Takie źródła mogłyby pomóc wypełnić rosnącą lukę między produkcją krajową a konsumpcją w Stanach Zjednoczonych, ale stanowią one większe wyzwania środowiskowe w ich produkcji.
Administracja Informacji Energetycznej obecnie szacuje bazę zasobów gazu niekonwencjonalnego w USA na 2 203 tryliony stóp sześciennych. Z tego 167 bilionów stóp sześciennych uważa się za rezerwy potwierdzone – możliwe do wydobycia w obecnych warunkach ekonomicznych i operacyjnych.
Gaz łupkowy
W przeciwieństwie do gazu konwencjonalnego, który znajduje się w wysoce porowatych i przepuszczalnych zbiornikach i może być łatwo wydobyty przez standardowe odwierty pionowe, gaz łupkowy pozostaje uwięziony w swojej pierwotnej skale źródłowej, bogatych w substancje organiczne łupkach, które powstały w wyniku osadzania się mułu, mułu, gliny i materii organicznej na dnie płytkich mórz.
Pierwszy odwiert w Stanach Zjednoczonych wykonany specjalnie w celu produkcji gazu ziemnego dotarł do złoża gazu łupkowego we Fredonii w stanie Nowy Jork w 1821 roku. Ze względu na bardzo niską przepuszczalność tych łupków, jednak konwencjonalne wydobycie za pomocą pionowych odwiertów okazało się nieopłacalne, ponieważ łatwiejsze do eksploatacji złoża zostały znalezione gdzie indziej.
Dzisiaj gaz łupkowy jest najszybciej rozwijającym się zasobem gazu ziemnego w Stanach Zjednoczonych i na całym świecie w wyniku kilku ostatnich wydarzeń. Postępy w technologii wiercenia poziomego pozwalają pojedynczemu odwiertowi przejść przez większą objętość złoża gazu łupkowego, a tym samym produkować więcej gazu.
Rozwój technologii szczelinowania hydraulicznego (znanego również jako szczelinowanie hydrauliczne, hydroszczelinowanie lub po prostu szczelinowanie) również poprawił dostęp do złóż gazu łupkowego. Proces ten wymaga wstrzyknięcia do odwiertu pod wysokim ciśnieniem dużej ilości wody zmieszanej z piaskiem i płynnymi substancjami chemicznymi w celu szczelinowania skały, co zwiększa przepuszczalność i tempo wydobycia. Oprócz tych postępów technologicznych, wysokie ceny gazu ziemnego w latach 2001-2008 stanowiły dodatkową zachętę do rozwoju zasobów gazu łupkowego. Jednakże wynikający z tego wzrost ilości gazu łupkowego w połączeniu z niedawną recesją gospodarczą spowodował dramatyczny spadek cen gazu od 2008 roku.
Aby wydobyć gaz łupkowy, odwiert wydobywczy jest wiercony pionowo do momentu dotarcia do formacji łupkowej, w którym to momencie otwór wiertniczy skręca, aby podążać za łupkami poziomo. Stalowa rura, zwana „obudową”, jest wprowadzana do odwiertu, aby utrzymać go otwartym i chronić integralność otworu wiertniczego. Cement jest następnie pompowany do studni i wtłaczany na zewnątrz stalowej obudowy, aby uszczelnić studnię i zapobiec wyciekowi gazu ziemnego, płynów szczelinujących, chemikaliów i wody z wydobycia do zasobów wód gruntowych.
Po zakończeniu wiercenia i wykonaniu obudowy studni, małe ładunki wybuchowe są detonowane w poziomej części studni, aby utworzyć otwory w obudowie w odstępach, w których ma nastąpić szczelinowanie hydrauliczne. W operacji szczelinowania hydraulicznego, płyn szczelinujący jest pompowany pod starannie kontrolowanym ciśnieniem, aby złamać skałę w odległości do kilkuset stóp od odwiertu. Piasek zmieszany z płynem szczelinującym działa jako podpora tych pęknięć, gdy płyn jest następnie wypompowywany. Po szczelinowaniu gaz przepływa do otworu wiertniczego i na powierzchnię, gdzie jest zbierany.
W 2011 roku nieco ponad 39 procent rezerw gazu ziemnego w USA, czyli 132 biliony stóp sześciennych, znajdowało się w złożach łupkowych, głównie w Teksasie, Luizjanie, Arkansas i Pensylwanii. Złoża te znajdują się na terenie całych Stanów Zjednoczonych, zazwyczaj tam, gdzie występują również zasoby gazu konwencjonalnego. Ostatnio w łupkach Marcellus Shale w Pensylwanii i Zachodniej Wirginii, Barnett Shale w Teksasie, Hanesville shale w Luizjanie i Teksasie oraz Fayetteville shale w Arkansas nastąpił znaczny wzrost produkcji gazu ziemnego.
Piaskowiec szczelinowy
Gaz szczelinowy odnosi się do gazu ziemnego, który migrował do skały zbiornikowej o wysokiej porowatości, ale niskiej przepuszczalności.
Tego typu zbiorniki nie są zwykle związane z ropą naftową i powszechnie wymagają wiercenia poziomego i szczelinowania hydraulicznego w celu zwiększenia wydajności odwiertu do opłacalnych poziomów.
Metan pokładowy
Gaz ziemny jest często łączony z ropą naftową, ale można go również znaleźć uwięzionego w złożach węgla.
