Methoden zur Überwachung von Methanemissionen im Vergleich

Beim Fördern und Verarbeiten von Erdöl, Erdgas und Kohle wird Methan freigesetzt. Vor allem bei Leckagen in Gasleitungen gelangt Methan in die Atmosphäre. Methan ist ein starkes Treibhausgas und trägt erheblich zur globalen Erwärmung bei. Obwohl es in der Atmosphäre weniger lange verweilt als Kohlendioxid, hat Methan über einen Zeitraum von zwanzig Jahren ein 86-mal höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid und ist laut einem Regelungsvorschlag der EU-Kommission von 2021 für rund ein Drittel der derzeitigen Klimaerwärmung verantwortlich. Deshalb werden fortschrittliche Technologien zur Überwachung und Reduzierung von Methanemissionen in der Zukunft eine zentrale Rolle spielen. Besonders die Technologien Satellitenüberwachung, Lidar und FTIR-Spektroskopie (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy) haben sich als wirksame Mittel zur Erfassung dieser potenziell schädlichen Emissionen erwiesen.

Überblick mit Satelliten

Satellitentechnologie dient zur großflächigen Überwachung. Die Satellitentechnologie ermöglicht es, Methanemissionen aus großer Entfernung zu überwachen und zu kartieren. Sie ermöglicht die globale Überwachung auch abgelegener Gebiete. Mithilfe von Satellitenbildern kann theoretisch jeder von zuhause aus Methanlecks ausfindig machen, so wie das Beispiel einer Doktorandin in Großbritannien zeigt: Als Emily Dowd zu Forschungszwecken Satellitenbilder zur Quantifizierung von Methanlecks untersuchte, bemerkte sie ein riesiges Methanleck. Mithilfe eines Dienstes zur Überwachung von Treibhausgasemissionen konnte sie das Leck genau zu einem bestimmten Abschnitt der Gasleitung zurückverfolgen und auch herausfinden zu welchem Unternehmen dieser Abschnitt gehört.

Der Nachteil der Satellitenüberwachung besteht darin, dass der Sichtbereich mit etwa 12 km2 nicht sehr groß ist. Somit eignet sich diese Technologie hervorragend für Standorte, an denen die Notwendigkeit einer Überwachung bekannt ist. Sie ist aber nicht kosteneffizient, wenn man versucht, Emissionen an unbekannten Orten zu finden. Ein weiterer Nachteil ist das Wetter. Wenn es bewölkt ist, wird es schwierig, Messwerte zu erhalten. Da die Satelliten die Erde umkreisen, sind die Wissenschaftler außerdem je nach Umlaufbahn auf periodische Messungen beschränkt. Dr. Aidan Farrow, Wissenschaftler bei Greenpeace Research Laboratories, weist auf den größten Nachteil der Satellitentechnologie hin: „Emissionen, die groß genug sind, um vom Weltraum aus entdeckt zu werden, sind nur ein kleiner Teil des Bildes – die meisten Emissionen sind nicht groß genug, um von Satelliten entdeckt zu werden und können daher nicht richtig quantifiziert werden.“ Die Nachweisgrenzen liegen bei > 50 – 100 kg/h.

Lidar zur Pipeline-Überwachung

Lidar (Light Detection and Ranging) dient vor allem zur Überwachung von Gasleitungen. Die Überwachung erfolgt aus der Luft, und so können auch kleine Methanlecks etwa entlang von Gasleitungen erkannt werden. Da große Teile von Gaspipelines durch Wälder und landwirtschaftliche Flächen verlaufen, sind sie für die Betreiber der Übertragungsnetze oft nur schwer zugänglich. Matthias Ulbricht, Gründer des Unternehmens Adlares, das Lecks aus der Luft aufspürt, erklärt: „Die Lidar-Technologie ist bei Weitem die genaueste und effizienteste Methode, um kleine Lecks aufzuspüren, die hauptsächlich durch das Eindringen Dritter verursacht werden – zum Beispiel durch Bagger.“ Allerdings ist der Kostenaufwand sehr hoch und eine spezialisierte Ausrüstung erforderlich.

In Zusammenarbeit mit Open Grid Europe (OGE), einem Übertragungsnetzbetreiber, der für 12.000 km Gaspipelines in Europa verantwortlich ist, hat Ulbricht das Gasdetektionssystem Charm entwickelt. Das System verwendet einen Hightech-Scanner, der, wenn er auf einem Hubschrauber montiert ist, den Kunden weitaus genauere Methanmessungen liefert, als jede Wärmebildkamera es könnte. Ulbricht erklärt, wie das System, das auch Ethylenlecks aufspüren kann, funktioniert: „Das Charm-System ist mit einem Hochleistungslaser ausgestattet, der zwei Laserpulse in Richtung Boden sendet. Die Laserpulse werden gestreut. Wenn kein Methan gefunden wird, ist das Signal beider Pulse gleich, wenn sie zum System zurückkehren. Wenn jedoch Methan gefunden wird, wird der erste Puls teilweise durch das Methan absorbiert, und wir erhalten ein viel schwächeres Signal als der zweite Laserpuls“.

