Queste fonti potrebbero aiutare a colmare il crescente divario tra produzione interna e consumo negli Stati Uniti, ma presentano maggiori sfide ambientali nella loro produzione.
L’Energy Information Administration stima attualmente la base di risorse di gas non convenzionale negli Stati Uniti a 2.203 trilioni di piedi cubici.
Gas di scisto
A differenza del gas convenzionale, che risiede in serbatoi altamente porosi e permeabili e può essere facilmente sfruttato da pozzi verticali standard, il gas di scisto rimane intrappolato nella sua roccia di origine, lo scisto ricco di materiale organico che si è formato dalla deposizione sedimentaria di fango, limo, argilla e materia organica sul fondo di mari poco profondi.
Il primo pozzo negli Stati Uniti perforato specificamente per produrre gas naturale ha sfruttato un deposito di gas di scisto a Fredonia, New York nel 1821. A causa della permeabilità molto bassa di questi scisti, tuttavia, l’estrazione convenzionale con pozzi verticali non si dimostrò efficace dal punto di vista dei costi, dato che depositi più facilmente sfruttabili furono trovati altrove.
Oggi, il gas di scisto è la risorsa di gas naturale in più rapida crescita negli Stati Uniti e nel mondo, come risultato di diversi sviluppi recenti. I progressi nella tecnologia di perforazione orizzontale permettono a un singolo pozzo di passare attraverso volumi maggiori di un serbatoio di gas di scisto e quindi produrre più gas.
Lo sviluppo della tecnologia di fratturazione idraulica (conosciuta anche come idrofratturazione, hydrofracking, o semplicemente fracking) ha anche migliorato l’accesso ai depositi di gas di scisto. Questo processo richiede l’iniezione di grandi volumi di acqua mista a sabbia e sostanze chimiche fluide nel pozzo ad alta pressione per fratturare la roccia, aumentando la permeabilità e i tassi di produzione. Oltre a questi progressi tecnologici, gli alti prezzi del gas naturale tra il 2001 e il 2008 hanno fornito un ulteriore incentivo a sviluppare la risorsa del gas di scisto. Tuttavia, il conseguente aumento del gas di scisto combinato con la recente recessione economica ha portato a un drammatico calo dei prezzi del gas dal 2008.
Per estrarre il gas di scisto, un pozzo di produzione viene perforato verticalmente fino a raggiungere la formazione di scisto, a quel punto il pozzo gira per seguire lo scisto in senso orizzontale. Un tubo d’acciaio, chiamato “casing”, viene inserito nel pozzo per tenerlo aperto e proteggere l’integrità del pozzo. Il cemento viene poi pompato nel pozzo e spinto all’esterno dell’involucro d’acciaio per sigillare il pozzo e cercare di impedire che il gas naturale, i fluidi di fratturazione, i prodotti chimici e l’acqua prodotta finiscano nelle falde acquifere.
Dopo aver completato la perforazione e l’involucro del pozzo, piccole cariche esplosive vengono fatte esplodere nella parte orizzontale del pozzo per creare fori nell’involucro a intervalli in cui deve avvenire la fratturazione idraulica. In un’operazione di fratturazione idraulica, il fluido di fratturazione viene pompato ad una pressione attentamente controllata per fratturare la roccia fino a diverse centinaia di metri dal pozzo. La sabbia mescolata al fluido di fratturazione agisce per aprire queste fessure quando i fluidi vengono successivamente pompati fuori. Dopo la fratturazione, il gas fluisce nel foro del pozzo e fino alla superficie, dove viene raccolto.
Al 2011, poco più del 39% delle riserve di gas naturale degli Stati Uniti, o 132 trilioni di piedi cubici, erano in depositi di scisto, soprattutto in Texas, Louisiana, Arkansas e Pennsylvania. Questi depositi si trovano in tutti gli Stati Uniti, in genere dove si trovano anche risorse di gas convenzionali. Recentemente, il Marcellus Shale in Pennsylvania e West Virginia, il Barnett Shale in Texas, l’Hanesville Shale in Louisiana e Texas, e il Fayetteville Shale in Arkansas hanno tutti visto una crescita significativa nella produzione di gas naturale.
Tight gas sandstone
Tight gas si riferisce al gas naturale che è migrato in una roccia serbatoio con alta porosità ma bassa permeabilità.
