Kohleflözmethan – Wikipedia

Coalbed Methan ((CBM oder Kohleflözmethan),^[1]Kohlebettgas, Kohleflözgas ((CSG^[1]), oder Kohlengrubenmethan ((KMG)^[2] ist eine Form von Erdgas, das aus Kohlebetten gewonnen wird.^[3] In den letzten Jahrzehnten hat es sich zu einer wichtigen Energiequelle in den USA, Kanada, Australien und anderen Ländern entwickelt.

Der Begriff bezieht sich auf Methan, das in der festen Matrix der Kohle adsorbiert ist. Es wird wegen seines Mangels an Schwefelwasserstoff als “süßes Gas” bezeichnet. Das Vorhandensein dieses Gases ist aus seinem Vorkommen im Untertagekohlenbergbau bekannt, wo es ein ernstes Sicherheitsrisiko darstellt. Kohleflözmethan unterscheidet sich von einem typischen Sandstein oder einem anderen herkömmlichen Gasspeicher, da das Methan durch einen als Adsorption bezeichneten Prozess in der Kohle gespeichert wird. Das Methan befindet sich in einem nahezu flüssigen Zustand und kleidet das Innere der Poren in der Kohle aus (Matrix genannt). Die offenen Brüche in der Kohle (Stollen genannt) können auch freies Gas enthalten oder mit Wasser gesättigt sein.^{[citation needed]}

Im Gegensatz zu viel Erdgas aus herkömmlichen Lagerstätten enthält Kohleflözmethan sehr wenig schwerere Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Butan und kein Erdgaskondensat. Es enthält oft bis zu einigen Prozent Kohlendioxid.

Geschichte[edit]

Kohleflözmethan entstand aus der Entlüftung von Methan aus Kohleflözen. Einige Kohlebetten sind seit langem als “gasförmig” bekannt. Aus Sicherheitsgründen wurden Bohrlöcher von der Oberfläche in die Nähte gebohrt und das Methan vor dem Abbau entlüftet.

Kohleflözmethan als Erdgasressource wurde Ende der 1970er Jahre von der US-Bundesregierung stark vorangetrieben. Die Preiskontrollen des Bundes haben Erdgasbohrungen entmutigt, indem sie die Erdgaspreise unter dem Marktniveau gehalten haben. Gleichzeitig wollte die Regierung mehr Gas fördern. Das US-Energieministerium finanzierte die Erforschung einer Reihe unkonventioneller Gasquellen, darunter Methan im Kohlebett. Kohleflözmethan wurde von den Preiskontrollen des Bundes befreit und erhielt auch eine Steuergutschrift des Bundes.

In Australien begann die kommerzielle Gewinnung von Kohleflözgas 1996 im Bowen Basin von Queensland.^[4]

Reservoir Eigenschaften[edit]

In Methan im Kohlebett enthaltenes Gas besteht hauptsächlich aus Methan und Spuren von Ethan, Stickstoff, Kohlendioxid und wenigen anderen Gasen. Die intrinsischen Eigenschaften von Kohle in der Natur bestimmen die Menge an Gas, die zurückgewonnen werden kann.

Porosität[edit]

Methanreservoire mit Kohlebett werden als Reservoire mit doppelter Porosität betrachtet. Reservoirs mit doppelter Porosität sind Reservoire, in denen Porosität in Bezug auf Stollen (natürliche Brüche) für das Fließverhalten verantwortlich ist und die Reservoirporosität der Matrix für die Speicherung von Gas verantwortlich ist. Die Porosität eines Methanreservoirs im Kohlebett kann zwischen 10% und 20% variieren. Die Stollenporosität des Reservoirs wird jedoch auf einen Bereich von 0,1% bis 1% geschätzt ^[5]

Adsorptionskapazität[edit]

Die Adsorptionskapazität von Kohle ist definiert als das Volumen des adsorbierten Gases pro Masseneinheit Kohle, üblicherweise ausgedrückt in SCF (Standardkubikfußdas Volumen bei Standarddruck- und Temperaturbedingungen) Gas / Tonne Kohle. Die Adsorptionskapazität hängt vom Rang und der Qualität der Kohle ab. Der Bereich liegt normalerweise zwischen 100 und 800 SCF / Tonne für die meisten Kohleflöze in den USA. Das meiste Gas in Kohlebetten liegt in adsorbierter Form vor. Wenn das Reservoir in Betrieb genommen wird, wird zuerst Wasser in den Bruchräumen abgepumpt. Dies führt zu einer Verringerung des Drucks, wodurch die Desorption von Gas aus der Matrix verbessert wird.^{[citation needed]}

