El metano de lecho de carbón ( CBM o metano de lecho de carbón ), [1] gas de lecho de carbón o gas de veta de carbón ( CSG [1] ) es una forma de gas natural extraído de lechos de carbón . [2] En las últimas décadas se ha convertido en una fuente importante de energía en Estados Unidos, Canadá, Australia y otros países.
El término se refiere al metano absorbido en la matriz sólida del carbón. Se le llama "gas dulce" debido a su falta de sulfuro de hidrógeno . La presencia de este gas es bien conocida por su aparición en la minería subterránea de carbón, donde presenta un grave riesgo de seguridad . El metano de los yacimientos de carbón se diferencia de un yacimiento de arenisca u otro depósito de gas convencional, ya que el metano se almacena dentro del carbón mediante un proceso llamado adsorción . El metano está en un estado casi líquido, recubriendo el interior de los poros dentro del carbón (llamados matriz). Las fracturas abiertas en el carbón (llamadas grietas) también pueden contener gas libre o pueden estar saturadas con agua. [ cita requerida ]
A diferencia de gran parte del gas natural de los yacimientos convencionales, el metano de los yacimientos de carbón contiene muy pocos hidrocarburos más pesados, como el propano o el butano , y ningún condensado de gas natural . A menudo contiene hasta un pequeño porcentaje de dióxido de carbono . El metano de los yacimientos de carbón se forma generalmente debido a la maduración térmica del kerógeno y la materia orgánica, en contraste con las vetas de carbón con recarga regular de agua subterránea donde el metano es generado típicamente por comunidades microbianas que viven in situ . [3] [4]
El metano de los yacimientos de carbón se originó a partir del metano que se liberaba de las vetas de carbón. Hace tiempo que se sabe que algunas vetas de carbón son "gasíferas" y, como medida de seguridad, se perforaron pozos en las vetas desde la superficie y se permitió que el metano se liberara antes de la extracción.
El metano de carbón como recurso de gas natural recibió un gran impulso por parte del gobierno federal de los Estados Unidos a fines de la década de 1970. Los controles federales de precios desalentaban la perforación de pozos de gas natural al mantener los precios del gas natural por debajo de los niveles del mercado; al mismo tiempo, el gobierno quería fomentar una mayor producción de gas. El Departamento de Energía de los Estados Unidos financió la investigación de varias fuentes de gas no convencionales, incluido el metano de carbón. El metano de carbón quedó exento de los controles federales de precios y también recibió un crédito fiscal federal.
En Australia, la extracción comercial de gas de veta de carbón comenzó en 1996 en la cuenca Bowen de Queensland . [5]
El gas que se encuentra en el metano de los yacimientos de carbón es principalmente metano y cantidades mínimas de etano , nitrógeno , dióxido de carbono y algunos otros gases. Las propiedades intrínsecas del carbón tal como se encuentra en la naturaleza determinan la cantidad de gas que se puede recuperar.
Los yacimientos de metano de carbón se consideran yacimientos de porosidad dual. Los yacimientos de porosidad dual son yacimientos en los que la porosidad relacionada con las grietas (fracturas naturales) es responsable del comportamiento del flujo y la porosidad del yacimiento de la matriz es responsable del almacenamiento de gas. La porosidad de un yacimiento de metano de carbón puede variar entre el 10% y el 20%; sin embargo, se estima que la porosidad de las grietas del yacimiento está en el rango del 0,1% al 1% [6].
