Übersicht

Seit seiner Einführung im Jahr 2015 hat sich die quantitative optische Gasbildgebung (Quantitative Optical Gas Imaging, QOGI) von einer begrenzten, frühzeitigen Einführung zu einer breiteren Nutzung in ausgewählten Branchen entwickelt. In den letzten zehn Jahren haben mehrere Studien die QOGI-Leistung bewertet, wobei die Ergebnisse von Unterschieden im Testdesign, den Umgebungsbedingungen und dem Anwendungskontext beeinflusst wurden.

Die Ergebnisse eines kürzlich durchgeführten Tests in der Einrichtung der Total Energies Anomalies Detection Initiatives (TADI) in Lacq, Frankreich, tragen zu diesem wachsenden Forschungsprojekt bei. Die Bewertung konzentrierte sich sowohl auf flüchtige Freisetzungen (unter 1 kg/Std.) als auch auf Freisetzungen von hochvolumigen Entlüftungen (5 kg/Std. bis zu 50 kg/Std.), was frühere kontrollierte Studien ergänzte und gleichzeitig den Einblick in ein breiteres Spektrum von Freisetzungsszenarien erweiterte. 

In diesem Test wurde die Flir G-Serie mit In-Kamera-Quantifizierung auf Freisetzungsraten innerhalb der kalibrierten Kurven der aktuellen Technologie (12 g/h bis 12 kg/h) bewertet, die als Ergebnis dieses Tests erweitert werden. Die Tests der In-Kamera-Technologie Gx320 QOGI von Flir umfassten 198 Testergebnisse von 15 Leckteststellen und zeigten eine Leistung, die mit den Ergebnissen übereinstimmte, die in früheren unabhängigen Studien berichtet wurden.

Quantifizierung der Methanemission

Methan (CH4) ist ein hochpotentes Treibhausgas mit einem Treibhauspotenzial, das über einen Zeitraum von 20 Jahren mehr als 80 Mal höher ist als Kohlendioxid (CO2). Trotz seiner relativ kurzen atmosphärischen Lebensdauer beschleunigt Methan den Klimawandel aufgrund seiner intensiven Wärmeabfangfähigkeit erheblich. Zu den wichtigsten Quellen für Methanemissionen gehören Landwirtschaft (insbesondere Nutz- und Reisanbau), Produktion, Vertrieb von fossilen Brennstoffen, Deponien und natürliche Feuchtgebiete. 

Die Dringlichkeit, die Methanemissionen zu messen, beruht auf der Notwendigkeit, diese Quellen genau zu identifizieren und zu quantifizieren, was gezielte Minderungsstrategien ermöglicht. Zuverlässige Messungen sind unerlässlich, um den Fortschritt in Richtung Klimaziele zu verfolgen, politische Entscheidungen zu informieren und Transparenz und Verantwortlichkeit bei Bemühungen zur Emissionsreduzierung zu gewährleisten. Ohne eine robuste Überwachung (und effiziente Messung) sind die Bemühungen zur Eindämmung des Methan-Emissionsrisikos unwirksam oder fehlgeleitet.

QOGI baut auf jahrzehntelanger Infrarotbildgebungsentwicklung in der Öl- und Gasindustrie auf. Flir hat 2005 mit der Einführung des GasFindIR erstmals die optische Gasbildgebungstechnologie auf den Markt gebracht, die ein sicheres und effizientes Mittel zur Visualisierung von Gasfahnen bei Leckerkennungs- und Reparaturinspektionen (LDAR) bietet. Diese frühen OGI-Systeme waren qualitativ ausgelegt und ermöglichten eine Visualisierung ohne Messung der Emissionsraten.

Diese Technologie bot eine einzigartige Möglichkeit, Gasemissionen zu visualisieren und Leckerkennungs- und Reparaturinspektionen (LDAR) aus sicheren Entfernungen und viel effizienter durchzuführen. Diese Systeme waren jedoch qualitativ und in der Lage, Gasfahnen zu visualisieren, aber keine Emissionsraten zu messen. Die Umstellung auf die Quantifizierung begann Mitte der 2010er Jahre, insbesondere mit der Entwicklung der Tablets Providence Photonics QL100 und QL320, die mit Infrarotkameras von Flir gekoppelt werden konnten, um Methanleckraten unter Verwendung einer Analyse der Infrarotstrahlung auf Pixelebene zu schätzen.

