Untersuchung und Entwicklung von Verfahren zur drohnenbasierten infrarot-fernoptischen Quantifizierung von Methanemissionen
Projektdurchführung
Universität Kassel
Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik (MRT)
Mönchebergstr. 19
34109 Kassel
Zielsetzung
Um die globale Klimaerwärmung so schnell wie möglich zu bremsen, ist es dringend erforderlich, neben den CO2-Emissionen insbesondere Methanemissionen zu minimieren. Im Energie- und Industriesektor kann dies durch das Aufspüren und Reparieren von Leckagen (Leak Detection And Repair (LDAR) Programme) erreicht werden. Eine effiziente Quantifizierung der Leckagemenge ermöglicht hierbei eine Planung, Priorisierung und schnelle, effektive Durchführung der Reparaturen sowie eine messtechnisch objektive Emissionsberichterstattung. Ebenso kann das Auftreten zukünftiger Emissionen durch die quantitative Messung aktueller Leckagen und die daraus abgeleitete geeignete Wahl von robusten und „emissionsarmen“ Bauformen und Materialien z.B. von Dichtungen vermieden werden.
Arbeitsschritte
Um die Projektziele zu erreichen, soll das in Vorarbeiten prototypisch entwickelte Quadcopter-Drohnenmesssystem aufgegriffen und die für die Quantifizierung genutzten Sensoren und Datenfusionsalgorithmen detailliert untersucht und weiterentwickelt werden. Als Einsatzgebiete für das Drohnenmesssystem sind Biogasanlagen, Deponien, sowie Industrie- und Versorgungsgasnetze vorgesehen. Als Gassensor wird ein Infrarot-fernoptisch messender Sensor (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS) eingesetzt. Dieser ermöglicht integrale Methankonzentrationsmessungen ohne Störeinwirkung durch den Abwind der Drohnenrotoren und Messungen an Orten, die nicht direkt zugänglich bzw. befliegbar sind. Der TDLAS-Sensor ist an einem Gimbal montiert, was eine präzise Ausrichtung, Stabilisierung, beliebige Messrichtungen und Scanbewegungen ermöglicht.
Im Rahmen der Methodenentwicklung soll die Messgenauigkeit des methansensitiven TDLAS-Sensors durch eine aufgabenangepasste Kalibrierung wesentlich gesteigert werden. Da die Wind- und damit die Gasgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf die Quantifizierung hat und lokal sehr unterschiedlich sein kann, sollen Windfelder in Feldversuchen mittels eines Anemometer-Arrays gemessen werden. Darüber hinaus soll das entwickelte Messmodell durch weniger vereinfachende Annahmen verbessert und es soll eine fortschrittliche Quantifizierung durch Regressionsmodelle und maschinelle Lernansätze entwickelt werden. Die Vertrauenswürdigkeit der Quantifizierungsergebnisse soll durch eine Unsicherheit beschrieben werden, welche auch die Messsituation, wie beispielsweise die Windstärke, den Bebauungsgrad und die Anzahl und Verteilung der integralen Methankonzentrationsmesswerte, berücksichtigt.
Mit Erreichen des Projektziels soll eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfachte und verbesserte Quantifizierung von Leckagemengen realisiert werden. Damit wird eine schnelle und effiziente Inspektion und eine zeitnahe Reparatur (Leak Detection And Repair) ermöglicht, welche die Umwelt signifikant entlastet.