La capacidad de adsorción del carbón se define como el volumen de gas adsorbido por unidad de masa de carbón, generalmente expresado en pies cúbicos estándar (SCF , el volumen en condiciones estándar de presión y temperatura) de gas/tonelada de carbón. La capacidad de adsorción depende del rango y la calidad del carbón. El rango suele estar entre 100 y 800 SCF/tonelada para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU. La mayor parte del gas en los yacimientos de carbón está en forma adsorbida. Cuando el yacimiento se pone en producción, primero se bombea el agua en los espacios de fractura. Esto conduce a una reducción de la presión que mejora la desorción de gas de la matriz. [7]
La permeabilidad de las fracturas actúa como el canal principal para que fluya el gas. Cuanto mayor sea la permeabilidad, mayor será la producción de gas. Para la mayoría de las vetas de carbón que se encuentran en los EE. UU., la permeabilidad se encuentra en el rango de 0,1 a 50 miliDarcys. La permeabilidad de los yacimientos fracturados cambia con la tensión que se les aplica. El carbón muestra una permeabilidad sensible a la tensión y este proceso juega un papel importante durante las operaciones de estimulación y producción [8] [ cita requerida ] . [9] La permeabilidad de las fracturas en los yacimientos de metano de carbón tiende a aumentar con el agotamiento del gas; en contraste con los yacimientos convencionales. Este comportamiento único se debe a la contracción del carbón, cuando el metano se libera de su matriz, lo que da como resultado la apertura de las fracturas y el aumento de la permeabilidad. [10] También se cree que debido a la contracción de la matriz de carbón a presiones de yacimiento más bajas, hay una pérdida de tensión horizontal en el yacimiento que induce una falla in situ del carbón. Tal falla se ha atribuido a una disminución repentina de la permeabilidad de la fractura del yacimiento [11] [9]
El espesor de la formación puede no ser directamente proporcional al volumen de gas producido en algunas áreas. [ cita requerida ]
Por ejemplo, se ha observado en la cuenca Cherokee , en el sudeste de Kansas, que un pozo con una única zona de 1 a 2 pies (0,3 a 0,6 m) de espesor puede producir excelentes tasas de gas, mientras que una formación alternativa con el doble de espesor puede producir casi nada. Algunas formaciones de carbón (y esquisto) pueden tener altas concentraciones de gas independientemente del espesor de la formación, probablemente debido a otros factores de la geología del área. [ cita requerida ]
La diferencia de presión entre el bloque del pozo y la cara de arena debe ser lo más alta posible, como sucede en general con cualquier yacimiento productor. [ cita requerida ]
Otros parámetros que influyen son la densidad del carbón, la concentración inicial de la fase gaseosa, la saturación crítica de gas, la saturación de agua irreducible, la permeabilidad relativa al agua y al gas en condiciones de Sw = 1,0 y Sg = 1-Sw irreducible respectivamente. [ cita requerida ]
Para extraer el gas, se perfora un pozo revestido de acero en la veta de carbón a una profundidad de entre 100 y 1.500 metros (330 a 4.920 pies) bajo tierra. A medida que la presión dentro de la veta de carbón disminuye debido a la producción natural o al bombeo de agua desde el yacimiento de carbón, tanto el gas como el agua producida llegan a la superficie a través de tuberías. Luego, el gas se envía a una estación de compresión y a tuberías de gas natural. El agua producida se reinyecta en formaciones aisladas, se libera en arroyos, se utiliza para riego o se envía a estanques de evaporación. El agua normalmente contiene sólidos disueltos, como bicarbonato de sodio y cloruro , pero varía según la geología de la formación. [12]
Los pozos de metano de carbón suelen producir a tasas de gas más bajas que los yacimientos convencionales, con un pico de producción de cerca de 300.000 pies cúbicos (8.500 m 3 ) por día (aproximadamente 0,100 m³/s), y pueden tener costos iniciales elevados. Los perfiles de producción de los pozos de metano de carbón se caracterizan típicamente por una "declinación negativa" en la que la tasa de producción de gas aumenta inicialmente a medida que se bombea el agua y el gas comienza a desorberse y fluir. Un pozo de metano de carbón seco es similar a un pozo de gas estándar. [ cita requerida ]
El proceso de desorción de metano sigue una curva (de contenido de gas vs. presión del yacimiento) llamada isoterma de Langmuir . La isoterma puede describirse analíticamente mediante un contenido máximo de gas (a presión infinita) y la presión a la que la mitad de ese gas existe dentro del carbón. Estos parámetros (llamados volumen de Langmuir y presión de Langmuir, respectivamente) son propiedades del carbón y varían ampliamente. Un carbón en Alabama y un carbón en Colorado pueden tener parámetros de Langmuir radicalmente diferentes, a pesar de que las propiedades del carbón sean similares. [ cita requerida ]
