Onderzoekers hebben de eerste veldtests uitgevoerd voor een nieuw lasergebaseerd systeem dat de locatie van zeer kleine methaanlekken over een gebied van enkele vierkante mijlen kan lokaliseren. De nieuwe technologie zou ooit kunnen worden gebruikt om continu te controleren op dure en gevaarlijke methaanlekken bij olie- en gasproductielocaties.

Als hoofdbestanddeel van aardgas, methaan kan lekken tijdens normale olie- en gasproductie of door onbekende lekken in productie-infrastructuur. Deze lekken kosten olie- en gasbedrijven niet alleen geld, maar dragen ook bij aan klimaatverandering en kunnen gevaarlijk zijn voor mensen. Vandaag, een persoon of team moet naar verschillende locaties reizen om te controleren op lekken met een speciale camera die op korte afstand gevoelig is voor methaan. Deze aanpak is tijdrovend en kan methaanlekken missen die intermitterend van aard zijn.

"Onze aanpak maakt het mogelijk om autonoom te meten, die een continue monitoring van een gebied mogelijk maakt, " zei co-hoofdauteur van de studie Sean Coburn, van de Universiteit van Colorado in Boulder. "Deze technologie zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het verminderen van de methaanemissies van productieactiviteiten, het verminderen van de spanning tussen stedelijke ontwikkeling en de olie- en gasproductie en het helpen voorkomen van rampen zoals het 2015 Aliso Canyon-methaanopslaglek dat 90 vrijliet, 000 ton methaan de atmosfeer in."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers van de Universiteit van Colorado, het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) hebben aangetoond dat hun systeem op unieke wijze langzame, laag volume methaan lekt van een kilometer afstand in een buitenomgeving. Ze toonden aan dat het systeem lekken kan detecteren met een stroomsnelheid die overeenkomt met slechts 25 procent van de ademhalingsfrequentie in rust.

De methode zou ook kunnen worden gebruikt om andere gassen te meten om nieuwe inzichten in luchtverontreiniging te krijgen.

"Ons systeem is gebaseerd op frequentiekamlaserspectroscopie, die voortkwam uit het Nobelprijswinnende werk van Jan Hall aan de Universiteit van Colorado, " zei Coburn. "Vanwege de recente ontwikkelingen, we waren in staat om deze technologie uit het lab te halen en voor het eerst in het veld te gebruiken. Door deze precisiespectroscopietechniek te combineren met nieuwe rekenmethoden konden we methaanbronnen lokaliseren en emissiesnelheden bepalen met een ongeëvenaarde gevoeligheid en bereik."

Snel, nauwkeurige analyse

Methaan en andere gassen absorberen licht op specifieke infrarode golflengten, het creëren van een absorptiespectrum dat kan worden gebruikt als een vingerafdruk om gassen in de lucht te detecteren. Het nieuwe systeem maakt gebruik van een scannende laserstraal met discrete reflectoren die rond het veld zijn geplaatst om de hoeveelheid methaan in de lucht te bepalen die elk straalpad snijdt. Door metingen van twee laserstraalpaden te vergelijken, kun je zien of er een lek is in het gebied tussen de paden. De exacte locatie en grootte van het lek wordt bepaald met behulp van nieuw ontwikkelde methoden die gebruikmaken van atmosferische modellen die simuleren hoe gassen zich door het gebied bewegen op het moment van de meting.

Een belangrijk onderdeel van het systeem is een frequentiekamlaser, die honderdduizenden infrarode golflengten uitzendt, in plaats van de ene golflengte die wordt uitgezonden door traditionele lasers. Het gebruik van dit type laser voor spectroscopie maakt snelle metingen mogelijk over een breed scala aan golflengten met een zeer hoge resolutie, die belangrijk bleek voor het onderscheiden van gassen die absorberen bij vergelijkbare golflengten zoals methaan en water.

"De verandering in methaanconcentratie benedenwinds van een klein lek is ongeveer hetzelfde als de verandering in methaan als gevolg van verdunning door waterdamp die optreedt wanneer een regenbui begint, " legde Gregory Rieker uit, hoofdonderzoeker van het ontwikkelingsproject voor methaandetectietechnologie. "Laserfrequentiekamspectroscopie stelt ons in staat om gelijktijdig, en nauwkeurig, meet waterdamp en methaan. Hiermee kunnen we corrigeren voor water in de lucht, wat van cruciaal belang is voor het detecteren van zeer kleine toenames van methaan over een groot gebied."

Het systeem berekent ook de achtergrondmethaanconcentratie, die kan veranderen als de wind draait. Dit is van cruciaal belang om een ​​klein lek te onderscheiden van een verandering in de totale methaanconcentratie in de lucht.

"Een groot deel van de methaanemissies die bijdragen aan de uitstoot van broeikasgassen door olie en gas wordt veroorzaakt door intermitterende lekken, " zei Caroline Alden, co-hoofdauteur van het onderzoek. "Om dit soort lekken continu op te sporen en te analyseren, we hebben computationele methoden ontwikkeld die een geschiedenis bieden van hoe emissies in de loop van de tijd variëren."

Methaanmetingen buiten

De onderzoekers demonstreerden het systeem in een reeks tests die waren ontworpen om scenario's na te bootsen die zouden kunnen optreden in een olie- en gasveld. Ze plaatsten de frequentiekamlaser in een mobiele trailer en genereerden meerdere bundelpaden die elk ongeveer een kilometer besloegen naar een goedkope reflector.

Voor een experiment, de onderzoekers hebben het systeem geconfigureerd om een ​​klein gecontroleerd lek te kwantificeren op ongeveer 1 kilometer van de mobiele trailer en 50 meter van de laserstralen. Naast het bepalen wanneer het gecontroleerde lek actief was en hoe de emissiesnelheden veranderden gedurende 20 uur, de onderzoekers toonden metingen van emissies zo laag als 2 gram per minuut.

Bij een andere proef ze plaatsten vijf potentiële methaanlekken op verschillende locaties tussen meerdere laserstraalpaden. De onderzoekers konden vaststellen welke bronnen lekten en de emissiesnelheden van die lekken bepalen.

Naast het verder verfijnen van het systeem en het testen in verschillende scenario's, de onderzoekers zijn van plan samen te werken met industriële partners om te zien hoe het systeem zal presteren op daadwerkelijke olie- en gasproductielocaties. Werken met spin-off bedrijf Longpath Technologies, ze willen de technologie commercialiseren als detectiedienst voor de olie- en gasindustrie.