méthane hautement concentré qui a été drainé dans des trous de forage forés à proximité de la mine avant le début de l’exploitation minière. Mélangés ensemble, le méthane des évents et des drains peut être brûlé comme combustible. Ce système génère de la chaleur pour produire de la vapeur, qui exploite à son tour une petite centrale produisant en moyenne 10 gigawattheures par an.
D'autres scientifiques cherchent à mettre au point de meilleurs filtres pour séparer le méthane contenu dans l'air ventilé des gaz inutiles tels que le dioxyde de carbone et l'azote. Des scientifiques de l'Université de Californie, de Berkeley et du laboratoire national Lawrence Livermore, par exemple, ont étudié un matériau hautement absorbant marqué par des pores à l'échelle nanométrique appelés zéolites nanoporeuses. Le groupe a utilisé des modèles informatiques pour tester près de 100 000 structures de zéolites différentes, explique Amitesh Maiti, physicienne des matériaux au laboratoire Lawrence Livermore.
À ce stade, la recherche en est à ses débuts. "Le matériau pourrait ne pas être aussi pur dans la vie réelle que ce que nous voyons dans ces modèles", explique Maiti. Cependant, si une zéolite nanoporeuse ou un autre matériau capable de capturer facilement les molécules de méthane pouvait être développé, cela pourrait réduire considérablement le coût de production d'électricité à partir du méthane hautement dilué des mines de charbon. Cela pourrait rendre cette source de méthane trop précieuse en tant que carburant pour poursuivre son ancien manteau en tant que déchet nuisible et nuisible à jeter.
