Panoramica

Dalla sua introduzione nel 2015, la rilevazione ottica quantitativa di gas (QOGI) è passata da un’adozione limitata e precoce a un uso più ampio in settori selezionati. Nell’ultimo decennio, diversi studi hanno valutato le prestazioni QOGI, con i risultati influenzati dalle differenze nella progettazione dei test, nelle condizioni ambientali e nel contesto applicativo.

I risultati di un recente test presso lo stabilimento Total Energies Anomalies Detection Initiatives (TADI) di Lacq, in Francia, si aggiungono a questo crescente gruppo di ricerca. La valutazione si è concentrata sia sui rilasci fuggitivi (meno di 1 kg/ora) che sui rilasci di sfiato ad alto volume (da 5 kg/ora fino a 50 kg/ora), integrando studi controllati precedenti e ampliando al contempo le informazioni in una gamma più ampia di scenari di rilascio. 

In questo test, la Flir G-Series con quantificazione integrata nella termocamera è stata valutata per i tassi di rilascio entro le curve calibrate della tecnologia attuale (da 12 g/h a 12 kg/h), che saranno ampliati a seguito di questo test. I test della tecnologia integrata nella termocamera Gx320 QOGI di Flir includevano 198 risultati di test da 15 punti di test delle perdite e hanno dimostrato prestazioni coerenti con i risultati riportati in precedenti studi indipendenti.

Quantificazione delle emissioni di metano

Il metano (CH4) è un gas serra altamente potente, con un potenziale di riscaldamento globale superiore di oltre 80 volte rispetto all’anidride carbonica (CO2) in un periodo di 20 anni. Nonostante la sua durata atmosferica relativamente breve, il metano accelera significativamente il cambiamento climatico grazie alla sua intensa capacità di intrappolamento del calore. Le principali fonti di emissioni di metano includono l’agricoltura (in particolare la coltivazione di bestiame e riso), la produzione di combustibili fossili, la distribuzione, le discariche e le zone umide naturali. 

L’urgenza di misurare le emissioni di metano deriva dalla necessità di identificare e quantificare queste fonti in modo accurato, consentendo strategie di mitigazione mirate. Una misurazione affidabile è essenziale per monitorare i progressi verso gli obiettivi climatici, per prendere decisioni sulle politiche e per garantire trasparenza e responsabilità negli sforzi di riduzione delle emissioni. Senza un solido monitoraggio (e misurazioni efficienti), gli sforzi per limitare le emissioni di metano rischiano di essere inefficaci o disorientati in modo errato.

QOGI si basa su decenni di sviluppo dell'imaging a infrarossi nel settore petrolifero e del gas. Flir ha commercializzato per la prima volta la tecnologia di rilevazione ottica di gas nel 2005 con l'introduzione di GasFindIR, un mezzo sicuro ed efficiente per visualizzare i pennacchi di gas durante le ispezioni di rilevamento e riparazione delle perdite (LDAR). Questi primi sistemi OGI erano qualitativi per progettazione, consentendo la visualizzazione senza misurare i tassi di emissione.

Questa tecnologia ha fornito una capacità unica di visualizzare le emissioni di gas ed eseguire ispezioni di rilevamento e riparazione delle perdite (LDAR) a distanza di sicurezza e in modo molto più efficiente. Tuttavia, questi sistemi erano qualitativi, in grado di visualizzare i pennacchi di gas ma non di misurare i tassi di emissione. Il passaggio alla quantificazione è iniziato a metà degli anni 2010, in particolare con lo sviluppo delle compresse Providence Photonics QL100 e QL320, che potrebbero essere abbinate alle termocamere Flir per stimare i tassi di perdita di metano utilizzando l’analisi a livello di pixel della radiazione infrarossa.

Le prime implementazioni sul campo di QOGI per la quantificazione del metano si sono verificate intorno al 2015, con studi di convalida condotti da organizzazioni come Concawe e l’Alberta Methane Field Challenge (AMFC) e studi più recenti come la valutazione METEC. Questi studi hanno testato l’accuratezza dei sistemi QOGI in condizioni controllate, mostrando errori di quantificazione che vanno dal +6% al -18%, rispettivamente per gli studi Concawe e AMFC. 

Entro il 2019, dopo una collaborazione formale tra Providence Photonics e Flir, l’industria petrolifera e del gas ha iniziato a utilizzare QOGI in campagne di campionamento su larga scala nei bacini petroliferi e del gas in Colorado, Nuovo Messico e Texas, dimostrando la sua applicazione pratica per le misurazioni delle emissioni di metano a livello di apparecchiature.

