De groeiende rol van remote sensing bij monitoring van de emissies van de raffinaderijen

Raffinerijen zijn complexe industriële installaties waar ruwe olie wordt omgezet in benzine, diesel, jetbrandstof en petrochemische producten. Deze verwerking omvat verbranding, destillatie, katalytische kraken, en andere activiteiten die een verscheidenheid van luchtverontreinigende stoffen, waaronder zwaveldioxide (SO2), stikstofoxiden (NOx), vluchtige organische verbindingen (VOC's), koolmonoxide (CO), en methaan (CH4). Regelgevende instanties zoals het Amerikaanse Milieubescherming Agentschap (EPA) en het Europees Milieu Agentschap (EMA) stellen strenge emissiegrenswaarden voor de bescherming van de volksgezondheid en het milieu. Traditionele monitoringmethoden zijn afhankelijk van stack bemonstering, continue emissie monitoring systemen (C-EMS), en periodieke handmatige enquêtes. Echter, veel emissies lekken vooral fugitieve lekken uit kleppen, flenzen, en opslagtanks .

Door het meten van gassen van een afstand kunnen deze instrumenten grote gebieden bestrijken, eerder onzichtbare pluimen detecteren en gegevens in bijna realtime verstrekken. De wereldwijde markt voor teledetectie bij de monitoring van olie- en gasemissies zal naar verwachting in 2030 meer dan 1,5 miljard dollar bedragen, wat wordt veroorzaakt door strengere regelgeving en de industrie die de netto-nuldoelstellingen wil bereiken.

Wat zijn remote sensing technologieën?

Remote sensing verwijst naar het verkrijgen van informatie over een object of fenomeen zonder fysiek contact te maken. In de context van emissiemonitoring gebruiken deze technologieën elektromagnetische straling (licht, warmte of radiogolven) om specifieke gassen in de atmosfeer te identificeren en te kwantificeren. Het kernprincipe is dat elk gasmolecuul energie absorbeert of uitzendt bij unieke golflengten een ..doorlopende .fingerprint. . . Door analyse van de intensiteit van absorptie of emissie bij die golflengten, instrumenten kunnen gasconcentraties over een weglengte of binnen een kolom van lucht berekenen.

De systemen voor teledetectie kunnen worden ingedeeld op hun platform: vaste of mobiele grond, lucht (drones, helikopters, vliegtuigen met vaste vleugels) of satelliet. Elk platform heeft duidelijke voordelen op het gebied van ruimtelijke dekking, tijdsresolutie en detectiegrenzen. Zo bieden sensoren op de grond bijvoorbeeld een hoge precisie op lokale schaal, terwijl satellieten de gehele raffinaderijcomplexen en omliggende regio's dagelijks kunnen monitoren.

Soorten remote sensing-technologieën die worden gebruikt in de monitoring van de raffinaderijen

Voor de monitoring van de emissies van raffinaderijen wordt een breed scala aan teledetectie-instrumenten ingezet. In de volgende paragrafen worden de meest gebruikte technologieën beschreven en de sterke punten die zij aan verschillende monitoringscenario's leveren.

Optische gasbeeldcamera's (OGI)

Optische gasbeeldcamera's zijn hand- of vaste apparaten die gaspluimen in realtime visualiseren met behulp van infraroodthermografie. Deze camera's detecteren het thermische contrast tussen de achtergrond en de gaswolk. Veel koolwaterstoffen . vooral methaan en VOS absorberen sterk in het midden van de golf infrarood (3

Differentiaal Absorptielidar (DIAL)

DIAL is een geavanceerde lasergebaseerde techniek die de concentratie van specifieke gassen meet langs een straalpad. Twee laserpulsen die bij een golflengte worden geabsorbeerd door het doelgas en één bij een niet-ingetrokken referentie worden in de atmosfeer geschoten. Het verschil in signaalintensiteit met de ruggespatten toont de gasconcentratie bij elk bereik. DIAL-systemen worden vaak gemonteerd op vrachtwagens of vliegtuigen om hele raffinaderijlocaties te onderzoeken. Zo worden bijvoorbeeld de Telops Hyper-Cam en de Lufft CHM‐15k gebruikt voor methaan- en VOC-kartering. DIAL levert kwantitatieve, bereik-opgeloste gegevens met hoge gevoeligheid, waardoor het ideaal is voor het kwantificeren van emissiesnelheden uit grote oppervlaktebronnen zoals opslagtanks en afvalwaterzuiveringsvijvers.

