Un nuovo sistema basato sulla spettroscopia a pettine di frequenza è progettato per monitorare continuamente le perdite di metano nelle aree di produzione di petrolio e gas. (a) Il sistema misura l'assorbimento di gas utilizzando una serie di raggi laser a lunga distanza (giallo nell'illustrazione in basso). Registra come le concentrazioni di gas sono cambiate nel tempo (b) e quindi utilizza modelli atmosferici per calcolare la posizione della perdita e il suo tasso di emissione (c). Credito:Sean Coburn, Università del Colorado a Boulder
I ricercatori hanno condotto i primi test sul campo per un nuovo sistema basato su laser in grado di individuare la posizione di perdite di metano molto piccole su un'area di diverse miglia quadrate. La nuova tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per monitorare continuamente perdite di metano costose e pericolose nei siti di produzione di petrolio e gas.
Come componente primario del gas naturale, il metano può fuoriuscire durante la normale produzione di petrolio e gas o attraverso perdite sconosciute nelle infrastrutture di produzione. Queste perdite non solo costano denaro alle compagnie petrolifere e del gas, ma contribuiscono anche al cambiamento climatico e possono essere pericolose per le persone. Oggi, una persona o un team deve recarsi in diversi siti per verificare la presenza di perdite con una telecamera speciale sensibile al metano a distanza ravvicinata. Questo approccio richiede tempo e potrebbe non rilevare perdite di metano di natura intermittente.
"Il nostro approccio consente alle misurazioni di essere autonome, che consente il monitoraggio continuo di un territorio, ", ha affermato il co-autore principale dello studio Sean Coburn, dell'Università del Colorado a Boulder. "Questa tecnologia potrebbe giocare un ruolo significativo nella riduzione delle emissioni di metano dalle attività produttive, allentando la tensione tra lo sviluppo urbano e la produzione di petrolio e gas e aiutando a evitare disastri come la perdita di stoccaggio del metano di Aliso Canyon del 2015 che ha rilasciato 90, 000 tonnellate di metano nell'atmosfera".
In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ricercatori dell'Università del Colorado, il National Institute of Standards and Technology (NIST) e la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) hanno dimostrato che il loro sistema può rilevare in modo univoco lenti, perdite di metano a basso volume da un chilometro di distanza in un ambiente esterno. Hanno dimostrato che il sistema è in grado di rilevare perdite con una portata equivalente solo al 25% della frequenza respiratoria a riposo di una persona.
Il metodo potrebbe essere utilizzato anche per misurare altri gas per fornire nuove informazioni sull'inquinamento atmosferico.
"Il nostro sistema si basa sulla spettroscopia laser a pettine di frequenza, che derivava dal lavoro vincitore del premio Nobel di Jan Hall presso l'Università del Colorado, " disse Coburn. "A causa dei recenti progressi, siamo stati in grado di portare questa tecnologia fuori dal laboratorio e usarla sul campo per la prima volta. La combinazione di questa tecnica di spettroscopia di precisione con nuovi metodi computazionali ci ha permesso di individuare le fonti di metano e determinare i tassi di emissione con una sensibilità e una portata senza precedenti".
Questa testa ottica contiene il sistema di lancio laser che lancia la luce laser verso i retroriflettori situati a 1 chilometro di distanza. Viene mostrato in funzione durante un test condotto presso la Table Mountain Test Facility in Colorado. Credito:Sean Coburn, Università del Colorado a Boulder
Veloce, analisi precisa
Il metano e altri gas assorbono la luce a specifiche lunghezze d'onda infrarosse, creando uno spettro di assorbimento che può essere utilizzato come un'impronta digitale per rilevare i gas nell'aria. Il nuovo sistema utilizza un raggio laser a scansione con riflettori discreti posizionati attorno al campo per determinare la quantità di metano nell'aria che interseca ciascun percorso del raggio. Il confronto delle misurazioni di due percorsi del raggio laser mostra se è presente una perdita nell'area tra i percorsi. La posizione esatta e le dimensioni della perdita vengono determinate utilizzando metodi di nuova concezione che utilizzano modelli atmosferici che simulano il movimento dei gas nell'area al momento della misurazione.
Un componente chiave del sistema è un laser a pettine di frequenza, che emette centinaia di migliaia di lunghezze d'onda infrarosse, piuttosto che l'unica lunghezza d'onda emessa dai laser tradizionali. L'utilizzo di questo tipo di laser per la spettroscopia consente misurazioni rapide su un'ampia gamma di lunghezze d'onda con una risoluzione molto elevata, che si è rivelato importante per distinguere i gas che assorbono a lunghezze d'onda simili come metano e acqua.
"La variazione della concentrazione di metano sottovento da una piccola perdita è circa la stessa della variazione di metano dovuta alla diluizione del vapore acqueo che si verifica quando inizia un temporale, " ha spiegato Gregory Rieker, investigatore principale del progetto di sviluppo della tecnologia di rilevamento del metano. "La spettroscopia a pettine di frequenza laser ci consente di simultaneamente, e con precisione, misurare il vapore acqueo e il metano. Questo ci permette di correggere l'acqua nell'aria, che è fondamentale per rilevare aumenti molto piccoli di metano su una vasta area".
Il sistema calcola anche la concentrazione di metano di fondo, che può cambiare al variare del vento. Questo è fondamentale per distinguere una minuscola perdita da un cambiamento nella concentrazione complessiva di metano nell'aria.
"Si ritiene che gran parte delle emissioni di metano che contribuiscono alle emissioni di gas serra da petrolio e gas provengano da perdite intermittenti, " ha detto Caroline Alden, co-autore principale dello studio. "Per rilevare e analizzare continuamente questo tipo di perdite, abbiamo sviluppato metodi computazionali che forniscono una cronologia di come le emissioni variano nel tempo".
I ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia laser a pettine di frequenza per rilevare per la prima volta i gas atmosferici sul campo. L'illustrazione mostra i "denti" di due laser a pettine di frequenza distribuiti sul campo che interferiscono l'uno con l'altro per sondare i gas atmosferici in vaste regioni. Credito:i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia laser a pettine di frequenza per rilevare per la prima volta i gas atmosferici sul campo. L'illustrazione mostra.
Misure metano outdoor
I ricercatori hanno dimostrato il sistema in una serie di test progettati per simulare scenari che potrebbero essere affrontati in un giacimento di petrolio e gas. Hanno alloggiato il laser a pettine di frequenza in un rimorchio mobile e hanno generato più percorsi del raggio che coprivano ciascuno circa un chilometro fino a un riflettore a basso costo.
Per un esperimento, i ricercatori hanno configurato il sistema per quantificare una piccola perdita controllata a circa 1 chilometro dal rimorchio mobile ea 50 metri dai raggi laser. Oltre a determinare quando la perdita controllata era attiva e come i tassi di emissione sono cambiati in 20 ore, i ricercatori hanno dimostrato misurazioni di emissioni a partire da 2 grammi al minuto.
In un'altra prova, hanno posizionato cinque potenziali perdite di metano in varie posizioni tra più percorsi del raggio laser. I ricercatori sono stati in grado di individuare quali fonti perdevano e determinare i tassi di emissione di tali perdite.
Oltre a continuare a perfezionare il sistema e a testarlo in vari scenari, i ricercatori hanno in programma di lavorare con i partner del settore per vedere come funzionerà il sistema negli attuali siti di produzione di petrolio e gas. Lavorare con la società spin-off Longpath Technologies, vogliono commercializzare la tecnologia come servizio di rilevamento per l'industria petrolifera e del gas.