Oggi, QOGI è riconosciuto come uno strumento prezioso per i programmi di rilevamento e riparazione delle perdite (LDAR), che offre una quantificazione rapida e senza contatto delle emissioni di metano a distanze di sicurezza al di fuori del pennacchio stesso. È sempre più integrato nei quadri normativi e nelle pratiche del settore, soprattutto perché la mitigazione del metano diventa una priorità nell’ambito di politiche come la OGMP (Oil and Gas Methane Partnership) 2.0 e le norme sul metano sia negli Stati Uniti che nell’UE. 

Nonostante la sua promessa, la facilità d’uso e la flessibilità per le fonti difficili da misurare (DTM), QOGI affronta ancora alcuni ostacoli nell’applicabilità in determinate condizioni ambientali, stimolando la ricerca continua per perfezionare i suoi algoritmi ed espandere le sue capacità.

Metodologia tecnologica

Dalla sua introduzione, i flussi di lavoro QOGI richiedevano in genere due dispositivi separati: una termocamera per la rilevazione ottica di gas Flir e un tablet ad alte prestazioni che esegue analisi di quantificazione proprietarie. La misurazione è stata eseguita tramite un collegamento diretto via cavo o mediante la post-elaborazione delle immagini registrate.

Nell’aprile 2023, Flir ha presentato le termocamere OGI G-Series per il rilevamento di idrocarburi, COV e metano. Queste termocamere hanno integrato la quantificazione direttamente nel dispositivo, eliminando la necessità di hardware secondario.

Grazie alla tecnologia QOGI integrata, gli operatori possono eseguire ispezioni LDAR standard, ottenendo risultati quantitativi immediati sul campo. Questo approccio integrato semplifica i flussi di lavoro, riduce la complessità di configurazione e consente una misurazione più efficiente nell’intera catena di fornitura di petrolio e gas.

Configurazione per i test sul campo

L'impianto di test TADI situato a Lacq, in Francia, è rinomato in tutto il mondo per testare e qualificare tecnologie innovative di rilevamento e quantificazione delle fughe di gas, principalmente emissioni di CO₂ e metano. Questa struttura dispone di ampie capacità per facilitare sia piccole emissioni fuggitive, in questo intervallo di grammi all'ora a cifra singola, che emissioni di sfiato ad altissimo volume, fino a 50 chilogrammi all'ora, presso lo stesso sito di test.

I tecnici Flir di TADI hanno eseguito i test nell’arco di quattro giorni, separando i tipi di emissioni in due categorie: emissioni fuggitive e sfiati.

• Per le emissioni fuggitive, i tassi di emissione variavano da 5 grammi/ora (uno degli esperimenti di test era per un esperimento falso negativo di 0 grammi/ora) fino a 612 grammi/ora. 
• Con i rilasci dello sfiato, i tassi di emissione variavano da 5 kg/ora a 50 kg/ora.

Durante questo test sul campo, i tecnici di Flir hanno eseguito oltre 1.100 misurazioni da oltre 30 campioni di test per comprendere meglio le capacità di QOGI come tecnologia e per migliorare le soluzioni quantitative leader del settore di Flir.

Figura 1: Condizioni meteorologiche in Lacq durante i test

Durante il test, l'operatore della termocamera ha misurato da una varietà di distanze rappresentative della pratica sul campo, da 2,5 m a 16 m per perdite fuggitive e da 4 m a 16 m per le aperture di sfiato. Le condizioni riflettevano anche la tipica variabilità quotidiana, con copertura delle nuvole mattutine e pomeriggi più chiari, e temperature che variavano da circa 10 a 24 °C (50-75 °F). Le condizioni del vento erano generalmente da leggere a moderate, rimanendo al di sotto di 16 km/h (10 mph).

L'operatore primario della termocamera aveva un'esperienza sul campo limitata utilizzando i sistemi OGI ed è stato supervisionato da un operatore certificato con oltre 20 anni di esperienza OGI. Questa configurazione ha consentito di valutare le prestazioni in una gamma realistica di competenze utente.

Apprendimenti e approfondimenti chiave

Con l'esecuzione di test approfonditi, ci sono state diverse opportunità per saperne di più sull'applicazione, perfezionare la tecnologia e persino creare nuove funzionalità per soddisfare le esigenze del mercato.

Le misurazioni aggregate sono più coerenti delle letture individuali

I test hanno supportato sia la teoria sottostante che la ricerca precedente, mostrando una migliore accuratezza di quantificazione nei risultati aggregati insieme all’aumento previsto della variabilità tra le singole misurazioni QOGI.