Zonne-occultatie Flux (SOF)

Zonne- occulte fluxmethoden gebruiken een passieve UV-zichtbare spectrometer om de absorptie van zonlicht door gassen zoals SO2, NO2 en benzeen te meten. De techniek, bekend als Differentiaal Optische Absorptie Spectroscopy (DOAS), scant de lucht en kwantificeert de kolomdichtheid van het doelgas. Door een pluimwind van een raffinaderij te passeren, kunnen onderzoekers de gemeten concentraties integreren met windgegevens om massa-emissiefluxen te berekenen. Mini-DOAS-instrumenten worden vaak door voertuigen of drones vervoerd, waardoor snelle onderzoeken van diffuse SO2-emissies van zwavelterugwinningseenheden mogelijk worden gemaakt. De techniek is goed ontwikkeld voor vulkanische emissiemonitoring en is met succes aangepast voor raffinaderijtoepassingen.

Tunable diode laser Absorptiespectroscopie (TDLAS)

TDLAS gebruikt een smallijnbreedtelaser die wordt afgestemd over een karakteristieke absorptielijn van een doelgas (meestal methaan). De laserstraal wordt over een pad geleid (bv. rond een tankrand of over een vlamlijn) en de demping van het signaal wordt gemeten om de gemiddelde gasconcentratie af te leiden. TDLAS-sensoren kunnen worden geïnstalleerd als vaste monitors op hekken of mobiele eenheden op inspectievoertuigen. Ze bieden zeer hoge gevoeligheid (sub-ppm-niveaus) en snelle responstijden (milliseconden). Nieuwe open-path TDLAS-systemen kunnen meerdere gassen tegelijkertijd monitoren en worden steeds meer geïntegreerd met IoT-platforms voor continue emissiemonitoring.

Satelliet-afstandssensor

Satellietinstrumenten bieden de breedste ruimte voor emissiemonitoring.

  • TROPOMI (TROPOsferisch monitoringinstrument) op ESA
  • OCO‐2 & OCO‐3 (Observatorium voor koolstof in baanrichting) .De focus ligt op CO2- en door de zon geïnduceerde chlorofylfluorescentie, maar kan ook onder bepaalde omstandigheden methaanverbeteringen bieden.
  • GHGSatconstellatie .. commerciële microsatellieten met een resolutie tot 25 m, speciaal ontworpen voor detectie van methaanpuntbronnen. BHGSat is gebruikt om superzenders te identificeren in raffinaderijen in Texas en de Perzische Golf.
  • Ecostress op het internationale ruimtestation .. meet thermisch infrarood om warmtesignalen te monitoren en mogelijk fakkels en thermische gaslekken te detecteren.

Satellietgegevens worden vaak gebruikt voor top-down emissie-inventarissen en voor de validatie van bottom-up schattingen uit de rapporten van de faciliteiten.De recente MethaanSAT-satelliet, gelanceerd in 2024, belooft nog meer precisie voor de monitoring van methaan in de brede regio.

Sensoren op basis van drone

Onbemande luchtvaartuigen (UAV's) uitgerust met miniatuurspectrometers, TDLAS of OGI camera's bieden een flexibele, hoge resolutie enquête optie. Drones kunnen vliegen op lage hoogte (50.0200 m) en zweven in de buurt van emissiebronnen, waardoor interferentie van atmosferische achtergrond. Ze zijn bijzonder nuttig voor het inspecteren van hoge stapels, verhoogde fakkels, en ontoegankelijke buizen racks. Bedrijven zoals Flyability en DJI partner met sensor fabrikanten om turnkey oplossingen voor raffinaderij LDAR te bieden. Drone onderzoeken kunnen worden geautomatiseerd met vooraf geprogrammeerde vliegpaden en vaak leveren resultaten binnen uren, in vergelijking met dagen voor handmatige inspecties.

Voordelen van remote sensing voor monitoring van de emissies van raffinaderijen

De invoering van teledetectietechnologieën biedt meerdere voordelen ten opzichte van conventionele monitoringmethoden.