Was die von Adlares und OGE entwickelte Technologielösung jedoch einzigartig macht, ist ihre Fähigkeit, zwischen Emissionen, die mit Pipelines zusammenhängen, und solchen, die nicht mit Pipelines zusammenhängen, zu unterscheiden. Dies wird durch das hochmoderne Daten-Nachverarbeitungssystem von Adlares und OGE ermöglicht. Da Pipelines oft direkt unter landwirtschaftlichen Nutzflächen mit großen Rinderbeständen verlaufen, ist die Fähigkeit, Methanlecks aus fossilen Brennstoffen und Lecks, die durch eine Herde verdauender Kühe entstehen, zu unterscheiden, absolut entscheidend.

Infrarot im Dauerbetrieb

FTIR-Spektroskopie eignet sich hervorragend für Anlagen, die eine automatisierte, permanente und präzise Überwachungslösung erfordern. René Braun, CEO des Unternehmens Grandperspective in Berlin, der den größten Teil seines Arbeitslebens der Entwicklung moderner Fernerkundungstechnologien gewidmet hat, erklärt: „Stellen Sie sich vor, Sie kombinieren eine superstarke Überwachungskamera, die einen Kilometer weit sehen kann, mit der analytischen Leistung eines Laborspektrometers. Das Spektrometer analysiert die Infrarotstrahlung, und so wie die Technologie zur Erkennung von Fingerabdrücken eine Person identifiziert, kann das Scanfeld-System die genaue Art und Menge von Chemikalien in der Luft aufdecken, egal ob es sich um Methan oder Hunderte anderer Gase handelt.“

Das System, das über 400 verschiedene Gase aufspüren und identifizieren kann, ist auch in der Lage, die chemische Zusammensetzung einer Gaswolke zu messen und deren Größe und Verteilung zu ermitteln. Die von Grandperspective bereitgestellte Technologie ermöglicht es, verschiedene Gase zu identifizieren und ihre Mengen genau zu bestimmen. Dr. Therese Keck, Lead Data Scientist des Unternehmens, fügt hinzu: „Dies ist ein ziemlicher Durchbruch, da unsere Software und unser Datenanalyseteam nun in der Lage sind, das Bild der Wolke mittels 5D-Bildgebung zu erfassen. Das bedeutet, dass wir den Ort eines potenziellen Lecks so genau lokalisieren können, dass wir genau wissen, wer gefährdet ist und wer nicht.“

Die Darstellung der Dynamik einer Gaswolke ist entscheidend für eine effektive Überwachung, um geeignete Maßnahmen zur Eindämmung von Leckagen zu ergreifen. Die gemessenen Spektren werden automatisch verarbeitet und die Analyseergebnisse den Nutzern in einer intuitiven Darstellung präsentiert. Diese Analyse kann unabhängig vom Wissen über den Ort der Gaswolke oder der Windverhältnisse durchgeführt werden, was eine automatische Überwachung eines größeren Bereichs in chemischen Anlagen ermöglicht.

Die FTIR-Technologie liefert zuverlässige Daten 365 Tage im Jahr, 24 Stunden täglich, unabhängig von Tageszeit und Wetterbedingungen. Die intuitive Anwendung erfordert dank der vollautomatischen Spektralanalyse nur einen minimalen Wartungsaufwand. Es bietet eine effektive Abdeckung großer Flächen mit nur wenigen Sensoreinheiten und macht es möglich, auch über die Grundstücksgrenzen hinaus zu überwachen. Dies verleiht den Anwendern eine größere Flexibilität und Kontrolle über ihre Anlagen. Nicht zuletzt können durch die präzise Leckagenerkennung Betriebsabläufe optimiert und teure Folgekosten vermieden werden. Peter Schmitz, HSEQ-Manager bei Fibrant im Chemelot Industrial Park, betont die Nützlichkeit der FTIR-Spektroskopie für kontinuierliche und präzise Messungen von Gasemissionen.

„Die spektrale Signatur von Methan erfordert fortschrittliche Detektionssysteme, die über traditionelle Methoden hinausgehen“, sagt Dr. Keck und hebt hervor: „Die Technologien sind nicht nur für die Überwachung, sondern auch für die Erfüllung strengerer Umweltvorschriften entscheidend.“ Während die FTIR-Spektroskopie-Sensoren ein äußerst effektives Mittel zum Aufspüren von Gaslecks am Boden sind, gibt es andere Anwendungsfälle, bei denen sie einfach nicht zum Tragen kommen würden. Ein Beispiel ist die Messung der Methanemissionen, die aus dem riesigen Gasleitungsnetz der Europäischen Union austreten. Hierfür eignet sich die Überwachung mit Lidar-Technologie aus der Luft. Die drei vorgestellten Methoden zur Methanüberwachung sind jedoch nicht nur zur alleinigen Anwendung vielversprechend: Dr. Jasmin Cooper vom Sustainable Gas Institute betont, dass die Kombination von FTIR-Spektroskopie und Lidar in Zukunft eine größere Rolle spielen könnte, da sie detailliertere Messungen ermöglicht als Satelliten.