Piccole perdite fuggitive mostrano una percentuale di errore maggiore, un impatto assoluto inferiore

Le piccole perdite fuggitive tendono a mostrare un errore percentuale più elevato a causa della loro bassa grandezza assoluta, anche quando le deviazioni sono minime. Tuttavia, se aggregate, queste emissioni producono risultati di inventario più affidabili. Gli sfiati più grandi presentano tipicamente una percentuale di errore inferiore, ma rappresentano un maggiore impatto sulle emissioni assolute, sottolineando l’importanza di una quantificazione accurata nell’intero spettro delle emissioni.

Le aperture di sfiato più grandi producono una percentuale di errore inferiore, ma un maggiore impatto sulle emissioni

Ci sono molteplici applicazioni in cui i risultati aggregati possono essere applicati nei mercati in cui viene utilizzata la QOGI. Gli operatori potrebbero prendere in considerazione l’utilizzo di questo metodo in una situazione spaziale facendo la media delle letture su più siti o in un’ampia regione in cui operano o in una misura più temporale effettuando le letture in una settimana, un mese o persino un anno, come spesso richiesto per gli inventari annuali di emissioni. Anche se i singoli risultati possono avere un errore, alto o basso, il risultato dell’utilizzo di tecnologie come QOGI per misurare le emissioni di una singola fonte, quando aggregate, è probabilmente più accurato rispetto all’uso di fattori di emissione predeterminati. 

Gli approcci basati sulla misurazione preparano gli operatori all'evoluzione delle normative

Adottando gli approcci basati sulla misurazione in anticipo, gli operatori si posizionano in anticipo rispetto all’evoluzione dei quadri normativi e di reportistica che stanno sottolineando sempre più la quantificazione, la trasparenza e la comprensione a livello di fonte. Man mano che le normative continuano a svilupparsi, questi operatori sono meglio preparati a soddisfare i requisiti futuri senza cambiare radicalmente i loro flussi di lavoro. Gli approcci basati sulla misurazione consentono di riflettere questi investimenti nel tempo, dimostrando progressi reali man mano che le aspettative di reportistica si spostano verso la quantificazione.

Formazione degli operatori e qualità della misurazione dell'influenza sull'esperienza

Sebbene QOGI sia semplice da usare, la formazione e l'esperienza degli operatori influenzano la qualità della misurazione. Durante questa sperimentazione, l’esperienza limitata ha contribuito a una certa variabilità. La formazione pratica migliora l’interpretazione dei pennacchi, la consapevolezza ambientale e l’applicazione delle migliori pratiche, che supportano risultati più affidabili.

La consapevolezza delle scene è fondamentale per la quantificazione 

Immagine QOGI che mostra le sfide di oggetti estranei, come i tag LDAR, appesi nella scena che viene misurata con un imager OGI.

Anche comprendere i fattori applicabili coinvolti nella QOGI come tecnologia è fondamentale per ottenere risultati positivi. Questi non sono impegnativi o travolgenti, ma richiedono una comprensione minima della tecnologia nel suo complesso. Un esempio è correlato a ciò che si trova nella scena in cui viene misurata una perdita. Molto spesso, una perdita può essere stata precedentemente identificata e deve essere misurata con una tecnologia avanzata, come QOGI. In tal caso, potrebbe esserci un'etichetta o un nastro che identifica la perdita da riparare dopo la misurazione. Nell'immagine sopra, c'è un tag LDAR che soffia attraverso la scena e si sposta dentro e fuori dall'area di misurazione per la tecnologia QOGI. La comprensione di base della tecnologia garantirebbe che un operatore rimuova questo tag prima della misurazione.

Le condizioni ambientali possono influenzare i risultati, ma sono rilevabili

Immagine QOGI che mostra gli effetti di pooling quando una perdita rimane in un punto e non si sposta dall'interno del confine di misurazione per attraversare l'anello.