Bruchdurchlässigkeit[edit]

Wie zuvor diskutiert, fungiert die Bruchpermeabilität als Hauptkanal für den Gasfluss. Je höher die Permeabilität, desto höher die Gasproduktion. Für die meisten in den USA vorkommenden Kohleflöze liegt die Permeabilität im Bereich von 0,1 bis 50 MilliDarcys. Die Durchlässigkeit gebrochener Reservoire ändert sich mit der auf sie ausgeübten Spannung. Kohle zeigt eine stressempfindliche Permeabilität und dieser Prozess spielt eine wichtige Rolle bei Stimulations- und Produktionsvorgängen^{[6][citation needed]}.^[7] Die Bruchpermeabilität im Methanreservoir von Coalbed nimmt tendenziell mit der Erschöpfung des Gases zu. im Gegensatz zu herkömmlichen Stauseen. Dieses einzigartige Verhalten ist auf das Schrumpfen der Kohle zurückzuführen, wenn Methan aus seiner Matrix freigesetzt wird, was zu einer Öffnung von Brüchen und einer erhöhten Permeabilität führt.^[8] Es wird auch angenommen, dass aufgrund des Schrumpfens der Kohlematrix bei niedrigeren Reservoirdrücken ein Verlust der horizontalen Spannung im Reservoir auftritt, was zu einem In-situ-Versagen der Kohle führt. Ein solches Versagen wurde auf eine plötzliche Abnahme der Bruchdurchlässigkeit des Reservoirs zurückgeführt^[9][7]

Formationsdicke und anfänglicher Reservoirdruck[edit]

Die Dicke der Formation ist möglicherweise nicht direkt proportional zum in einigen Bereichen erzeugten Gasvolumen.^{[citation needed]}

Beispielsweise wurde im Cherokee-Becken im Südosten von Kansas beobachtet, dass ein Bohrloch mit einer einzelnen Zone von 0,3 bis 0,6 m (1 bis 2 Fuß) Lohn ausgezeichnete Gasraten erzeugen kann, während eine alternative Formation mit der doppelten Dicke erzeugen kann so gut wie nichts. Einige Kohle- (und Schiefer-) Formationen können unabhängig von der Dicke der Formation hohe Gaskonzentrationen aufweisen, wahrscheinlich aufgrund anderer Faktoren der Geologie des Gebiets.^{[citation needed]}

Der Druckunterschied zwischen dem Bohrlochblock und der Sandfläche sollte so hoch wie möglich sein, wie dies bei jedem produzierenden Reservoir im Allgemeinen der Fall ist.^{[citation needed]}

Andere Eigenschaften[edit]

Andere beeinflussende Parameter umfassen Kohledichte, anfängliche Gasphasenkonzentration, kritische Gassättigung, irreduzible Wassersättigung, relative Permeabilität für Wasser und Gas bei Bedingungen von Sw = 1,0 bzw. Sg = 1-Sw irreduzibel.^{[citation needed]}

Zur Gewinnung des Gases wird 100 bis 1.500 Meter unter der Erde ein mit Stahl ummanteltes Loch in das Kohleflöz gebohrt. Wenn der Druck im Kohleflöz aufgrund der natürlichen Produktion oder des Pumpens von Wasser aus dem Kohlebett abnimmt, werden sowohl Gas als auch produziertes Wasser durch Schläuche an die Oberfläche kommen. Anschließend wird das Gas zu einer Kompressorstation und in Erdgasleitungen geleitet. Das erzeugte Wasser wird entweder wieder in isolierte Formationen injiziert, in Ströme freigesetzt, zur Bewässerung verwendet oder in Verdunstungsteiche geleitet. Das Wasser enthält typischerweise gelöste Feststoffe wie Natriumbicarbonat und Chlorid, variiert jedoch in Abhängigkeit von der Formationsgeologie.^{[citation needed]}

Methanbrunnen mit Kohlebett produzieren häufig mit niedrigeren Gasraten als herkömmliche Reservoire und erreichen typischerweise einen Höchstwert von fast 8.500 m (300.000 Kubikfuß)³) pro Tag (ca. 0,100 m³ / s) und kann hohe Anschaffungskosten verursachen. Die Produktionsprofile von CBM-Bohrlöchern sind typischerweise durch einen “negativen Rückgang” gekennzeichnet, bei dem die Gasproduktionsrate anfänglich zunimmt, wenn das Wasser abgepumpt wird und das Gas zu desorbieren und zu fließen beginnt. Ein trockener CBM-Brunnen ähnelt einem Standard-Gasbrunnen.^{[citation needed]}