Die ersten Vor-Ort-Bereitstellungen von QOGI zur Methanquantifizierung fanden etwa 2015 statt, wobei Validierungsstudien von Organisationen wie Concawe und der Alberta Methane Field Challenge (AMFC) und neuere Studien wie die METEC-Bewertung durchgeführt wurden. Diese Studien untersuchten die Genauigkeit von QOGI-Systemen unter kontrollierten Bedingungen und zeigten Quantifizierungsfehler im Bereich von +6 % bis -18 % für die Studien Concawe bzw. AMFC. 

Nach einer formellen Partnerschaft zwischen Providence Photonics und Flir begann die Öl- und Gasindustrie 2019 mit der Verwendung von QOGI in groß angelegten Feldprobenkampagnen in Öl- und Gasbecken in Colorado, New Mexico und Texas, was ihre praktische Anwendung für Methan-Emissionsmessungen auf Geräteebene demonstriert.

Heute ist QOGI als wertvolles Werkzeug für LDAR-Programme (Leck Detection and Repair) anerkannt, die eine schnelle, berührungslose Quantifizierung der Methanemissionen aus sicheren Entfernungen außerhalb der Fahne selbst ermöglichen. Es wird zunehmend in regulatorische Rahmenbedingungen und Branchenpraktiken integriert, insbesondere da die Methanminderung nach Richtlinien wie der Öl- und Gas-Methan-Partnerschaft (OGMP) 2.0 und den Methanregeln sowohl in den USA als auch in der EU Priorität hat. 

Trotz des Versprechens, der Benutzerfreundlichkeit und der Flexibilität für schwer zu messende (DTM) Quellen sieht sich QOGI unter bestimmten Umgebungsbedingungen immer noch einigen Herausforderungen in Bezug auf die Anwendbarkeit ausgesetzt, was die laufende Forschung dazu veranlasst, seine Algorithmen zu verfeinern und seine Fähigkeiten zu erweitern.

Technologie-Methodik

Ab der Einführung erforderten QOGI-Workflows normalerweise zwei separate Geräte: eine Flir Optical Gas Imaging-Kamera und ein Hochleistungs-Tablet, auf dem proprietäre Quantifizierungsanalysen ausgeführt werden. Die Messung erfolgte entweder über eine direkte Kabelverbindung oder durch Nachbearbeitung von aufgenommenen Bildern.

Im April 2023 führte Flir die OGI-Kameras der G-Serie für die Erkennung von Kohlenwasserstoffen, VOC und Methan ein. Diese Kameras haben die Quantifizierung direkt in das Gerät integriert, sodass keine sekundäre Hardware erforderlich ist.

Mit dem kamerainternen QOGI können Bediener Standard-LDAR-Inspektionen durchführen und gleichzeitig sofortige quantitative Ergebnisse vor Ort erhalten. Dieser integrierte Ansatz rationalisiert Arbeitsabläufe, reduziert die Einrichtungskomplexität und ermöglicht eine effizientere Messung in der gesamten Öl- und Gaslieferkette.

Einrichtung für Feldtests

Die TADI-Prüfanlage in Lacq, Frankreich, ist weltweit bekannt für die Prüfung und Qualifizierung innovativer Technologien zur Erkennung und Quantifizierung von Gasleckagen, hauptsächlich CO₂- und Methanemissionen. Diese Einrichtung verfügt über umfassende Fähigkeiten, um sowohl kleine flüchtige Emissionen in diesem einstelligen Gramm-pro-Stunde-Bereich als auch sehr große Entlüftungsfreigaben, bis zu 50 Kilogramm pro Stunde, am gleichen Teststandort zu ermöglichen.

Die Flir-Techniker bei TADI führten die Tests über vier Tage durch und teilten die Arten von Emissionen in zwei Kategorien auf: flüchtige Emissionen und Entlüftungsfreigaben.

