一波新的激光和航空成像技术能减少甲烷排放吗?

这篇文章最早出现在耶鲁环境360上。

沿着普拉特维尔以南的28号县道行驶，随处可见科罗拉多州石油和天然气繁荣的迹象。储罐和井口分布在地平线上。一捆捆的管道坐在路边，等着变成管道。钻井平台隐约出现在巨大的棕色临时隔音屏障后面，距离家庭和企业仅一步之遥。

这个基础设施不可能被忽视，但是从它泄露出来的甲烷却很难被探测到。这就是为什么Greg Rieker和他的同事在一个寒冷、阳光普照的早晨来到丹佛-朱尔斯堡盆地——美国水力压裂的热点之一——中央，对他们的频率梳激光进行了精细的调整。

Rieker站在一辆装着这台价值15万美元设备的小拖车上，指着半英里外的一个井台，越过一片草地。他说:“我们已经使用这个系统在大约5平方米的区域内精确定位泄漏。”“这是一个问题，当泄漏开始时，看到它们，并适当地判断它们的大小，这样我们就可以提醒操作员有问题了。那里有两万口油井。这是一种科罗拉多种植的解决方案，使用科罗拉多的技术。”

Rieker是科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的机械工程教授，同时也是LongPath Technologies的首席技术官。LongPath Technologies是一家初创公司，旨在为石油和天然气公司提供一种检测作业中甲烷泄漏的新方法。他是越来越多的科学家和企业家中的一员，他们致力于开发和部署新技术，以解决化石燃料供应链中日益严重的甲烷泄漏问题。

展望未来，天然气工业的致命弱点是甲烷排放。

在美国，石油和天然气工业的挥发性排放每年的总量估计为1300万公吨，收入损失达20亿元;从全球来看，泄漏天然气的价值是300亿美元．

甲烷是造成气候变化的一个重要因素，在20年的时间里，它吸收的热量是二氧化碳的86倍。迄今为止，它造成了大约四分之一的大气变暖，但它在大气中只持续了大约十年，使减少甲烷排放成为气候行动的一个相对快速的杠杆。

气候影响是奥巴马总统领导下的美国环境保护署(Environmental Protection Agency)在2016年发布的一项规定的主要原因，该规定对新的和经过改造的石油和天然气来源的甲烷排放设定了限制，并要求运营商监控和修复泄漏设备。今年8月，特朗普总统的环境保护署宣布了一项替代规则，将放弃这些要求，有效地让企业从定期监测和堵漏甲烷的义务中解放出来。

英国石油公司(BP)、埃克森美孚(ExxonMobil)和壳牌(Shell)等石油和天然气巨头反对最近的倒退，并承诺继续采取自愿措施减少自己的甲烷排放。在这些承诺的背后，人们担心如果不解决这些泄漏问题，将破坏天然气作为“清洁”燃料的行业宣传，并在未来招致更严格的限制。

一项研究发表在科学据估计，去年美国石油和天然气的甲烷排放总量比EPA的库存高出60%，相当于天然气生产中泄漏到大气中的2.3%。行业专家表示，如果公司真的想要阻止这些泄漏，就迫切需要将新的监测技术纳入到它们的大规模作业中，从井口到管道，从压缩站到存储设施。“展望未来，天然气行业的致命弱点是甲烷排放，”国际能源署(International Energy Agency)执行主任法提赫比罗尔(Fatih Birol)今年9月在美国石油学会(American Petroleum Institute)的一个论坛上说。

Rieker认为，与目前的行业标准相比，基于激光的系统能够更有效、更经济地捕捉泄漏。目前的行业标准需要使用价值10万美元的红外摄像机，每年对井台的阀门、储罐、分离器和压缩机进行几次随机扫描。摄像头检测泄漏的能力在很大程度上取决于天气条件和操作人员的技能;它也只在时间上收集单个快照的数据，不显示泄漏的大小。与此同时，Rieker的频率梳激光连续扫描平原数周甚至数月，寻找并统计出错误的甲烷分子。