Der Methandesorptionsprozess folgt einer Kurve (des Gasgehalts gegenüber dem Reservoirdruck), die als Langmuir-Isotherme bezeichnet wird. Die Isotherme kann analytisch durch einen maximalen Gasgehalt (bei unendlichem Druck) und den Druck beschrieben werden, bei dem die Hälfte dieses Gases in der Kohle vorhanden ist. Diese Parameter (Langmuir-Volumen bzw. Langmuir-Druck genannt) sind Eigenschaften der Kohle und variieren stark. Eine Kohle in Alabama und eine Kohle in Colorado können trotz ansonsten ähnlicher Kohleeigenschaften radikal unterschiedliche Langmuir-Parameter aufweisen.^{[citation needed]}

Da die Produktion aus einem Kohlenreservoir erfolgt, wird angenommen, dass die Druckänderungen Änderungen der Porosität und Permeabilität der Kohle verursachen. Dies ist allgemein als Matrixschrumpfung / -quellung bekannt. Wenn das Gas desorbiert wird, nimmt der Druck ab, den das Gas in den Poren ausübt, was dazu führt, dass sie kleiner werden und den Gasfluss durch die Kohle einschränken. Wenn die Poren schrumpfen, schrumpft auch die Gesamtmatrix, was schließlich den Raum vergrößern kann, durch den sich das Gas bewegen kann (die Stollen), wodurch der Gasfluss erhöht wird.^{[citation needed]}

Das Potenzial eines bestimmten Kohlebettes als CBM-Quelle hängt von den folgenden Kriterien ab. Stollendichte / -intensität: Stollen sind Fugen, die in Kohleblechen eingeschlossen sind. Sie verleihen dem Kohleflöz Durchlässigkeit. Für die rentable Nutzung von CBM ist eine hohe Stollendichte erforderlich. Wichtig ist auch die Mazeralzusammensetzung: Maceral ist eine mikroskopische, homogene, petrographische Einheit eines entsprechenden Sedimentgesteins. Eine Zusammensetzung mit hohem Vitrinitgehalt ist ideal für die CBM-Extraktion, während Inertinit das Gleiche behindert.^{[citation needed]}

Der Rang der Kohle wurde auch mit dem CBM-Gehalt in Verbindung gebracht: Ein Vitrinit-Reflexionsgrad von 0,8–1,5% bedeutet eine höhere Produktivität des Kohlebettes.^{[citation needed]}

Die Gaszusammensetzung muss berücksichtigt werden, da Erdgasgeräte für Gas mit einem Heizwert von etwa 1.000 BTU (British Thermal Units) pro Kubikfuß oder nahezu reinem Methan ausgelegt sind. Wenn das Gas mehr als einige Prozent nicht brennbare Gase wie Stickstoff oder Kohlendioxid enthält, müssen diese entweder entfernt oder mit Gas mit höherem BTU-Gehalt gemischt werden, um dies zu erreichen Pipeline-Qualität. Wenn die Methanzusammensetzung des Kohlebettgases weniger als 92% beträgt, ist es möglicherweise nicht kommerziell vermarktbar.^{[citation needed]}

Umwelteinflüsse[edit]

Methan[edit]

Wie bei allen fossilen Brennstoffen auf Kohlenstoffbasis setzt die Verbrennung von Methan im Kohlebett Kohlendioxid (CO) frei₂) in die Atmosphäre. Seine Wirkung als Treibhausgas wurde zunächst vom Chemiker und Physiker Svante Arrhenius analysiert. Bei der CBM-Produktion tritt auch flüchtiges Methan in die Atmosphäre aus. Methan hat eine 72-fache Auswirkung auf die globale Erwärmung pro Masseneinheit als CO_2. über 20 Jahre, 25-mal über 100 Jahre und 7,5-mal über 500 Jahre.^[10] Die Analyse der Treibhausgasemissionen von Energiequellen im Lebenszyklus zeigt, dass die Stromerzeugung aus CBM wie bei herkömmlichem Erdgas weniger als die Hälfte des Treibhausgaseffekts von Kohle hat.^[11]

In den Vereinigten Staaten macht Methan, das während des Bergbaus aus Kohle austritt, 10 Prozent der gesamten Methanemissionen aus. Die Rückgewinnung von Kohleminenmethan vor dem Bergbau wird als große Chance zur Reduzierung der Methanemissionen angesehen.^{[citation needed]}

Infrastruktur[edit]

CBM-Bohrlöcher sind durch ein Netz von Straßen, Pipelines und Kompressorstationen verbunden. Im Laufe der Zeit können die Vertiefungen enger beabstandet sein, um das verbleibende Methan zu extrahieren.