Se cree que, a medida que se produce la producción a partir de un yacimiento de carbón, los cambios de presión provocan cambios en la porosidad y la permeabilidad del carbón. Esto se conoce comúnmente como contracción/hinchazón de la matriz. A medida que se desorbe el gas, la presión ejercida por el gas dentro de los poros disminuye, lo que hace que se reduzcan de tamaño y restringe el flujo de gas a través del carbón. A medida que los poros se encogen, la matriz en general también se encoge, lo que puede eventualmente aumentar el espacio a través del cual puede viajar el gas (las ranuras), lo que aumenta el flujo de gas. [ cita requerida ]
El potencial de una capa de carbón particular como fuente de CBM depende de los siguientes criterios: Densidad/intensidad de las diaclasas: las diaclasas son juntas confinadas dentro de capas de carbón. Imparten permeabilidad a la veta de carbón. Se requiere una alta densidad de diaclasas para una explotación rentable de CBM. También es importante la composición maceral: el maceral es una entidad petrográfica homogénea y microscópica de una roca sedimentaria correspondiente. Una alta composición de vitrinita es ideal para la extracción de CBM, mientras que la inertinita la dificulta. [ cita requerida ]
El rango del carbón también se ha relacionado con el contenido de CBM: se ha descubierto que una reflectancia de vitrinita de 0,8-1,5 % implica una mayor productividad del yacimiento de carbón. [ cita requerida ]
La composición del gas debe tenerse en cuenta, ya que los aparatos de gas natural están diseñados para gas con un valor calorífico de aproximadamente 1000 BTU ( unidades térmicas británicas ) por pie cúbico, o metano casi puro. Si el gas contiene más de un pequeño porcentaje de gases no inflamables, como nitrógeno o dióxido de carbono , será necesario eliminarlos o mezclarlo con gas de mayor BTU para lograr la calidad de la tubería . Si la composición de metano del gas de carbón es inferior al 92%, es posible que no sea comercializable. [ cita requerida ]
Al igual que todos los combustibles fósiles basados en carbono, la quema de metano de carbón libera dióxido de carbono (CO2 ) a la atmósfera. Su efecto como gas de efecto invernadero fue analizado por primera vez por el químico y físico Svante Arrhenius . La producción de CBM también implica fugas de metano fugitivo a la atmósfera. Se estima que el metano tiene 72 veces más efecto sobre el calentamiento global por unidad de masa que el CO2 en 20 años, reduciéndose a 25 veces en 100 años y 7,5 veces en 500 años . [13] El análisis de las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de las fuentes de energía indica que la generación de electricidad a partir de CBM, al igual que con el gas natural convencional, tiene menos de la mitad del efecto de gas de efecto invernadero del carbón. [14]
Múltiples estudios australianos han indicado los efectos ambientales negativos a largo plazo de la extracción de gas de veta de carbón, tanto a nivel local como global. [15] [16] [17] [18] [19]
En Estados Unidos, el metano que se escapa del carbón durante la minería representa el siete por ciento de las emisiones totales de metano . [20] La recuperación del metano de las minas de carbón antes de la minería se considera una oportunidad importante para reducir las emisiones de metano. [ cita requerida ] Empresas como CNX Resources tienen programas de reducción de metano para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de las minas activas y cerradas. [21]
Los pozos de metano de CBM están conectados por una red de carreteras, tuberías y estaciones de compresión. Con el tiempo, los pozos pueden espaciarse más cerca para extraer el metano restante.
El agua producida que llega a la superficie como subproducto de la extracción de gas varía mucho en calidad de una zona a otra, pero puede contener concentraciones indeseables de sustancias disueltas como sales , productos químicos presentes de forma natural, metales pesados y radionucleidos . [22] En muchas regiones productoras, el agua se trata, por ejemplo a través de una planta de ósmosis inversa , y se utiliza de forma beneficiosa para riego, agua para el ganado, usos urbanos e industriales o supresión de polvo.
En 2012, Eastern Star Gas fue multada por "verter agua contaminante que contenía altos niveles de sal en el arroyo Bohena" en Pilliga Scrub. [23] Hubo "16 derrames o fugas de agua contaminada", incluidos "derrames graves de agua salina en un bosque y un arroyo". [24] En 2012, una investigación del Consejo Legislativo de Nueva Gales del Sur [25] criticó el uso de estanques de almacenamiento abiertos y recomendó que "el Gobierno de Nueva Gales del Sur prohibiera el almacenamiento abierto de agua producida". [25] [26]
No toda el agua producida por metano de los yacimientos de carbón es salina o indeseable por algún otro motivo. El agua de los pozos de metano de los yacimientos de carbón de la cuenca del río Powder en Wyoming (EE. UU.) suele cumplir con los estándares federales de agua potable y se utiliza ampliamente en la zona para abrevar al ganado. [27] Su uso para riego está limitado por su índice de adsorción de sodio relativamente alto .
