Un nuevo sistema basado en espectroscopía de peine de frecuencia está diseñado para monitorear continuamente las fugas de metano en áreas de producción de petróleo y gas. (a) El sistema mide la absorción de gas mediante una serie de rayos láser de larga distancia (amarillo en la ilustración inferior). Registra cómo han cambiado las concentraciones de gas a lo largo del tiempo (b) y luego utiliza modelos atmosféricos para calcular la ubicación de la fuga y su tasa de emisión (c). Crédito:Sean Coburn, Universidad de Colorado en Boulder
Los investigadores han realizado las primeras pruebas de campo para un nuevo sistema basado en láser que puede identificar la ubicación de fugas de metano muy pequeñas en un área de varias millas cuadradas. La nueva tecnología podría usarse algún día para monitorear continuamente las costosas y peligrosas fugas de metano en los sitios de producción de petróleo y gas.
Como componente principal del gas natural, El metano puede tener fugas durante la producción normal de petróleo y gas oa través de fugas desconocidas en la infraestructura de producción. Estas fugas no solo cuestan dinero a las compañías de petróleo y gas, sino que también contribuyen al cambio climático y pueden ser peligrosas para las personas. Hoy dia, una persona o un equipo debe viajar a diferentes sitios para verificar si hay fugas con una cámara especial que es sensible al metano a distancias cortas. Este enfoque lleva mucho tiempo y podría pasar por alto las fugas de metano que son de naturaleza intermitente.
"Nuestro enfoque permite que las mediciones sean autónomas, que permite el seguimiento continuo de un área, "dijo el coautor principal del estudio Sean Coburn, de la Universidad de Colorado en Boulder. "Esta tecnología podría desempeñar un papel importante en la reducción de las emisiones de metano de las actividades de producción, aliviar la tensión entre el desarrollo urbano y la producción de petróleo y gas y ayudar a evitar desastres como la fuga de almacenamiento de metano de Aliso Canyon en 2015 que liberó 90, 000 toneladas métricas de metano a la atmósfera ".
En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, investigadores de la Universidad de Colorado, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) demostraron que su sistema puede detectar de manera única lentos, Fugas de metano de bajo volumen a un kilómetro de distancia en un entorno al aire libre. Demostraron que el sistema puede detectar fugas con una tasa de flujo equivalente a solo el 25 por ciento de la frecuencia respiratoria en reposo de una persona.
El método también podría usarse para medir otros gases para proporcionar nuevos conocimientos sobre la contaminación del aire.
"Nuestro sistema se basa en espectroscopía láser de peine de frecuencia, que surgió del trabajo ganador del premio Nobel de Jan Hall en la Universidad de Colorado, ", dijo Coburn." Debido a los avances recientes, pudimos sacar esta tecnología del laboratorio y usarla en el campo por primera vez. La combinación de esta técnica de espectroscopia de precisión con nuevos métodos computacionales nos permitió identificar las fuentes de metano y determinar las tasas de emisión con una sensibilidad y un rango incomparables ".
Este cabezal óptico sostiene el sistema de lanzamiento láser que lanza luz láser a los retrorreflectores ubicados a 1 kilómetro de distancia. Se muestra funcionando durante una prueba realizada en las instalaciones de pruebas de Table Mountain en Colorado. Crédito:Sean Coburn, Universidad de Colorado en Boulder
Rápido, análisis preciso
El metano y otros gases absorben luz en longitudes de onda infrarrojas específicas, creando un espectro de absorción que se puede utilizar como una huella digital para detectar gases en el aire. El nuevo sistema utiliza un rayo láser de escaneo con reflectores discretos colocados alrededor del campo para determinar la cantidad de metano en el aire que se cruza con cada trayectoria del rayo. La comparación de las mediciones de dos trayectorias de rayos láser muestra si hay una fuga en el área entre las trayectorias. La ubicación exacta y el tamaño de la fuga se determinan mediante métodos recientemente desarrollados que utilizan modelos atmosféricos que simulan cómo se mueven los gases a través del área en el momento de la medición.
Un componente clave del sistema es un láser de peine de frecuencia, que emite cientos de miles de longitudes de onda infrarrojas, en lugar de la única longitud de onda emitida por los láseres tradicionales. El uso de este tipo de láser para espectroscopía permite realizar mediciones rápidas en una amplia gama de longitudes de onda con una resolución muy alta. que resultó importante para distinguir los gases que absorben en longitudes de onda similares, como el metano y el agua.
"El cambio en la concentración de metano a sotavento de una pequeña fuga es aproximadamente el mismo que el cambio en el metano debido a la dilución por el vapor de agua que ocurre cuando comienza una tormenta, "explicó Gregory Rieker, investigador principal del proyecto de desarrollo de tecnología de detección de metano. "La espectroscopia de peine de frecuencia láser nos permite, simultáneamente, y con precisión, mida el vapor de agua y el metano. Esto nos permite corregir el agua en el aire, que es fundamental para detectar aumentos muy pequeños de metano en un área grande ".
El sistema también calcula la concentración de metano de fondo, que puede cambiar a medida que cambia el viento. Esto es fundamental para distinguir una pequeña fuga de un cambio en la concentración general de metano en el aire.
"Se cree que una gran proporción de las emisiones de metano que contribuyen a las emisiones de gases de efecto invernadero del petróleo y el gas provienen de fugas intermitentes, "dijo Caroline Alden, coautor principal del estudio. "Para detectar y analizar este tipo de fugas de forma continua, desarrollamos métodos computacionales que proporcionan un historial de cómo las emisiones varían con el tiempo ".
Los investigadores han utilizado la espectroscopia láser de peine de frecuencia para detectar gases atmosféricos en el campo por primera vez. La ilustración muestra 'dientes' de dos láseres de peine de frecuencia desplegados en campo que interfieren entre sí para sondear gases atmosféricos en grandes regiones. Crédito:Los investigadores han utilizado por primera vez la espectroscopia láser de peine de frecuencia para detectar gases atmosféricos en el campo. La ilustración muestra.
Mediciones de metano al aire libre
Los investigadores demostraron el sistema en una serie de pruebas diseñadas para imitar escenarios que podrían enfrentarse en un campo de petróleo y gas. Alojaron el láser de peine de frecuencia en un remolque móvil y generaron múltiples trayectorias de haz que cubrieron aproximadamente un kilómetro hasta un reflector de bajo costo.
Para un experimento, los investigadores configuraron el sistema para cuantificar una pequeña fuga controlada a aproximadamente 1 kilómetro del remolque móvil ya 50 metros de los rayos láser. Además de determinar cuándo estaba activa la fuga controlada y cómo cambiaron las tasas de emisión durante 20 horas, los investigadores demostraron mediciones de emisiones tan bajas como 2 gramos por minuto.
En otra prueba, colocaron cinco posibles fugas de metano en varios lugares entre múltiples trayectorias de rayos láser. Los investigadores pudieron identificar qué fuentes tenían fugas y determinar las tasas de emisión de esas fugas.
Además de seguir perfeccionando el sistema y probarlo en varios escenarios, los investigadores planean trabajar con socios de la industria para ver cómo funcionará el sistema en los sitios reales de producción de petróleo y gas. Trabajando con la empresa derivada Longpath Technologies, quieren comercializar la tecnología como un servicio de detección para la industria del petróleo y el gas.