  • Brede dekking van grote gebieden: Een enkele satellietpas of een dronevlucht kan een hele raffinaderij omvatten, inclusief opslagtankbedrijven en afvalwaterbehandelingslagunes, die moeilijk te monitoren zijn met grondstations.
  • Detectie van diffuse en intermitterende emissies: Veel emissie-incidenten zijn van korte duur of komen voor uit lekke kleppen die niet worden opgevangen door driemaandelijkse LDAR-onderzoeken. Remote sensing kan deze pieken vangen en een nauwkeuriger beeld geven van de totale emissies.
  • Real-time of bijna-real-time gegevens: Vaste systemen zoals TDLAS of OGI-camera's kunnen gegevens continu in een controlekamer voeren, waardoor onmiddellijke respons mogelijk is. Bijvoorbeeld, als een methaanlek wordt gedetecteerd, kunnen exploitanten het getroffen gedeelte afsluiten en reparatieteams verzenden.
  • Kostenefficiëntie: Terwijl de initiële instrumentkosten hoog zijn, vermindert teledetectie de behoefte aan uitgebreide handmatige bemonstering, steigers en laddertoegang.De Amerikaanse afdeling Energie schat dat drone gebaseerde LDAR de inspectiekosten met 30.00% kan verlagen in vergelijking met traditionele methoden.
  • Verbeterde naleving van de regelgeving: Remote sensing data kan voldoen aan de vereiste EPA Method 21 (vegan voor VOC-lekken) en wordt door veel regelgevers geaccepteerd als een alternatieve werkpraktijk (AWP). De EPA › Alternative Work Practice regel staat OGI camera's voor LDAR toe onder bepaalde voorwaarden.
  • Ondersteuning van emissie-inventarissen en klimaatdoelstellingen: Nauwkeurige, hoogfrequente gegevens van satellieten en drones helpen raffinaderijen om vooruitgang te boeken in de richting van doelstellingen voor broeikasgasreductie en zorgen voor transparante rapportage aan investeerders en ngo's.

Uitdagingen en beperkingen

Ondanks de duidelijke voordelen, ondervinden teledetectietechnologieën verschillende hindernissen die hun wijdverbreide inzet in raffinaderijen beperken.

Weer en atmosferische interferentie

Regen, mist, hoge vochtigheid en sterke wind kunnen de prestaties van optische sensoren degraderen. Lidar en OGI camera's vertrouwen op duidelijke zichtlijnen, terwijl satellietophalingen cloud-vrije omstandigheden vereisen. Veel satelliet instrumenten bieden alleen nuttige gegevens wanneer de zonnezeniethoek gunstig is, beperken de dekking op hoge breedtegraden of tijdens wintermaanden. Drones kunnen niet vliegen in zware regen- of gumige omstandigheden, waardoor hun operationele ramen worden verminderd.

Interpretatie en kalibratie van gegevens

Het omzetten van ruwe stralingssignalen in nauwkeurige gasconcentraties vereist geavanceerde algoritmen en frequente kalibratie met bekende normen. Verschillende teledetectietechnieken kunnen verschillende resultaten opleveren voor dezelfde pluim, wat tot onzekerheid leidt. Zo kunnen de verbeteringen in de methaankolom van satellieten variëren met ±20%, afhankelijk van het ophaalalgoritme en het a priori profiel dat wordt gebruikt. Cross-validatie met grond-waarheidmetingen blijft essentieel, maar is niet altijd haalbaar.

Gevoeligheids- en detectiegrenzen

Niet alle emissiebronnen zijn even detecteerbaar. Kleine lekken met lage concentratie kunnen onder de detectiedrempel van satellietsensoren vallen (meestal 100 kg/h voor methaan met huidige satellietsensoren, hoewel nieuwere missies gericht zijn op 10 kg/h). DIAL en TDLAS zijn gevoeliger, maar ze vereisen een bekende weglengte en kunnen emissies missen die direct onder het instrument liggen.

Aanvaarding en normalisatie van regelgeving

Hoewel regelgevers steeds meer openstaan voor teledetectie, blijven traditionele methoden (bv. EPA Methode 21 met een draagbare vlamionisatiedetector) de goudstandaard in veel rechtsgebieden. Refinerijen draaien vaak parallel monitoring systemen om naleving te garanderen, stijgende kosten. Er is een behoefte aan prestatie gebaseerde normen die minimale detectiegrenzen, frequentie en datakwaliteit voor teledetectie apparatuur specificeren. Organisaties zoals de Methaan Guiding Principles en het Oil & Gas Methaan Partnership werken aan het opstellen van protocollen.