Produziertes Wasser[edit]

Das erzeugte Wasser, das als Nebenprodukt der Gasgewinnung an die Oberfläche gebracht wird, variiert von Gebiet zu Gebiet in seiner Qualität stark, kann jedoch unerwünschte Konzentrationen gelöster Substanzen wie Salze, natürlich vorhandene Chemikalien, Schwermetalle und Radionuklide enthalten.^[12] In vielen produzierenden Regionen wird das Wasser aufbereitet, beispielsweise durch eine Umkehrosmoseanlage, und es wird vorteilhaft für die Bewässerung, das Wasser für Nutztiere, städtische und industrielle Zwecke oder die Staubunterdrückung verwendet.

Pilliga-Peeling[edit]

Im Jahr 2012 wurde Eastern Star Gas wegen “Einleitung von umweltschädlichem Wasser mit hohem Salzgehalt in den Bohena Creek” im Pilliga Scrub mit einer Geldstrafe belegt.^[13] Es gab “16 Verschüttungen oder Leckagen von kontaminiertem Wasser”, einschließlich “schwerwiegender Verschüttungen von Salzwasser in Wälder und einen Bach”.^[14] Im Jahr 2012 ein NSW Legislative Council^[15] Die Untersuchung kritisierte die Verwendung offener Halteteiche und empfahl, “die Regierung von New South Wales verbietet die offene Lagerung von produziertem Wasser”.^[15][16]

Powder River Basin[edit]

Nicht jedes mit Kohleflözmethan produzierte Wasser ist salzhaltig oder auf andere Weise unerwünscht. Wasser aus Methanbrunnen im Kohlebett im Powder River Basin in Wyoming, USA, entspricht üblicherweise den Trinkwassernormen des Bundes und wird in der Region häufig zur Bewässerung von Nutztieren verwendet.^[17] Seine Verwendung zur Bewässerung ist durch sein relativ hohes Natriumadsorptionsverhältnis begrenzt.

Grundwasser[edit]

Abhängig von der Konnektivität der Grundwasserleiter kann die Wasserentnahme die Grundwasserleiter großflächig beeinträchtigen und die Grundwasserflüsse beeinträchtigen.^[18] In Australien schätzt die CBM-Industrie die Extraktion auf 126.000 Millionen Liter (3,3×10¹⁰ US-Gallonen) auf 280.000 Millionen Liter (7,4×10¹⁰ US-Gallonen) Grundwasser pro Jahr; Die Nationale Wasserkommission schätzt die Förderung auf über 300.000 Millionen Liter (7.9×10¹⁰ US Gallonen) pro Jahr.^[12]

Energieerzeugung[edit]

2012 baute die Aspen Skiing Company in Somerset, Colorado, in der Elk Creek Mine von Oxbow Carbon ein 3-Megawatt-Methan-Elektrizitätswerk.^[19]

Methan produzierende Gebiete mit Kohlebett[edit]

Australien[edit]

Coal Seam Gas-Ressourcen befinden sich in den großen Kohlebecken in Queensland und New South Wales, weitere potenzielle Ressourcen in South Australia. Die kommerzielle Rückgewinnung von Kohleflözgas (CSG) begann 1996 in Australien. Ab 2014 machte Kohleflözgas aus Queensland und New South Wales etwa zehn Prozent der australischen Gasproduktion aus. Die nachgewiesenen Reserven wurden im Januar 2014 auf 33 Billionen Kubikfuß (35 905 Petajoule) geschätzt.^[20]

Kanada[edit]

In Kanada gibt es in British Columbia schätzungsweise 2,5 Billionen Kubikmeter Kohlebettgas. Alberta war 2013 die einzige Provinz mit kommerziellen Methanbrunnen im Kohlebett und verfügt schätzungsweise über 4,8 Billionen Kubikmeter wirtschaftlich rückgewinnbares Methan im Kohlebett mit Gesamtreserven von insgesamt 14 Billionen Kubikfuß (500 Billionen Kubikfuß) Meter).^[21][22]