Un altro esempio di comprensione della tecnologia è sapere in che modo i fattori ambientali esterni possono influenzare i risultati. Quando si misura in condizioni di vento, è sempre meglio tentare la misurazione quando la perdita si sposta orizzontalmente lungo la scena, poiché stiamo utilizzando una tecnologia bidimensionale per misurare un evento tridimensionale. E quando le condizioni di vento sono minime, un utente QOGI vorrebbe assicurarsi che l’emissione non si “aggrovini” all’interno del centro dell’immagine o si sposti all’interno del cerchio mentre cambia direzione più volte prima di lasciare l’anello di misurazione, il che influirebbe negativamente sulla lettura. Di seguito è riportato un esempio di accumulo in un’immagine che mostra una perdita che si sta muovendo all’interno del confine di misurazione prima di lasciare l’anello. In questo caso, la misurazione sarebbe molto inferiore del previsto, ma un utente esperto lo vedrebbe quando utilizza la termocamera sul campo. Per valutare tutte le condizioni, potremmo riscontra

QOGI continua a evolversi per affrontare le condizioni del mondo reale

Anche se una formazione e una comprensione corrette della tecnologia aiuteranno gli operatori in molti scenari, ci sono alcune sfide quando si utilizza la QOGI sul campo che sono più difficili da superare. Anche con una solida formazione e una solida comprensione della QOGI, alcune condizioni sul campo rimangono intrinsecamente difficili da aiutare gli operatori a navigare in queste realtà, i fornitori di tecnologia, Flir incluso, hanno aggiunto funzionalità progettate per ridurre l’impatto degli ambienti difficili e migliorare la fiducia nella misurazione. 

Le condizioni ambientali possono essere mitigate ma non eliminate

Un esempio specifico sono le condizioni nuvolose. Poiché le nuvole sono composte da goccioline d’acqua fine, possono apparire nella scena infrarossa e, in alcuni casi, il loro movimento può assomigliare al movimento del pennacchio, rendendo la quantificazione più complessa e, in questo studio, tendendo a ridurre le misurazioni dei bias. Poiché gli operatori non possono limitare le misurazioni a condizioni perfette e di cielo limpido, è importante comprendere questi effetti e applicare gli strumenti disponibili per mitigarli. Nell'immagine precedente, il pennacchio si sposta da sinistra a destra mentre ci sono nuvole sullo sfondo; l'operatore ha quindi mascherato parte dell'anello di misurazione (circa "ore 6" a "ore 11") per ridurre l'influenza sullo sfondo. 

Gli ambienti di test difficili non sempre riflettono le condizioni del campo

Sebbene TADI e METEC siano eccellenti sedi di test per la valutazione delle tecnologie, una sfida riscontrata in questi ambienti di test è la vegetazione, che non è così comune nelle applicazioni del mondo reale nel settore petrolifero e del gas.

Nell’immagine seguente, la tecnologia potrebbe confondere piccoli movimenti di erba sull’anello di misurazione, come si vede nella metà inferiore dell’anello, come gas in movimento attraverso il cerchio. Ciò si traduce quasi sempre in una misurazione molto elevata quando si osservano piccole emissioni fuggitive, come questa. Un operatore addestrato saprebbe:

a) scegliere un angolo di misurazione diverso, se possibile, o
b) mascherare la metà inferiore dell'anello.

Sfortunatamente, se questa perdita si spostasse dall’apparecchiatura al centro verso il fondo di questo anello, la misurazione di questo fenomeno sarebbe difficile e probabilmente causerebbe risultati negativi; in pratica, gli operatori dovrebbero considerare misurazioni ripetute, una maggiore durata della misurazione, ove appropriato, oltre all’uso del mascheramento/posizionamento della scena per migliorare la fiducia nei risultati.

Test sul campo Miglioramenti significativi dei prodotti

Durante i test presso TADI, gli operatori della telecamera Flir hanno notato anche alcune cose che possono essere implementate e migliorate nella tecnologia. Come discusso in precedenza, il mascheramento è fondamentale per una misurazione di successo, ma in precedenza era disponibile solo nel tablet di quantificazione Flir QL320 legacy. Questa funzione è stata aggiunta alla telecamera e migliorata consentendo anche il movimento dell’anello in qualsiasi posizione dell’immagine. 

Abbiamo anche osservato situazioni in cui il display QOGI integrato nella termocamera mostrava una colorazione delle perdite eccessivamente satura nelle aree in cui non era presente alcuna perdita. Nell'esempio precedente, la lettura è molto elevata perché l'imager colora l'apparecchiatura, nonostante non vi siano emissioni visive nell'anello. Questo può essere mitigato attraverso la mascheratura, ma sarebbe estremamente evidente per un operatore addestrato. Dopo aver appreso da questa prova sul campo, la tecnologia QOGI di Flir è stata migliorata per ridurre la colorazione delle apparecchiature senza perdite. 