Questi tipi di serbatoi di solito non sono associati al petrolio e comunemente richiedono la perforazione orizzontale e la fratturazione idraulica per aumentare la produzione del pozzo a livelli convenienti.
Metano coalizzato
Il gas naturale è spesso collocato con il petrolio, ma può anche essere trovato intrappolato nei depositi di carbone.
Il metano ha tradizionalmente rappresentato un pericolo per i minatori di carbone sotterranei, poiché il gas altamente infiammabile viene rilasciato durante le attività minerarie. Altrimenti i filoni di carbone inaccessibili possono anche essere sfruttati per raccogliere questo gas, noto come metano del letto di carbone, impiegando tecniche di perforazione e fratturazione idraulica simili a quelle usate nell’estrazione del gas di scisto. A partire dal 2010, poco più del 6 per cento delle riserve di gas naturale degli Stati Uniti, o 17,5 trilioni di piedi cubi, erano in depositi di metano a letto di carbone, soprattutto in Colorado, New Mexico e Wyoming.
I depositi di metano coalbed hanno anche attirato l’interesse per il loro potenziale di sequestro del carbonio. Iniettando l’anidride carbonica (CO2) in giacimenti di carbone difficili da estrarre, la CO2 potrebbe spostare il metano bloccato all’interno del carbone, migliorando il recupero della risorsa di gas naturale e immagazzinando la CO2 dove non contribuirebbe al riscaldamento globale.
Idrati di metano
Gli idrati di metano, che consistono in molecole di metano intrappolate in una gabbia di molecole d’acqua, si presentano come solidi cristallini nei sedimenti nelle regioni artiche e sotto il fondo dell’oceano profondo. Anche se sembrano ghiaccio, gli idrati di metano bruciano se accesi.
Gli idrati di metano sono la fonte di gas naturale non convenzionale più abbondante e anche la più difficile da estrarre. Mentre c’è molta incertezza sulla dimensione totale della risorsa di idrati di metano, si stima prudentemente che sia 4.000 volte la quantità di gas naturale consumata negli Stati Uniti nel 2010. Tuttavia, le sfide tecniche per recuperare economicamente la risorsa sono significative, e solo una piccola frazione della risorsa totale si trova in concentrazioni abbastanza alte da essere catturata in modo fattibile.
C’è anche un rischio significativo che l’aumento delle temperature dovuto al riscaldamento globale possa destabilizzare i depositi di idrati di metano, rilasciando il metano – un potente gas serra – nell’atmosfera e aggravando ulteriormente il problema.
Gas biogenico
Alcuni tipi di batteri, conosciuti come metanogeni, possono produrre metano, il componente principale del gas naturale, nel processo di scomposizione della materia organica in un ambiente privo di ossigeno.
Questo tipo di gas è chiamato “biogenico” per differenziarlo dal gas “termogenico” o fossile prodotto da materiale organico sepolto nella crosta terrestre ad alte temperature e pressioni. Le proprietà del metano biogenico sono identiche a quelle del metano termogenico.
Il letame del bestiame, i rifiuti alimentari e le acque di scarico sono tutte potenziali fonti di gas biogenico, o biogas, che è solitamente considerato una forma di energia rinnovabile.
Uno studio ha stimato che il potenziale tecnico statunitense derivante dal solo letame potrebbe fornire l’1% del fabbisogno energetico del paese e portare a una riduzione del 4% delle emissioni di gas serra negli Stati Uniti. Già decine di agricoltori statunitensi, in particolare nel Midwest, hanno investito in digestori e generatori anaerobici per produrre elettricità e calore (ed entrate extra per l’azienda) dai rifiuti del bestiame. La produzione di biogas su piccola scala è una tecnologia consolidata in alcune parti del mondo in via di sviluppo, in particolare in Asia, dove gli agricoltori raccolgono il letame animale in vasche e catturano il metano emesso mentre si decompone. Quando i rifiuti urbani sono sepolti in una discarica, i batteri scompongono il materiale organico contenuto nella spazzatura come giornali, cartone e rifiuti alimentari, producendo gas come l’anidride carbonica e il metano. Piuttosto che permettere a questi gas di andare nell’atmosfera, dove contribuiscono al riscaldamento globale, gli impianti di gas di discarica possono catturarli, separare il metano e bruciarlo per generare elettricità, calore o entrambi.
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