• Für die flüchtigen Emissionen reichten die Emissionsraten von 5 Gramm/Stunde (eines der Testexperimente war für ein falsch negatives Experiment von 0 Gramm/Stunde) bis zu 612 Gramm/Stunde. 
• Bei den Entlüftungsfreigaben reichten die Emissionsraten von 5 kg/h bis zu 50 kg/h.

Während dieser Feldtests führten die Techniker von Flir über 1.100 Messungen aus mehr als 30 Testproben durch, um die Fähigkeiten von QOGI als Technologie besser zu verstehen und die branchenführenden quantitativen Lösungen von Flir zu verbessern.

Abbildung 1: Witterungsbedingungen in Lacq während des Tests

Während des Tests hat der Kamerabediener aus einer Vielzahl von Entfernungen gemessen, die für die Praxis vor Ort repräsentativ sind, von 2,5 m bis 16 m für flüchtige Leckagen und von 4 m bis 16 m für Entlüftungsöffnungen. Die Bedingungen spiegelten auch die typische tägliche Variabilität wider, mit morgendlicher Wolkenabdeckung und klareren Nachmittagen und Temperaturen im Bereich von etwa 10–24 °C (50–75 °F). Die Windbedingungen waren im Allgemeinen leicht bis mäßig und blieben unter 16 km/h (10 mph).

Der primäre Kamerabetreiber verfügte über begrenzte Erfahrung im Einsatz von OGI-Systemen und wurde von einem zertifizierten Betreiber mit mehr als 20 Jahren OGI-Erfahrung beaufsichtigt. Diese Einrichtung ermöglichte die Bewertung der Leistung über einen realistischen Bereich von Benutzerkenntnissen.

Erkenntnisse und wichtige Erkenntnisse

Mit den umfangreichen Tests gab es mehrere Möglichkeiten, mehr über die Anwendung zu erfahren, die Technologie zu optimieren und sogar neue Funktionen zu entwickeln, um die Anforderungen des Marktes zu erfüllen.

Die Gesamtmessungen sind konsistenter als einzelne Messwerte

Die Tests unterstützten sowohl die zugrunde liegende Theorie als auch frühere Forschungen und zeigten eine verbesserte Quantifizierungsgenauigkeit in aggregierten Ergebnissen neben der erwarteten Zunahme der Variabilität über einzelne QOGI-Messungen hinweg.

Kleine Fugitive Leckagen zeigen einen höheren prozentualen Fehler und geringere absolute Auswirkungen

Kleine flüchtige Leckagen zeigen aufgrund ihrer geringen absoluten Größe tendenziell einen höheren prozentualen Fehler, selbst wenn die Abweichungen minimal sind. Zusammen ergeben diese Emissionen jedoch zuverlässigere Bestandsergebnisse. Größere Entlüftungsfreigaben weisen in der Regel einen geringeren prozentualen Fehler auf, stellen jedoch größere absolute Emissionsauswirkungen dar, was die Bedeutung einer genauen Quantifizierung über das gesamte Emissionsspektrum unterstreicht.

Größere Entlüftungsfreigaben führen zu einem geringeren prozentualen Fehler, aber größeren Emissionsauswirkungen

Es gibt mehrere Anwendungen, bei denen aggregierte Ergebnisse in den Märkten angewendet werden könnten, in denen QOGI verwendet wird. Betreiber könnten dies in einer räumlichen Situation in Betracht ziehen, indem sie die Messwerte über mehrere Standorte oder in einer breiten Region, in der sie tätig sind, oder in einer eher zeitlichen Basis verwenden, indem sie Messwerte über eine Woche, einen Monat oder sogar ein Jahr hinweg erfassen, wie sie oft für jährliche Emissionsinventaren erforderlich sind. Obwohl die einzelnen Ergebnisse einen Fehler aufweisen können, ob hoch oder niedrig, ist das Ergebnis der Verwendung von Technologie wie QOGI zur Messung von Einzelquellenemissionen, wenn sie aggregiert werden, wahrscheinlich genauer als die Verwendung von vorbestimmten Emissionsfaktoren. 

