Um novo sistema baseado em espectroscopia de pente de frequência é projetado para monitorar continuamente os vazamentos de metano em áreas de produção de petróleo e gás. (a) O sistema mede a absorção de gás usando uma série de feixes de laser de longa distância (amarelo na ilustração inferior). Ele registra como as concentrações de gás mudaram ao longo do tempo (b) e, em seguida, usa modelos atmosféricos para calcular a localização do vazamento e sua taxa de emissão (c). Crédito:Sean Coburn, Universidade do Colorado em Boulder
Os pesquisadores conduziram os primeiros testes de campo para um novo sistema baseado em laser que pode localizar com precisão a localização de vazamentos muito pequenos de metano em uma área de vários quilômetros quadrados. A nova tecnologia poderia um dia ser usada para monitorar continuamente vazamentos de metano caros e perigosos em locais de produção de petróleo e gás.
Como principal componente do gás natural, o metano pode vazar durante a produção normal de petróleo e gás ou através de vazamentos desconhecidos na infraestrutura de produção. Esses vazamentos não só custam dinheiro às empresas de petróleo e gás, mas também contribuem para as mudanças climáticas e podem ser perigosos para as pessoas. Hoje, uma pessoa ou equipe deve viajar para locais diferentes para verificar se há vazamentos com uma câmera especial que é sensível ao metano em distâncias curtas. Essa abordagem é demorada e pode deixar de ver vazamentos de metano que são intermitentes por natureza.
"Nossa abordagem permite que as medições sejam autônomas, que permite o monitoramento contínuo de uma área, "disse o co-autor do estudo Sean Coburn, da Universidade do Colorado em Boulder. "Esta tecnologia pode desempenhar um papel significativo na redução das emissões de metano das atividades de produção, aliviando a tensão entre o desenvolvimento urbano e a produção de petróleo e gás e ajudando a evitar desastres como o vazamento de armazenamento de metano do Aliso Canyon em 2015, que liberou 90, 000 toneladas métricas de metano na atmosfera. "
No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, pesquisadores da Universidade do Colorado, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional (NOAA) mostraram que seu sistema pode detectar lentidão com exclusividade, vazamentos de metano de baixo volume a um quilômetro de distância em um ambiente externo. Eles demonstraram que o sistema pode detectar vazamentos com uma taxa de fluxo equivalente a apenas 25% da taxa de respiração em repouso de uma pessoa.
O método também pode ser usado para medir outros gases para fornecer novos insights sobre a poluição do ar.
"Nosso sistema é baseado em espectroscopia de laser de pente de frequência, que resultou do trabalho ganhador do prêmio Nobel de Jan Hall na Universidade do Colorado, "disse Coburn." Por causa dos avanços recentes, Pudemos retirar essa tecnologia do laboratório e usá-la em campo pela primeira vez. Combinar esta técnica de espectroscopia de precisão com novos métodos computacionais nos permitiu localizar fontes de metano e determinar taxas de emissão com sensibilidade e alcance incomparáveis. "
Esta cabeça óptica contém o sistema de lançamento de laser que lança luz laser para retrorefletores localizados a 1 quilômetro de distância. Ele é mostrado operando durante um teste realizado na Table Mountain Test Facility, no Colorado. Crédito:Sean Coburn, Universidade do Colorado em Boulder
Rápido, análise precisa
Metano e outros gases absorvem luz em comprimentos de onda infravermelhos específicos, criando um espectro de absorção que pode ser usado como uma impressão digital para detectar gases no ar. O novo sistema usa um feixe de laser de varredura com refletores discretos colocados ao redor do campo para determinar a quantidade de metano no ar que intercepta cada caminho do feixe. A comparação das medições de dois caminhos de feixe de laser mostra se um vazamento está presente na área entre os caminhos. A localização exata e o tamanho do vazamento são determinados usando métodos recentemente desenvolvidos que utilizam modelos atmosféricos que simulam como os gases estão se movendo pela área no momento da medição.
Um componente-chave do sistema é um laser pente de frequência, que emite centenas de milhares de comprimentos de onda infravermelhos, em vez do comprimento de onda emitido por lasers tradicionais. Usar este tipo de laser para espectroscopia permite medições rápidas em uma ampla faixa de comprimentos de onda com resolução muito alta, que se provou importante para distinguir gases que absorvem em comprimentos de onda semelhantes, como metano e água.
"A mudança na concentração de metano a favor do vento de um pequeno vazamento é quase a mesma que a mudança no metano devido à diluição pelo vapor de água que ocorre quando uma tempestade começa, "explicou Gregory Rieker, investigador principal do projeto de desenvolvimento de tecnologia de detecção de metano. "A espectroscopia do pente de frequência do laser nos permite, simultaneamente, e com precisão, medir o vapor de água e o metano. Isso nos permite corrigir a presença de água no ar, o que é crítico para detectar aumentos muito pequenos de metano em uma grande área. "
O sistema também calcula a concentração de metano de fundo, que pode mudar conforme o vento muda. Isso é crítico para distinguir um pequeno vazamento de uma mudança na concentração geral de metano no ar.
"Acredita-se que uma grande proporção das emissões de metano que contribuem para as emissões de gases de efeito estufa de petróleo e gás sejam de vazamentos intermitentes, "disse Caroline Alden, co-autor principal do estudo. "Para detectar e analisar continuamente esses tipos de vazamentos, desenvolvemos métodos computacionais que fornecem um histórico de como as emissões variam ao longo do tempo. "
Os pesquisadores usaram a espectroscopia de laser de pente de frequência para detectar gases atmosféricos no campo pela primeira vez. A ilustração mostra 'dentes' de dois lasers comb de frequência implantados em campo, interferindo um com o outro para sondar gases atmosféricos em grandes regiões. Crédito:Os pesquisadores usaram a espectroscopia de laser de pente de frequência para detectar gases atmosféricos no campo pela primeira vez. A ilustração mostra.
Medições externas de metano
Os pesquisadores demonstraram o sistema em uma série de testes projetados para simular cenários que poderiam ser enfrentados em um campo de petróleo e gás. Eles alojaram o laser de pente de frequência em um trailer móvel e geraram vários caminhos de feixe, cada um cobrindo cerca de um quilômetro até um refletor de baixo custo.
Para um experimento, os pesquisadores configuraram o sistema para quantificar um pequeno vazamento controlado a cerca de 1 km do trailer móvel e a 50 metros dos feixes de laser. Além de determinar quando o vazamento controlado estava ativo e como as taxas de emissão mudaram ao longo de 20 horas, os pesquisadores demonstraram medições de emissões tão baixas quanto 2 gramas por minuto.
Em outro teste, eles colocaram cinco vazamentos potenciais de metano em vários locais entre vários caminhos de feixe de laser. Os pesquisadores conseguiram identificar quais fontes estavam vazando e determinar as taxas de emissão desses vazamentos.
Além de continuar a refinar o sistema e testá-lo em vários cenários, os pesquisadores planejam trabalhar com parceiros da indústria para ver como o sistema funcionará em locais reais de produção de petróleo e gás. Trabalhando com a empresa spin-off Longpath Technologies, eles querem comercializar a tecnologia como um serviço de detecção para a indústria de óleo e gás.