Durante il test TADI, ci sono stati anche alcuni scenari in cui è stata misurata una perdita, e persino osservata nella termocamera, ma non colorata nell'imager QOGI. Con l'immagine sopra, c'è stata una piccola perdita di 100 g/ora proveniente dalla flangia sopra questo serbatoio che è stata misurata dalla termocamera ma non colorata. Questo fenomeno è stato migliorato notevolmente nella più recente revisione tecnologica.

Dopo i test presso la struttura TADI, sono stati apportati diversi miglioramenti alla tecnologia QOGI integrata nella termocamera di Flir. Come discusso in precedenza, il mascheramento è stato aggiunto alla soluzione con la possibilità di allontanare l’anello di misurazione dal centro dell’immagine. L’analisi è stata migliorata per garantire l’accuratezza della misurazione, mentre le capacità di colorazione del pennacchio sono state migliorate per garantire la colorazione delle emissioni visibili e definire meglio il movimento e la dinamica delle emissioni. Nell’immagine precedente, sia il colore del pennacchio che quello del pennacchio sono visualizzati su una piccola perdita di luce del butano.

Conclusioni e fasi successive

La tecnologia QOGI integrata nella termocamera di Flir si è dimostrata efficace nel fornire stime aggregate delle emissioni durante i test TADI. I risultati hanno dimostrato che le stime aggregate delle emissioni, sia temporali che spaziali, possono fornire buoni risultati complessivi dell’inventario delle emissioni; tuttavia, su base singolare, la misurazione delle emissioni che sono sia turbolenti che di natura dinamica può essere incoerente nei loro risultati, il che può essere più difficile con la QOGI. Per rappresentare meglio i risultati delle singole misurazioni, la tecnologia delle soluzioni QOGI integrate nella termocamera della G-Series di Flir ha aggiunto una funzione di misurazione dell’incertezza per ogni lettura. Ciò aiuta a comprendere i valori di emissione a livello di fonte e ad allinearsi ai requisiti di alcuni standard di misurazione globali, come OGMP 2.0.In aggiunta, la tecnologia QOGI consente agli utenti non solo di misurare le emissioni, ma anche di comprendere meglio la loro situazione di emissione, come la separazione delle misurazioni delle emissioni fuggitive dagli eventi operativi.

Abbiamo anche appreso che ci sono alcune grandi caratteristiche nella tecnologia legacy Flir QOGI che possono essere utili se aggiunte alla termocamera, come il mascheramento. Con l'evoluzione della tecnologia Flir, ci saranno funzioni più avanzate attualmente disponibili nel QL320 spostate nella termocamera dopo alcuni test, come lo strumento di calibrazione dei super emettitori e la funzione di stabilizzazione che consente l'uso di QOGI senza treppiede.

Un altro apprendimento dai test è la necessità di perfezionare le nostre curve di calibrazione a volume (vent) più elevato, che sono state implementate nella tecnologia integrata QOGI.

Mentre osserviamo il panorama della misurazione del metano negli ultimi 10 anni, quando Flir e Providence Photonics hanno inventato la tecnologia QOGI, in questo periodo sono cambiate molte cose. Dieci anni fa, l’enfasi principale nel mondo della misurazione del metano era rivolta alle emissioni fuggitive, con poca attenzione alle emissioni di tipo sfiato più grandi. Oggi, si desidera avere una comprensione più ampia di tutte le emissioni all’interno della catena di fornitura del metano, dalle piccole perdite fuggitive alle grandi bocchette emissions.As Flir ha fatto per 20 anni nel mondo OGI, ci sarà un’attenzione continua verso i miglioramenti dell’innovazione condizionale e iterativa della tecnologia integrata QOGI, che sarà più facile da usare, più accurata e ampiamente accettata nelle applicazioni di mitigazione del metano.

Riferimenti:

1. TotalEnergies. (n.d.). TADI – Centro di test con portata internazionale (Lacq).
2. Providence Photonics. (n.d.)
3. Concawe. (2017). Rapporto 17/2. 
4. Petroleum Technology Alliance Canada. (2024). Rapporto finale sulla Alberta Methane Field Challenge (AMFC). 
5. Centro di valutazione della tecnologia delle emissioni di metano (METEC). (2024). Valutazione METEC. ChemRxiv. 
6. Flir Systems. (n.d.). Flir Systems completa un investimento strategico in Providence Photonics LLC. Centro Notizie Flir.
7. Bonifico commerciale. (2023, 4 aprile). Teledyne FLIR presenta le termocamere per la rilevazione ottica di gas della G-Series con quantificazione del gas e trasferimento dati wireless di qualità superiore.