Messbasierte Ansätze bereiten Bediener auf sich entwickelnde Vorschriften vor

Durch die frühere Einführung messungsbasierter Ansätze positionieren sich die Betreiber vor den sich entwickelnden regulatorischen und Berichtsrahmen, die zunehmend Quantifizierung, Transparenz und Verständnis auf Quellenebene betonen. Mit der ständigen Entwicklung von Vorschriften sind diese Betreiber besser darauf vorbereitet, zukünftige Anforderungen zu erfüllen, ohne ihre Arbeitsabläufe grundlegend zu ändern. Messbasierte Ansätze ermöglichen es, diese Investitionen im Laufe der Zeit widerzuspiegeln, was echte Fortschritte zeigt, wenn sich die Erwartungen an die Berichterstattung in Richtung Quantifizierung verschieben.

Bedienerschulung und Erfahrung Einflussmessung Qualität

Obwohl QOGI einfach zu bedienen ist, beeinflussen die Bedienerschulung und -erfahrung die Messqualität. Während dieser Studie trugen begrenzte Erfahrungen zu einer gewissen Variabilität bei. Praktische Schulungen verbessern die Auslegung von Fahnen, das Umweltbewusstsein und die Anwendung von Best Practices, die alle zuverlässigere Ergebnisse unterstützen.

Szenenbewusstsein ist entscheidend für die Quantifizierung 

QOGI-Bild, das die Herausforderungen von Fremdkörpern wie LDAR-Tags zeigt, die in der Szene hängen, die mit einem OGI-Imager gemessen wird.

Das Verständnis der anwendbaren Faktoren, die an QOGI als Technologie beteiligt sind, ist ebenfalls entscheidend, um positive Ergebnisse zu erzielen. Diese sind nicht herausfordernd oder überwältigend, erfordern jedoch ein minimales Verständnis der Technologie als Ganzes. Ein Beispiel bezieht sich auf das, was sich in der Szene befindet, in der ein Leck gemessen wird. Ziemlich oft wurde ein Leck bereits identifiziert und muss mit fortschrittlicher Technologie wie QOGI gemessen werden. In einem solchen Fall kann es ein Etikett oder Band geben, das das Leck identifiziert, das nach der Messung repariert werden muss. In der Abbildung oben befindet sich ein LDAR-Tag, das über die Szene stößt und sich in den Messbereich der QOGI-Technologie hinein- und herausbewegt. Ein grundlegendes Verständnis der Technologie würde sicherstellen, dass ein Bediener dieses Tag vor der Messung entfernt.

Umweltbedingungen können die Ergebnisse beeinträchtigen, sind aber nachweisbar

QOGI-Bild, das Pooling-Effekte zeigt, wenn ein Leck an einem Ort bleibt und nicht von innerhalb der Messgrenze wandert, um den Ring zu überqueren.

Ein weiteres Beispiel für das Verständnis der Technologie ist das Wissen, wie externe Umgebungsfaktoren die Ergebnisse beeinflussen können. Bei Messungen unter windigen Bedingungen ist es immer am besten, zu versuchen, zu messen, wenn das Leck horizontal über die Szene fährt, da wir eine zweidimensionale Technologie verwenden, um ein dreidimensionales Ereignis zu messen. Und wenn windige Bedingungen minimal sind, sollte ein QOGI-Benutzer sicherstellen, dass die Emission nicht in der Mitte des Bildes „poolt“ oder sich innerhalb des Kreises bewegt, während er die Richtung mehrmals ändert, bevor er den Messring verlässt, was sich negativ auf die Messung auswirken würde. Oben ist ein Beispiel für das Poolen in einem Bild, das ein Leck zeigt, das sich innerhalb der Messgrenze bewegt, bevor er den Ring verlässt. In diesem Fall wäre die Messung viel niedriger als erwartet, aber ein geschulter Benutzer beim Betrieb der Kamera im Feld sehen würde. Umlauf wäre, können wir die Ergebnisse ausschließen, dass

QOGI entwickelt sich weiter, um die realen Bedingungen anzugehen

Während eine angemessene Schulung und ein fundiertes Verständnis der Technologie den Betreibern in vielen Szenarien helfen werden, gibt es einige Herausforderungen bei der Verwendung von QOGI vor Ort, die schwieriger zu überwinden sind. Selbst bei solidem Training und einem fundierten Verständnis von QOGI sind einige Feldbedingungen von Natur aus schwierig, um den Betreibern bei der Bewältigung dieser Realitäten zu helfen, haben Technologieanbieter – einschließlich Flir – zusätzliche Funktionen hinzugefügt, die die Auswirkungen schwieriger Umgebungen reduzieren und die Messsicherheit verbessern sollen. 