其他几十位企业家也在努力寻找检测逸散排放的新方法，方法是让设备自动化、更便宜、更精确、更能捕捉大泄漏——或者是以上所有。这些新颖的解决方案中有许多来自科罗拉多州东北部的实验室和办公园区。随着华盛顿逐渐退出甲烷监测，该州的Front Range已成为事实上的甲烷侦探之都。

寻找线索

部分原因是该州拥有全国最严格的甲烷泄漏法规。(奥巴马时代的环境保护署以科罗拉多州的甲烷法规为模型提出了自己的甲烷法规。)这些规定是在2014年通过的，旨在解决长期困扰丹佛大都会区和该州其他地区的臭氧污染问题，主要是由于化石燃料生产造成的。甲烷有助于地面臭氧的形成，也与其他挥发性有机化合物共同排放，这些化合物是臭氧的前体。

但还有其他因素也在推动这项研究。靠近高密度的油气田，像朗蒙特和博尔德这样快速增长的居民区，以及像科罗拉多大学博尔德分校(CU)、国家海洋和大气管理局(NOAA)这样的主要研究机构，美国国家标准与技术研究所(NIST)已经把科罗拉多州的这一部分变成了一个试验场和一个围绕泄漏检测进行创新的温床。

德克·里希特(Dirk Richter)是加州大学北极和高山研究所的一名研究科学家，他设计并建造了用于大气取样的高精度仪器，实验室就在Rieker的校园对面。他还是Quanta3的创始人，这家初创公司是他和一位同事在他的车库里创办的，目的是开发一种可以对气体泄漏进行持续地面监测的系统。

他说，这个行业想要的是精确、低维护、自动的系统，可以留在现场，不需要频繁检查就能悄悄地将数据发送到云端。Rieker的系统是首次在某些诺贝尔物理学奖得主的领域应用，而Richter的设备依赖于可调谐激光二极管，这种二极管广泛应用于光纤电缆。这些设备的优点是重量轻、耐用，并且经过多年的电信发展证明。

Richter说:“我们专注于为恶劣环境制造坚固的传感器。”“油气田是多风、多尘、炎热或非常寒冷的地方。”当然，另一个最重要的限制因素是成本。飞机上的激光光谱仪每台价值25万美元。我们可以提供一个解决方案，每个站点每天的批量成本为3美元，不到一杯咖啡的运营成本。”

美国最大的液化天然气出口商Cheniere能源公司的气候和可持续发展主管Fiji 竞彩足球app怎么下载George表示，如果这些技术成熟、商业上可行，Rieker和Richter等连续监测解决方案将成为行业的“圣杯”。

这两家初创公司正在与行业合作伙伴进行现场试验:Rieker的公司LongPath正在科罗拉多州和加利福尼亚州进行现场试验，监测天然气存储设施。Richter的公司Quanta3已与Equinor(前挪威国家石油公司)和Shell等大型化石燃料公司合作，分别在德克萨斯州的Eagle Ford页岩地层和加拿大阿尔伯塔省的Eagle Ford页岩地层测试其系统。(2017年，在飓风哈维(Harvey)期间，鹰福特的传感器一直在发送自动更新。)

许多新的探测产品涉及到激光吸收光谱的变化——一种已经建立的技术，结合激光源、镜子和探测器来测量气体吸收的光量——所有这些都连接到软件上，将信号转换成甲烷浓度数字。斯蒂芬·康利(Stephen Conley)在博尔德机场旁边的一间办公室里经营着科学航空公司(Scientific Aviation)。他和一个由飞行员和科学家组成的小团队运营着一个小型飞机机队，为行业和监管机构提供排放监测服务。康利是一位经验丰富的大气科学家和资深飞行员，他是第一个探测和测量美国有史以来最大的甲烷泄漏的人，该泄漏始于2015年10月南加州的Aliso峡谷天然气储存设施。