Metan tradycyjnie stanowił zagrożenie dla górników pracujących pod ziemią, ponieważ wysoce łatwopalny gaz jest uwalniany podczas prac górniczych. Inaczej niedostępne pokłady węgla mogą być również eksploatowane w celu pozyskania tego gazu, znanego jako metan z pokładów węgla, przy zastosowaniu podobnych technik wiercenia i szczelinowania hydraulicznego, jakie są stosowane przy wydobyciu gazu łupkowego. W 2010 r. nieco ponad 6 procent rezerw gazu ziemnego w USA, czyli 17,5 biliona stóp sześciennych, znajdowało się w złożach metanu z pokładów węgla, głównie w Kolorado, Nowym Meksyku i Wyoming.
Złoża metanu pokładów węgla również przyciągnęły zainteresowanie dla ich potencjału do sekwestracji węgla. Wstrzykiwanie dwutlenku węgla (CO2) do trudnych do wydobycia pokładów węgla spowodowałoby, że CO2 wyparłby metan zamknięty w węglu, zwiększając wydobycie zasobów gazu ziemnego przy jednoczesnym składowaniu CO2 tam, gdzie nie przyczyniłoby się to do globalnego ocieplenia.
Wodorany metanu
Wodorany metanu, które składają się z cząsteczek metanu uwięzionych w klatce z cząsteczek wody, występują jako krystaliczne ciała stałe w osadach w regionach arktycznych i pod dnem głębokiego oceanu. Choć wyglądają jak lód, hydraty metanu palą się po zapaleniu.
Wodorany metanu są najobfitszym niekonwencjonalnym źródłem gazu ziemnego, a także najtrudniejszym do wydobycia. Chociaż istnieje wiele niepewności co do całkowitej wielkości zasobów hydratów metanu, ostrożnie szacuje się, że są one 4000 razy większe niż ilość gazu ziemnego zużytego w Stanach Zjednoczonych w 2010 roku. Jednakże wyzwania techniczne związane z ekonomicznym wydobyciem tych zasobów są znaczące, a tylko niewielka część całkowitych zasobów występuje w wystarczająco wysokich stężeniach, aby można je było skutecznie wychwycić.
Istnieje również znaczne ryzyko, że rosnące temperatury związane z globalnym ociepleniem mogą zdestabilizować złoża hydratów metanu, uwalniając metan – silny gaz cieplarniany – do atmosfery i jeszcze bardziej zaostrzając problem.
Gaz biogeniczny
Niektóre rodzaje bakterii, znane jako metanogeny, mogą produkować metan, główny składnik gazu ziemnego, w procesie rozkładu materii organicznej w środowisku pozbawionym tlenu.
Ten rodzaj gazu nazywany jest „biogenicznym”, aby odróżnić go od „termogenicznego” lub kopalnego gazu produkowanego z materii organicznej zakopanej w skorupie ziemskiej w wysokich temperaturach i ciśnieniach. Właściwości metanu biogenicznego są identyczne z właściwościami metanu termogenicznego.
Obornik zwierzęcy, odpady żywnościowe i ścieki są potencjalnymi źródłami gazu biogenicznego lub biogazu, który jest zwykle uważany za formę energii odnawialnej.
Jedno z badań szacuje, że sam potencjał techniczny USA związany z obornikiem zwierzęcym mógłby zaspokoić 1 procent potrzeb energetycznych kraju i doprowadzić do 4 procent redukcji emisji gazów cieplarnianych w USA. Już teraz dziesiątki amerykańskich rolników, szczególnie na Środkowym Zachodzie, zainwestowało w beztlenowe komory fermentacyjne i generatory, aby produkować energię elektryczną i cieplną (oraz dodatkowe dochody gospodarstwa) z odpadów zwierzęcych. Produkcja biogazu na małą skalę jest dobrze rozwiniętą technologią w niektórych częściach rozwijającego się świata, szczególnie w Azji, gdzie rolnicy gromadzą odchody zwierzęce w kadziach i wychwytują metan wydzielany podczas ich rozkładu.
Składowiska odpadów są kolejnym niewykorzystanym źródłem biogazu. Kiedy odpady komunalne są zakopywane na wysypisku, bakterie rozkładają materiał organiczny zawarty w śmieciach, takich jak gazety, karton i odpady żywnościowe, wytwarzając gazy takie jak dwutlenek węgla i metan. Zamiast pozwalać tym gazom przedostawać się do atmosfery, gdzie przyczyniają się do globalnego ocieplenia, instalacje do produkcji gazu wysypiskowego mogą je wychwytywać, oddzielać metan i spalać go w celu wytworzenia energii elektrycznej, ciepła lub obu tych rodzajów energii.
Energy Information Administration. 2012. Roczny Przegląd Energetyki. Tabela 4.1 Technically Recoverable Crude Oil and Natural Gas Resource Estimates, 2009.
National Energy Technology Laboratory (NETL). 2009. Modern shale gas development in the United State: A Primer. Przygotowane przez Ground Water Protection Council i ALL Consulting.
Energy Information Administration. 2010. Shale Gas Proved Reserves as of Dec. 31.
Energy Information Administration. 2010. Coalbed Methane Proved Reserves as of Dec. 31.
United States Geological Survey. 2013. Gas Hydrates Primer.
Lawrence Livermore National Laboratory. 1999. Methane Hydrate: A Surprising Compound.
Cuellar, Amanda D. and Michael E. Webber. 2008. Cow power: the energy and emissions benefits of converting manure to biogas.
.