Umweltbedingungen können abgeschwächt, aber nicht beseitigt werden

Ein spezifisches Beispiel sind bewölkte Bedingungen. Da Wolken aus feinen Wassertröpfchen bestehen, können sie in der Infrarotszene auftreten und in einigen Fällen kann ihre Bewegung einer Fahnenbewegung ähneln, was die Quantifizierung komplexer macht und in dieser Studie dazu neigt, Messungen zu verzerren. Da die Anwender Messungen nicht auf perfekte, klare Bedingungen beschränken können, ist es wichtig, diese Auswirkungen zu verstehen und die verfügbaren Werkzeuge anzuwenden, um sie zu mindern. In der obigen Abbildung bewegt sich die Fahne von links nach rechts, während sich Wolken im Hintergrund befinden; der Bediener maskierte daher einen Teil des Messrings (ca. „6 Uhr“ bis „11 Uhr“), um den Hintergrundeinfluss zu reduzieren. 

Herausfordernde Testumgebungen spiegeln nicht immer die Feldbedingungen wider

Während TADI und METEC hervorragende Teststandorte für die Bewertung von Technologien sind, ist eine Herausforderung in diesen Testumgebungen Vegetation, die in realen Öl- und Gasanwendungen nicht so üblich ist.

In der Abbildung unten könnte die Technologie kleine Grasbewegungen auf dem Messring verwechseln, wie in der unteren Hälfte des Rings zu sehen ist, da sich Gas über den Kreis bewegt. Dies führt fast immer zu einer sehr hohen Messung, wenn man sich kleine flüchtige Emissionen wie diese ansieht. Ein geschulter Bediener würde wissen:

a) wenn möglich einen anderen Messwinkel wählen oder
b) die untere Hälfte des Rings ausblenden.

Wenn sich dieses Leck von der Ausrüstung in der Mitte zur Unterseite dieses Rings bewegen würde, wäre die Messung ders eine Herausforderung und würde wahrscheinlich negative Ergebnisse verursachen. In der Praxis sollten Bediener Wiederholungsmessungen und gegebenenfalls eine längere Messdauer zusätzlich zur Verwendung von Maskierung/Szenenpositionierung in Betracht ziehen, um das Vertrauen in das Ergebnis zu verbessern.

Feldtests informierten über sinnvolle Produktverbesserungen

Während der Tests bei TADI bemerkten die Bediener der Flir-Kamera auch einige Dinge, die in der Technologie implementiert und verbessert werden können. Wie bereits erwähnt, ist die Maskierung für eine erfolgreiche Messung entscheidend, war aber zuvor nur auf dem alten Quantifizierungstablet Flir QL320 verfügbar. Diese Funktion wurde der Kamera hinzugefügt und verbessert, indem auch die Bewegung des Rings an eine beliebige Stelle auf dem Bild ermöglicht wurde. 

Wir beobachteten auch Situationen, in denen die QOGI-Anzeige in der Kamera eine übersättigte Leckagefärbung in Bereichen zeigte, in denen keine Leckage vorhanden war. Im obigen Beispiel ist der Messwert sehr hoch, da der Imager die Ausrüstung einfärbt, obwohl keine visuellen Emissionen im Ring vorhanden sind. Dies kann durch Maskierung abgeschwächt werden, wäre aber für einen geschulten Bediener äußerst offensichtlich. Nach dem Lernen aus diesem Feldversuch wurde die QOGI-Technologie von Flir verbessert, um die Färbung von nicht austretenden Geräten zu reduzieren. 

Während des TADI-Tests gab es auch einige Szenarien, in denen ein Leck gemessen und sogar in der Kamera gesehen wurde, aber im QOGI-Imager nicht eingefärbt wurde. Mit dem obigen Bild kam ein kleines Leck von 100 g/h aus dem Flansch auf diesem Tank, das von der Kamera gemessen, aber nicht eingefärbt wurde. Dieses Phänomen wurde in der neuesten Technologieversion stark verbessert.

