Ett nytt system baserat på frekvenskammspektroskopi är utformat för att kontinuerligt övervaka metanläckage i områden med olje- och gasproduktion. (a) Systemet mäter gasabsorption med hjälp av en rad laserstrålar över långa avstånd (gul i bilden nedan). Den registrerar hur gaskoncentrationer har förändrats över tiden (b) och använder sedan atmosfäriska modeller för att beräkna läckans plats och dess utsläppshastighet (c). Upphovsman:Sean Coburn, University of Colorado i Boulder
Forskare har genomfört de första fälttesterna för ett nytt laserbaserat system som kan identifiera platsen för mycket små metanläckor över ett område på flera kvadratkilometer. Den nya tekniken kan en dag användas för att kontinuerligt övervaka om det finns dyra och farliga metanläckor på olje- och gasproduktionsanläggningar.
Som en huvudkomponent i naturgas, metan kan läcka under normal olje- och gasproduktion eller genom okända läckor i produktionsinfrastrukturen. Dessa läckor kostar inte bara olje- och gasföretag pengar utan bidrar också till klimatförändringar och kan vara farliga för människor. I dag, en person eller ett team måste resa till olika platser för att leta efter läckor med en speciell kamera som är känslig för metan på nära avstånd. Detta tillvägagångssätt är tidskrävande och kan missa metanläckor som är intermittenta i naturen.
"Vår strategi gör att mätningar kan vara autonoma, vilket möjliggör kontinuerlig övervakning av ett område, "sa medledande författare till studien Sean Coburn, från University of Colorado i Boulder. "Denna teknik kan spela en betydande roll för att minska metanutsläpp från produktionsaktiviteter, lätta spänningen mellan stadsutveckling och olje- och gasproduktion och hjälpa till att undvika katastrofer som Aliso Canyon metanlagring i Aliso Canyon 2015 som släppte 90, 000 ton metan in i atmosfären. "
I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskare från University of Colorado, National Institute of Standards and Technology (NIST) och National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) visade att deras system unikt kan upptäcka långsamma, lågvolymmetan läcker från en kilometer bort i utomhusmiljö. De visade att systemet kan upptäcka läckor med en flödeshastighet motsvarande bara 25 procent av en persons vilande andningshastighet.
Metoden kan också användas för att mäta andra gaser för att ge nya insikter om luftföroreningar.
"Vårt system är baserat på frekvenskamlaserspektroskopi, som härstammar från det nobelprisvinnande arbetet av Jan Hall vid University of Colorado, "sa Coburn." På grund av de senaste framstegen, vi kunde ta ut denna teknik från labbet och använda den på fältet för första gången. Genom att kombinera denna precisionsspektroskopiteknik med nya beräkningsmetoder kunde vi hitta metankällor och bestämma utsläppshastigheter med oöverträffad känslighet och intervall. "
Detta optiska huvud håller lasersystemet som lanserar laserljus ut till retroreflektorer som ligger 1 kilometer bort. Det visas under ett test utfört vid Table Mountain Test Facility i Colorado. Upphovsman:Sean Coburn, University of Colorado i Boulder
Snabb, exakt analys
Metan och andra gaser absorberar ljus vid specifika infraröda våglängder, skapa ett absorptionsspektrum som kan användas som ett fingeravtryck för att upptäcka gaser i luften. Det nya systemet använder en scanningslaserstråle med diskreta reflektorer placerade runt fältet för att bestämma mängden metan i luft som skär varje strålväg. Jämförelse av mätningar från två laserstrålbanor visar om det finns en läcka i området mellan banorna. Läckans exakta plats och storlek bestäms med nyutvecklade metoder som använder atmosfäriska modeller som simulerar hur gaser rör sig över området vid mätningen.
En nyckelkomponent i systemet är en frekvenskammlaser, som avger hundratusentals infraröda våglängder, snarare än den ena våglängden som avges av traditionella lasrar. Att använda denna typ av laser för spektroskopi möjliggör snabba mätningar över ett brett spektrum av våglängder med mycket hög upplösning, vilket visade sig vara viktigt för att skilja gaser som absorberar vid liknande våglängder som metan och vatten.
"Förändringen av metankoncentrationen nedåt från ett litet läckage är ungefär detsamma som metanförändringen på grund av utspädning med vattenånga som uppstår när en regnskur startar, "förklarade Gregory Rieker, huvudutredare på metanavkänningsteknikutvecklingsprojektet. "Laserfrekvenskammspektroskopi gör att vi samtidigt, och exakt, mäta vattenånga och metan. Detta låter oss korrigera för vatten i luften, vilket är avgörande för att upptäcka mycket små ökningar av metan över ett stort område. "
Systemet beräknar också metankoncentrationen i bakgrunden, som kan förändras när vinden skiftar. Detta är avgörande för att skilja en liten läcka från en förändring av den totala metankoncentrationen i luften.
"En stor andel av metanutsläppen som bidrar till utsläpp av växthusgaser från olja och gas antas bero på intermittenta läckage, "sa Caroline Alden, medförfattare till studien. "För att kontinuerligt upptäcka och analysera dessa typer av läckor, vi utvecklade beräkningsmetoder som ger en historia om hur utsläppen varierar över tiden. "
Forskare har använt frekvenskamlaserspektroskopi för att upptäcka atmosfäriska gaser i fältet för första gången. Bilden visar "tänder" från två fältutplacerade frekvenskammlasrar som stör varandra för att avkänna atmosfäriska gaser över stora områden. Kredit:Forskare har använt frekvenskammlaserspektroskopi för att upptäcka atmosfäriska gaser i fältet för första gången. Illustrationen visar.
Metanmätningar utomhus
Forskarna demonstrerade systemet i en serie tester som är utformade för att efterlikna scenarier som kan möta i ett olje- och gasfält. De rymde frekvenskammlasern i en mobil släpvagn och genererade flera strålvägar som var och en täckte cirka en kilometer till en lågkostnadsreflektor.
För ett experiment, forskarna konfigurerade systemet för att kvantifiera en liten kontrollerad läcka cirka 1 kilometer från den mobila släpvagnen och 50 meter från laserstrålarna. Förutom att bestämma när den kontrollerade läckan var aktiv och hur utsläppshastigheterna förändrades under 20 timmar, forskarna visade mätningar av utsläpp så låga som 2 gram per minut.
I ett annat test, de placerade fem potentiella metanläckor på olika platser mellan flera laserstrålebanor. Forskarna kunde identifiera vilka källor som läckte och bestämma utsläppshastigheten för dessa läckor.
Förutom att fortsätta förfina systemet och testa det i olika scenarier, forskarna planerar att arbeta med branschpartner för att se hur systemet kommer att fungera på verkliga olje- och gasproduktionsanläggningar. Arbetar med avknoppningsföretaget Longpath Technologies, de vill kommersialisera tekniken som en detekteringstjänst för olje- och gasindustrin.