Volume gegevens en integratie

Hogefrequentie teledetectie genereert enorme sets met cryptografische gegevens per dag uit satellietconstellaties of drone-enquêtes. De raffinage moet investeren in dataopslag, cloudverwerking en analyseplatforms om bruikbare inzichten te verkrijgen. Het integreren van teledetectiegegevens met bestaande procesbesturings- en milieubeheersystemen is niet triviaal en vereist vaak de ontwikkeling van aangepaste software.

Het tempo van innovatie in teledetectie wordt versneld, gedreven door de vooruitgang in sensoren, AI en regelgevingsdruk. De volgende trends zullen waarschijnlijk de komende tien jaar van monitoring van de emissies van raffinaderijen vorm geven.

Miniaturisatie en lagere kosten

De op MEMS gebaseerde spectrometers en lage kosten laserdioden brengen de prijs van sensoren naar beneden. Handheld methaandetectoren die meer dan $50.000 per decennium geleden kosten, kosten nu minder dan $5.000. Deze democratisering zal kleinere raffinaderijen en mid-stream faciliteiten in staat stellen om teledetectietechnologieën te gebruiken die voorheen alleen toegankelijk waren voor grote exploitanten.

Integratie met kunstmatige intelligentie en machine learning

AI-modellen kunnen automatisch emissiebronnen identificeren, lektypen classificeren van OGI-video's en variabiliteit van de achtergrond scheiden van echte emissie-evenementen. Zo kunnen diepopgeleide algoritmes die op satellietbeelden zijn getraind, pluimvormen detecteren en attribuut maken aan specifieke infrastructuurelementen. Automatische kwantificering met behulp van machine learning zal de noodzaak van handmatige analistinterventie verminderen en de rapportage versnellen.

Satellietconstellaties en continue monitoring

De volgende generatie satellietconstellaties, zoals de MethaanSAT met een zwad van 200 km en een resolutie van 100 m, of de Carbon Mapper coalitie met meerdere microsatellieten zal bijna dagelijks opnieuw bezoeken over raffinaderijen. Door continue monitoring vanuit de ruimte zal het mogelijk zijn emissietrends te spotten, anomalieën binnen uren op te sporen en exploitanten in bijna realtime aansprakelijk te stellen.

Gecombineerde remote sensing en In-Situ netwerken

De meest effectieve aanpak kan een getrapt systeem zijn: satellietenquêtes voor breed gebiedsscreening, drone- of vliegtuigvluchten voor hotspotidentificatie, en grondsensoren voor verificatie en continue bewaking van omheiningslijnen. Dergelijke hybride netwerken worden al ingezet in het Permian Basin en het Alberta Oil Sands. Ze bieden zowel de grote context als de locatiespecifieke precisie die nodig is voor regulering en emissiereductie.

Ontwikkeling van de regelgeving en verplichte rapportage

Naarmate teledetectie rijpt, zullen toezichthouders waarschijnlijk het gebruik ervan voorschrijven. De EPA-regel van 2024 methaan voor de olie- en gassector moedigt het gebruik van OGI aan en vereist dat sommige exploitanten driemaandelijkse monitoring uitvoeren met behulp van optische gasafbeelding. De verordening van de Europese Unie inzake methaan, die van kracht is 2024, vereist dat alle fossielegasimporteurs de methaanemissies bewaken, rapporteren en verifiëren met behulp van methoden die satelliet- en luchtonderzoeken omvatten.

Conclusie

De technologieën voor teledetectie zijn van experimentele onderzoeksinstrumenten naar operationele activa in de strijd tegen de uitstoot van raffinaderijen verplaatst. Van op de grond gebaseerde TDLAS-hekken tot satellietconstellaties die vanuit een baan kijken, bieden deze systemen een ongekende dekking, frequentie en detail.Ze stellen exploitanten in staat om lekken snel op te sporen, de emissies met vertrouwen te kwantificeren en te laten zien dat ze steeds strengere regels naleven. Uitdagingen blijven weersgesteld, kalibratie, kosten en harmonisatie van de regelgeving.Maar de trajecten zijn duidelijk: teledetectie wordt de ruggengraat van industriële emissiemonitoring. De huidige investeringen in deze technologieën zullen beter worden gepositioneerd om aan netto-nul-verplichtingen te voldoen, luchtverontreiniging te verminderen en hun sociale vergunning om in een koolstofbewuste wereld te werken te behouden.

Zie EPA