Nach den Tests in der TADI-Einrichtung wurden mehrere Verbesserungen an der QOGI-Technologie in der Kamera von Flir vorgenommen. Wie bereits erwähnt, wurde die Lösung um eine Maskierung erweitert, mit der der Messring von der Mitte des Bildes weg bewegt werden konnte. Die Analyse wurde verbessert, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, während die Fahnenfarbgebung verbessert wurde, um die Färbung der sichtbaren Emissionen zu gewährleisten und die Emissionsbewegung und -dynamik besser zu definieren. Im Bild oben werden sowohl die Maskierung als auch die neue Fahnenfarbe auf einem kleinen, leichteren Butanleck angezeigt.

Schlussfolgerungen und nächste Schritte

Die QOGI-Technologie von Flir in der Kamera erwies sich als erfolgreich bei der Bereitstellung aggregierter Emissionsschätzungen während der TADI-Tests. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl zeitliche als auch räumliche Gesamtemissionsschätzungen gute Gesamtemissionsinventarergebnisse liefern können; jedoch kann die Messung von Emissionen, die sowohl turbulent als auch dynamisch sind, in ihren Ergebnissen inkonsistent sein, was bei QOGI schwieriger sein kann. Um die einzelnen Messergebnisse besser darzustellen, hat die Technologie der In-Kamera-QOGI-Lösungen der G-Serie von Flir für jede Messung eine Unsicherheitsmessfunktion hinzugefügt. Dies soll dazu beitragen, die Emissionswerte auf Quellebene zu verstehen und sich an die Anforderungen einiger globaler Messstandards wie OGMP 2.0.In Ergänzung ermöglicht QOGI als Technologie den Benutzern nicht nur, ihre Emissionen zu messen, sondern auch ihre Emissionssituation besser zu verstehen, wie z. B. die Trennung von Messungen flüchtiger Emissionen von Betriebsereignissen.

Wir haben auch gelernt, dass es einige großartige Funktionen in der alten Flir QOGI-Technologie gibt, die nützlich sein können, wenn sie zur Kamera hinzugefügt wird, wie z. B. Maskierung. Mit der Weiterentwicklung der Technologie durch Flir werden im QL320 nach einigen Tests erweiterte Funktionen in die Kamera verschoben, wie z. B. das Super-Emitter-Kalibrierungstool und die Stabilisierungsfunktion, die die Verwendung von QOGI ohne Stativ ermöglicht.

Eine weitere Erkenntnis aus den Tests ist die Notwendigkeit, unsere Kalibrierungskurven mit höherem Volumen (Entlüftung) zu verfeinern, die in die QOGI-Kameratechnologie implementiert wurden.

Während wir uns die Landschaft der Methanmessung in den letzten 10 Jahren ansehen, als Flir und Providence Photonics QOGI als Technologie erfunden haben, hat sich in dieser Zeit viel verändert. Vor zehn Jahren lag der Schwerpunkt in der Methan-Messwelt auf flüchtigen Emissionen mit wenig Fokus auf größeren Freisetzungen vom Typ „Entlüftung“. Heute besteht der Wunsch nach einem breiteren Verständnis aller Emissionen innerhalb der Methan-Lieferkette, von kleinen flüchtigen Leckagen bis hin zu großen Entlüftungen emissions.As Flir hat seit 20 Jahren in der OGI-Welt einen kontinuierlichen Fokus auf bedingten und iterativen Innovationsverbesserungen der QOGI-Kameratechnologie, um sie einfacher zu bedienen, genauer und allgemein akzeptiert in Methanminderungsanwendungen zu machen.

Literaturhinweis:

1. TotalEnergies. (n.d.). TADI – Testzentrum mit internationaler Reichweite (Lacq).
2. Providence Photonics. (n.d.)
3. Konkawe. (2017). Bericht 17/2. 
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6. Flir Systems. (n.d.). Flir Systems schließt strategische Investitionen in Providence Photonics LLC ab. Flir News Center.
7. Geschäftsdraht. (2023, 4. April). Teledyne FLIR präsentiert optische Gasbildgebungskameras der G-Serie mit überlegener Gasquantifizierung und drahtloser Datenübertragung.