今年早些时候，康利推出了一项新服务:在无人机上安装轻型激光光谱仪传感器和空气取样罐，以监测离源头更近的甲烷排放。他说，像他在阿利索峡谷上空数千英尺飞行的那种安装在飞机上的系统，可以发现小到每小时10公斤的泄漏，而他的无人机可以检测到小得多的泄漏，每小时10克。科学航空公司也选择将其设计和软件开源。康利说:“我们公布了我们的方法，所以世界上任何人都可以这样做。”“我们来这里不仅仅是为了赚钱。我们是来减少全球甲烷排放的。我们相信这一事业。”

然而，并不是所有的新解决方案都依赖于激光光谱学。总部位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的Ball Aerospace公司开发了一种激光雷达系统，用于空中高分辨率的泄漏地图绘制。其他一些公司正在寻求采用电化学传感器或手持式气体传感器的解决方案，这些传感器用于检测司机体内的酒精浓度，以嗅出甲烷。

大多数科罗拉多州的创新者在甲烷排放技术评估中心(METEC)测试他们的技术。该中心位于柯林斯堡郊区，由美国能源部高级研究计划局能源项目(ARPA-E)资助。从表面上看，METEC设施就像28号县道上的钻井现场。但是没有石油或天然气被泵到地面，只有甲烷从200个不同的泄漏点被小心控制释放出来。由于能够运行要求高、复杂的模拟，访问人员必须一次搜索多个小泄漏，METEC是该国唯一的此类设施。科罗拉多州立大学研究员丹·齐默尔(Dan Zimmerle)是METEC的负责人，他说:“我在这里是要给一切泼冷水。”

METEC既测试Rieker的静止系统，也测试移动系统，包括安装在直升机上的空中系统，以及越来越多的无人机。哈里斯堡大学(Harrisburg University)能源工程助理教授阿尔温德•拉维库马尔(Arvind Ravikumar)表示:“你看到的技术数量和系统范围都出现了爆炸性增长。”拉维库马尔领导了一项广泛的研究现场试验研究不同的甲烷监测技术。

拉维库马尔说，发明的激增“为我们提供了一个巨大的机会，以更低的成本和比以前更快的速度减少排放。”“如果我们要在2050年实现净零排放，我们目前使用化石燃料的做法就不能继续下去了。但我们必须认真考虑如何利用石油和天然气——我们不会在明天关闭所有这些管道。在长期的气候减缓挑战中，每减少一吨甲烷和二氧化碳都是一种优势。”

的潜力

然而，行业专家表示，如果没有联邦法规强制运营商进行投资，这些企业的增长就会受到限制。壳牌、英国石油、埃克森美孚和其他化石燃料公司在8月美国环保署(EPA)削减温室气体排放和9月在纽约举行的联合国气候会议期间发布了一系列新闻稿，承诺继续自愿减少甲烷排放。但到目前为止，这些承诺还没有转化为对新的甲烷泄漏技术的大量投资。

甲烷是造成气候变化的一个重要因素，在20年的时间里，它吸收的热量是二氧化碳的86倍。

“根据这些新闻稿，我应该卖出数千个传感器，”里克特说。“他们没有用自己的投资来支持它。我认为联邦监管仍然是让他们采取实际行动的必要手段。当有一条规则迫使所有人都做同样的事情时，他们才会投资。”

如果这一投资成为现实，其收益可能会成倍增长，甚至超过从大气中清除超暖化污染物。在美国有近一百万活跃井需要持续的监控,和300000英里的天然气管道号州际公路,更不用说成千上万的压缩机站和100多个液化天然气设施——甲烷检测使用这些新工具可能成为一个重大的经济引擎。

拉维库马尔说:“这些工作岗位将出现在德克萨斯州西部、科罗拉多州的农村、阿肯色州的农村。”“它有可能带来大量的经济活动，承包商定期在那里，以及在这些地区需要的一整套支持服务。”

此外，科学家、企业家和行业分析师认为，许多不同的甲烷传感技术都有市场空间。“任何一种技术都无法解决这个问题，”Rieker说。“这将是一个覆盖整个供应链的套件。”无人机更适合沿着管道嗅探泄漏，而他的激光更适合监测密集区域的井或存储设施。“这是一个我们可以解决的问题，而且我们都会因此过得更好。”