Dependiendo de la conectividad de los acuíferos, la extracción de agua puede deprimir los acuíferos en un área extensa y afectar los flujos de agua subterránea. [28] En Australia, la industria del CBM estima una extracción de 126.000 millones de litros (3,3 × 10 10 galones estadounidenses) a 280.000 millones de litros (7,4 × 10 10 galones estadounidenses) de agua subterránea por año; mientras que la Comisión Nacional del Agua estima una extracción de más de 300.000 millones de litros (7,9 × 10 10 galones estadounidenses) por año. [22]
En 2012, la Aspen Skiing Company construyó una planta de conversión de metano en electricidad de 3 megavatios en Somerset, Colorado , en la mina Elk Creek de Oxbow Carbon. [29]
Los recursos de gas de veta de carbón se encuentran en las principales cuencas de carbón de Queensland y Nueva Gales del Sur, con otros recursos potenciales en Australia del Sur. La recuperación comercial de gas de veta de carbón (CSG) comenzó en Australia en 1996. A partir de 2014, el gas de veta de carbón, de Queensland y Nueva Gales del Sur, representó aproximadamente el diez por ciento de la producción de gas de Australia. Las reservas demostradas se estimaron en 33 billones de pies cúbicos (35 905 petajulios) a enero de 2014. [30]
En Canadá, se estima que Columbia Británica tiene aproximadamente 90 billones de pies cúbicos (2,5 billones de metros cúbicos) de gas de carbón. Alberta , en 2013, fue la única provincia con pozos comerciales de metano de carbón y se estima que tiene aproximadamente 170 billones de pies cúbicos (4,8 billones de metros cúbicos) de metano de carbón económicamente recuperable, con reservas totales que suman hasta 500 billones de pies cúbicos (14 billones de metros cúbicos). [31] [32]
El metano de carbón se considera un recurso no renovable , aunque el Consejo de Investigación de Alberta , el Servicio Geológico de Alberta y otros han argumentado que el metano de carbón es un recurso renovable porque la acción bacteriana que lo formó está en curso. [ cita requerida ] Esto es objeto de debate ya que también se ha demostrado que la deshidratación que acompaña a la producción de CBM destruye las condiciones necesarias para que las bacterias produzcan metano [33] y la tasa de formación de metano adicional es indeterminada. Este debate está causando actualmente un problema de derecho de propiedad en la provincia canadiense de Alberta , ya que solo los recursos no renovables pueden ser legalmente propiedad de la provincia. [34]
Aunque se ha estimado que el gas existente en los yacimientos de carbón de Gran Bretaña es de 2.900 billones de metros cúbicos, es posible que tan sólo un uno por ciento sea económicamente recuperable. El potencial de metano de Gran Bretaña no ha sido probado en gran medida. Parte del metano se extrae mediante operaciones de ventilación de minas de carbón y se quema para generar electricidad. La evaluación por parte de la industria privada de los pozos de metano de capas de carbón independientemente de la minería comenzó en 2008, cuando se emitieron 55 licencias de exploración en tierra, que cubrían 7.000 kilómetros cuadrados de áreas potenciales de metano de capas de carbón. IGas Energy se convirtió en la primera en el Reino Unido en extraer comercialmente metano de capas de carbón independientemente de la ventilación de la mina; a partir de 2012, los pozos de metano de capas de carbón de Igas en Doe Green, que extraen gas para la generación eléctrica, fueron los únicos pozos comerciales de metano de capas de carbón en el Reino Unido. [35] El uso de metano de capas de carbón (en GWh) para la generación de electricidad en el Reino Unido es el siguiente: [36]
La producción de metano de carbón de Estados Unidos en 2017 fue de 1,76 billones de pies cúbicos (TCF), el 3,6 por ciento de toda la producción de gas seco de Estados Unidos ese año. La producción de 2017 fue inferior al pico de 1,97 TCF de 2008. [37] La mayor parte de la producción de metano de carbón provino de los estados de las Montañas Rocosas de Colorado, Wyoming y Nuevo México.
Según los profesionales de la industria, Kazajstán podría presenciar el desarrollo de un gran sector de metano de lechos de carbón (CBM) en las próximas décadas. [38] Las investigaciones preliminares sugieren que puede haber hasta 900 mil millones de m3 de gas en los principales yacimientos de carbón de Kazajstán, el 85% de todas las reservas del país.
Great Eastern Energy (GEECL) fue la primera empresa con un plan de desarrollo de campo aprobado. Con la finalización de la perforación de 23 pozos de producción verticales por parte de GEECL, el metano de lecho de carbón se comercializó en la India el 14 de julio de 2007, con un precio de GNC de 30 rupias por kg. Inicialmente, el 90% del CBM se distribuiría como gas GNC para alimentar vehículos.
GEECL es responsable de la primera estación CBM del sudeste asiático y también está ubicando una en la ciudad de Asansol , en Bengala Occidental .
Prashant Modi, presidente y director de operaciones de GEECL, dijo: "Dado que el país requiere mayores fuentes de energía para sostener su ritmo de desarrollo, confiamos en que el CBM desempeñará un papel importante como una de las principales fuentes de energía para las generaciones futuras". [39]
La cartera de CBM de Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd. de Essar Group incluye 5 bloques. Actualmente, solo uno de ellos, Raniganj East, está en funcionamiento. Los otros incluyen Rajmahal en Jharkhand, Talcher e Ib Valley en Odisha y Sohagpur en Madhya Pradesh. Los 5 bloques poseen aproximadamente 10 billones de pies cúbicos (CBF) de reservas de CBM.
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