Een set Google Street View-kaartauto's, speciaal uitgerust met geavanceerde methaananalysatoren, stellen onderzoekers van de Colorado State University in staat om onzichtbare methaanlekken van aardgasleidingen onder onze straten te "zien".

De technische en computationele uitdagingen van het meten van methaan, en de complexe methoden die worden gebruikt voor het verzamelen, analyseren en publiceren van de gegevens, worden gedetailleerd in een nieuw artikel in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie 22 maart.

Het baanbrekende project wordt geleid door Joe von Fischer, CSU universitair hoofddocent biologie, in samenwerking met het non-profit Environmental Defense Fund (EDF), en Google Earth Outreach. von Fischer's CSU co-auteurs omvatten onderzoekers uit de statistiek (Dan Cooley), atmosferische wetenschap (Russ Schumacher), en bodem- en gewaswetenschappen (Jay Ham), evenals experts van de University of Northern Colorado en het non-profit wetenschapscollectief Conservation Science Partners.

Gegevens van het project helpen nutsbedrijven, regelgevers en belangengroepen verminderen verspillende en milieubelastende lekken sneller en kosteneffectiever.

Behalve dat het het hoofdbestanddeel van aardgas is, methaan is ook een krachtig broeikasgas, met meer dan 80 keer het opwarmende vermogen van koolstofdioxide over een tijdsbestek van 20 jaar. Een groeiend bewustzijn van dit klimaatrisico heeft geleid tot nieuwe belangstelling voor het opsporen en verhelpen van kleine lekkages in de gehele aardgasvoorzieningsketen, inclusief lokale nutsvoorzieningen, waar veel kleine lekkages jarenlang kunnen aanhouden. Die behoefte heeft geleid tot een nieuw soort wetenschap.

"Dit is een enorme uitdaging waar bijna niemand aan had gedacht. Nu ontdekken we hoe wijdverbreid deze lekken zijn, " zei von Fischer. "Hoe sneller je ze repareert, hoe groter de milieuwinst. Maar nutsbedrijven en regelgevers hadden niet de gegevens om hun inspanningen te concentreren. Dat is waar we binnenkomen. Ons doel is om het sneller te maken, goedkoper en gemakkelijker om methaanlekken uit aardgasleidingen te vinden en te meten om cruciale reparaties te versnellen."

Voor het Google-project, von Fischer en collega's waren vooral enthousiast om methaanlekken uit de stedelijke gebieden van het land te identificeren en te kwantificeren, waar aardgasdistributiepijpleidingen enkele meters onder de grond liggen. Hun EDF Google Street View-project is een eerste in zijn soort, uitgebreide inventaris van methaanlekbronnen in steden. Het doel is om een ​​krachtig licht te laten schijnen op deze voorheen onzichtbare, moeilijk te definiëren probleem.

Een belangrijke motivatie van het project is om nutsbedrijven en overheden te helpen bij het prioriteren van lekreparaties op basis van de omvang van de emissies. De onderzoekers berekenen dat het oplossen van de grootste 8 procent van de lekken de methaanemissies van pijpleidingen met 30 procent zou verminderen. Het nutsbedrijf PSE&G uit New Jersey heeft voor bijna $ 1 miljard aan upgrades goedgekeurd die deels op basis van de gegevens van de CSU-onderzoekers zijn uitgevoerd.

De basistechnologie die het project tot bloei heeft gebracht, is een infraroodlaser-methaananalysator. Deze mobiele instrumenten, die tien jaar geleden nog niet eens bestond, kan pluimen van methaangas in realtime identificeren, zonder de noodzaak van een gaschromatografie-analyse in het laboratorium.

"De lucht bevat gassen waardoor het er mistig uitziet in het infraroodspectrum, " legde von Fischer uit. "De laser kan door kleuren van infrarood licht scannen en 'zien' hoeveel methaan er aanwezig is."

De kern van de inspanning is een reeks algoritmen en protocollen die zorgen voor een nauwkeurige boekhouding van methaanlekken, inclusief de grootte van de pluimen.

Voordat ze hun technologie in Street View-auto's gebruikten, de onderzoekers deden eerst voorlopige tests met onderzoeksvoertuigen die rond de campus en op het asfalt van het vliegveld Christman reden. Dit omvatte gecontroleerde lozingen van methaan in zowel open als stedelijke omgevingen.

Het project omvatte het ontwerpen van optimale routes voor de Google-chauffeurs, terwijl de interactie van de chauffeurs met de apparatuur passief en eenvoudig blijft. De onderzoekers hebben ook methoden ontwikkeld om fout-positieve metingen te screenen - bijvoorbeeld hoe het verschil te zien tussen een echt methaanlek, en een eigenzinnige aflezing van een stortplaats of een nabijgelegen elektriciteitsvoorziening.

Voor Von Fischer, een klassiek geschoolde ecosysteemecoloog, het project heeft hem als wetenschapper uitgerekt en interacties met een duizelingwekkend scala aan disciplines gekatalyseerd. "Ik praat regelmatig met advocaten, mensen uit de industrie, statistici, computer wetenschappers, atmosferische fysici, Google .... dit is slechts een deel van mijn leven nu, " hij zei.

Momenteel, er zijn vier Google Street View-auto's in verschillende steden met de CSU-methaananalysatoren, terwijl het werk van von Fischer en collega's doorgaat. De chauffeurs krijgen de opdracht om alle wegen in een vooraf bepaald gebied te rijden om lekgegevens vast te leggen die de CSU-onderzoekers downloaden, analyseren, en uploaden naar een openbare website die wordt gehost door EDF.

Om het hoofd te bieden aan de enorme datastromen die het project produceert - ongeveer 2, 000 datapunten per minuut - CSU computerwetenschappelijk onderzoeker Sangmi Pallickara creëert een cloudgebaseerd platform voor het beheren, gegevens opslaan en presenteren.

Tot dusver, de CSU-methaananalysatoren hebben lekkaarten van Boston geleverd; Burlington, Vermont; Chicago, Dallas, Indianapolis, Jacksonville, Los Angeles, Mesa, Arizona; Pittsburg; Stateneiland, New York; en Syracuse, New York.

Onder andere, dat hebben ze gemeld, gemiddeld, Boston, Staten Island en Syracuse - steden met oude, corrosiegevoelige distributielijnen - hadden lekken waarbij 25 keer meer methaan per kilometer weg vrijkwam (2 liter methaan per minuut per kilometer) dan Burlington en Indianapolis (0,08 liter methaan per minuut per kilometer).