Комплект картографических автомобилей Google Street View, специально оборудованных передовыми анализаторами метана, позволяет исследователям Университета штата Колорадо «видеть» невидимые утечки метана из газопроводов под нашими улицами.
Технические и вычислительные проблемы измерения метана, а также сложные методологии, используемые для сбора, анализа и публикации данных, подробно описаны в новой статье в журнале Environmental Science and Technology от 22 марта.
Новаторский проект возглавляет Джо фон Фишер, адъюнкт-профессор биологии CSU, в партнерстве с некоммерческим Фондом защиты окружающей среды (EDF) и Google Earth Outreach. В число соавторов фон Фишера из CSU входят исследователи из области статистики (Дэн Кули), атмосферных наук (Расс Шумахер) и почвоведения и растениеводства (Джей Хэм), а также эксперты из Университета Северного Колорадо и некоммерческого научного коллектива Conservation Science Partners.
Данные проекта помогают коммунальным предприятиям, регулирующим органам и группам по защите интересов сократить расточительные и экологически опасные утечки быстрее и с меньшими затратами.
Помимо того, что метан является основным компонентом природного газа, он также является мощным парниковым газом, который за 20-летний период нагревает более чем в 80 раз больше, чем углекислый газ. Растущее осознание этого климатического риска вызвало новый интерес к поиску и устранению незначительных утечек по всей цепочке поставок природного газа, включая местные коммунальные системы, где многие незначительные утечки могут сохраняться в течение многих лет. Эта потребность породила новый вид науки.
«Это огромная проблема, о которой почти никто не думал. Теперь мы выясняем, насколько широко распространены эти утечки», - сказал фон Фишер. «Чем быстрее вы их исправите, тем больше будут экологические преимущества. Но у коммунальных служб и регулирующих органов не было данных, чтобы сосредоточить свои усилия. Вот где мы вступаем. Наша цель - сделать это быстрее, дешевле и проще в нахождении и измерении». утечки метана из линий природного газа, чтобы помочь ускорить критический ремонт."
В рамках проекта Google фон Фишер и его коллеги особенно стремились выявить и количественно оценить утечки метана из городских районов страны, где газопроводы пролегают на несколько футов ниже уровня земли. Их проект EDF Google Street View - это первая в своем роде всеобъемлющая инвентаризация источников утечки метана в городах. Цель состоит в том, чтобы пролить яркий свет на эту ранее невидимую, трудно определяемую проблему.
Главной мотивацией проекта является помощь коммунальным предприятиям и правительствам в определении приоритетности устранения утечек в зависимости от величины выбросов. Исследователи подсчитали, что устранение крупнейших 8 процентов утечек сократит выбросы метана из трубопроводов на 30 процентов. Коммунальная компания Нью-Джерси PSE&G одобрила модернизацию на сумму почти 1 миллиард долларов, частично основанную на данных исследователей CSU.
Основной технологией, которая позволила проекту добиться успеха, стал инфракрасный лазерный анализатор метана. Эти мобильные приборы, которых еще десять лет назад не существовало, могут идентифицировать шлейфы метана в режиме реального времени без необходимости проведения газохроматографического анализа в лаборатории.
«Воздух содержит газы, из-за которых в инфракрасном спектре он кажется туманным», - объяснил фон Фишер. «Лазер может сканировать цвета инфракрасного света и «видеть», сколько метана присутствует».
В основе работы лежит набор алгоритмов и протоколов, которые обеспечивают точный учет утечек метана, включая размер шлейфов.
Прежде чем использовать свои технологии в автомобилях Street View, исследователи сначала провели предварительные тесты с исследовательскими автомобилями, которые ездили по кампусу и по взлетно-посадочной полосе на аэродроме Christman. Это включало контролируемые выбросы метана как на открытом воздухе, так и в городской среде.
В рамках проекта были разработаны оптимальные маршруты для водителей Google, при этом взаимодействие водителей с оборудованием было пассивным и простым. Исследователи также разработали методы отсеивания ложноположительных показаний - например, как отличить истинную утечку метана от неверных показаний со свалки или близлежащего энергообъекта..
Для фон Фишера, экологического эколога с классическим образованием, проект расширил его возможности как ученого и стимулировал взаимодействие с ошеломляющим множеством дисциплин. «Я регулярно разговариваю с юристами, представителями отрасли, статистиками, учеными-компьютерщиками, атмосферными физиками, Google…теперь это просто часть моей жизни», - сказал он.
В настоящее время в разных городах есть четыре автомобиля Google Street View с анализаторами метана CSU, поскольку работа фон Фишера и его коллег продолжается. Водителям дается указание проехать по всем дорогам в заранее определенной области для сбора данных об утечках, которые исследователи CSU загружают, анализируют и загружают на общедоступный веб-сайт, размещенный EDF.
Чтобы справиться с огромными потоками данных, которые производит проект - около 2000 точек данных в минуту - исследователь информатики CSU Сангми Палликара создает облачную платформу для управления, хранения и представления данных.
До сих пор анализаторы метана CSU предоставили карты утечек Бостона; Берлингтон, Вермонт; Чикаго, Даллас, Индианаполис, Джексонвилл, Лос-Анджелес, Меса, Аризона; Питтсбург; Статен-Айленд, Нью-Йорк; и Сиракузы, Нью-Йорк.
Среди прочего, они сообщили, что в среднем в Бостоне, Статен-Айленде и Сиракузах - городах со старыми, подверженными коррозии распределительными линиями - происходили утечки, из-за которых на километр дороги выделялось в 25 раз больше метана (2 литра метана в минуту на километр), чем в Берлингтоне и Индианаполисе (0.08 литров метана в минуту на километр).