Kohleflözmethan wird als nicht erneuerbare Ressource angesehen, obwohl der Alberta Research Council, Alberta Geological Survey und andere argumentiert haben, dass Kohlebettmethan eine erneuerbare Ressource ist, da die bakterielle Wirkung, die das Methan gebildet hat, andauert.^{[citation needed]} Dies ist umstritten, da auch gezeigt wurde, dass die mit der CBM-Produktion einhergehende Entwässerung die Bedingungen zerstört, unter denen die Bakterien Methan produzieren können^[23] und die Bildungsrate von zusätzlichem Methan ist unbestimmt. Diese Debatte führt derzeit in der kanadischen Provinz Alberta zu einer Frage des Eigentumsrechts, da nur nicht erneuerbare Ressourcen legal im Besitz der Provinz sein können.^[24]

Großbritannien[edit]

Obwohl das in den britischen Kohlefeldern vorhandene Gas auf 2.900 Milliarden Kubikmeter geschätzt wurde, kann es sein, dass nur ein Prozent wirtschaftlich verwertbar ist. Das britische CBM-Potenzial ist weitgehend ungetestet. Ein Teil des Methans wird durch Entlüftungsvorgänge in Kohlengruben gewonnen und zur Stromerzeugung verbrannt. Die Bewertung der vom Bergbau unabhängigen Kohleflözmethanbrunnen durch die Privatindustrie begann 2008, als 55 Onshore-Explorationslizenzen für 7.000 Quadratkilometer potenzieller Kohleflözmethangebiete erteilt wurden. IGas Energy war das erste Unternehmen in Großbritannien, das Kohleflözmethan getrennt von der Minenentlüftung kommerziell extrahierte. Ab 2012 waren die Igas-Kohleflöz-Methanbohrungen in Doe Green, die Gas zur Stromerzeugung fördern, die einzigen kommerziellen CBM-Bohrungen in Großbritannien.^[25]

Vereinigte Staaten[edit]

Die Methanproduktion in den USA betrug 2017 1,76 Billionen Kubikfuß (TCF), 3,6 Prozent der gesamten US-Trockengasproduktion in diesem Jahr. Die Produktion für 2017 lag unter dem Höchststand von 1,97 TCF im Jahr 2008.^[26] Der größte Teil der CBM-Produktion stammte aus den Rocky Mountain-Bundesstaaten Colorado, Wyoming und New Mexico.

Kasachstan[edit]

Kasachstan könnte nach Angaben von Branchenfachleuten in den kommenden Jahrzehnten die Entwicklung eines großen Sektors für Kohleflözmethan (CBM) beobachten.^[27] Vorläufige Untersuchungen legen nahe, dass in den wichtigsten Kohlefeldern Kasachstans bis zu 900 Milliarden m3 Gas vorhanden sein könnten – 85% aller Reserven in Kasachstan.

Indien[edit]

Mit dem Abschluss der Bohrungen von 23 vertikalen Produktionsbohrungen durch Great Eastern Energy (GEECL) würde Kohlebettmethan in Indien ab dem 14. Juli 2007 für kommerzielle Zwecke zu einem Preis von 30 GBP pro kg für CNG erhältlich sein. Anfangs würden 90% des CBM als CNG-Gas auf Fahrzeuge verteilt. GEECL errichtet auch die erste CBM-Station in Südostasien. Diese wird sich in Indien in der Stadt Asansol in Westbengalen befinden. GEECL ist das erste Unternehmen, dessen erster Feldentwicklungsplan genehmigt wurde.

Prashant Modi, President und Chief Operating Officer von GEECL, sagte: “Wir sind stolz darauf, Indiens erstes privatwirtschaftliches Unternehmen zu sein, das sich in die Exploration, Produktion, Vermarktung und Verteilung von Kohleflözmethan gewagt hat. Das Land benötigt höhere Energiequellen, um seine Entwicklung aufrechtzuerhalten Wir sind zuversichtlich, dass CBM eine wichtige Rolle als eine der wichtigsten Energiequellen für die zukünftigen Generationen spielen wird. “^[28]

Das CBM-Portfolio der Essar Oil and Gas Exploration and Production Ltd. der Essar Group umfasst 5 Blöcke. Derzeit ist nur einer von ihnen, Raniganj East, in Betrieb. Die anderen sind Rajmahal in Jharkhand, Talcher und Ib Valley in Odisha und Sohagpur in Madhya Pradesh. Die 5 Blöcke besitzen geschätzte 10 Billionen Kubikfuß (CBF) CBM-Reserven.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]