應用案例

Picarro G2301（艾伯塔省石油和天然氣供應鏈中關(guān)鍵設施甲烷排放量的直接測量）

發(fā)表時間：2024-08-09

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摘要

加拿大政府計劃到2025年將油氣(O&G)甲烷排放量減少40-45%，到2030年減少75%。然而，近期的研究表明，加拿大聯(lián)邦清單將排放量低估了1.4到2.0倍。2021年9月29日至11月6日期間，研究者對艾伯塔省16個上游油氣設施進行了空中質(zhì)量平衡測量，測量結(jié)果顯示，平均排放量比報告的排放量高1.7倍（SD: 0.6）。在2022年8月12日至9月27日的后續(xù)活動中，研究者重點關(guān)注了研究不足的油氣行業(yè)，覆蓋了24個中游和終端使用設施，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些地點的CH₄排放量比報告值高3.4倍 (SD: 1.1)。通過將我們的測量結(jié)果外推到艾伯塔省，我們發(fā)現(xiàn)地下儲氣庫占全省油氣排放量的 1.6%，其次是天然氣發(fā)電站/煉油廠，占比不到1.0%。甲烷排放量的普遍漏報凸顯了對中游和終端使用設施進行更多實證測量的必要性。

研究目的

本研究的目的是量化加拿大艾伯塔省油氣（O&G）供應鏈中關(guān)鍵設施的甲烷（CH₄）排放量，并通過直接測量來評估和比較現(xiàn)有的排放清單報告。研究的具體目的包括：

評估現(xiàn)有排放清單的準確性：通過直接測量，評估加拿大聯(lián)邦排放清單是否低估了油氣行業(yè)的甲烷排放量。
關(guān)注上游、中游和終端使用設施：研究不僅關(guān)注上游油氣設施，還特別關(guān)注了以往研究較少涉及的中游和終端使用設施，如天然氣發(fā)電站、煉油廠、石化廠和化肥廠。
空中測量：使用有人駕駛飛機搭載G2301高精度氣體濃度分析儀和其他儀器，進行空中質(zhì)量平衡測量，以獲取更準確的排放數(shù)據(jù)。
比較測量與報告的排放量：將空中測量得到的甲烷排放量與運營商報告的排放量進行比較，以識別兩者之間的差異。
外推省級排放量：通過外推方法，估算艾伯塔省油氣供應鏈中不同部門的甲烷排放總量。
識別排放源：識別并量化油氣供應鏈中的主要甲烷排放源，特別是那些在現(xiàn)有排放清單中可能被低估或未充分記錄的排放源。
支持氣候政策制定：提供更準確的排放數(shù)據(jù)，以支持制定和實施減少甲烷排放的政策和措施，從而對抗氣候變化。
強調(diào)測量方法的重要性：通過這項研究，強調(diào)基于實際測量的報告方法比傳統(tǒng)的排放因子乘以活動量的方法更為重要和準確。
促進未來研究：研究結(jié)果將促使未來的研究更加關(guān)注中游和終端使用設施的甲烷排放，以及如何改進這些部門的排放估計方法。

通過這些目的，研究旨在提高對艾伯塔省油氣行業(yè)甲烷排放的理解，并為實現(xiàn)加拿大政府減少溫室氣體排放的目標提供科學依據(jù)。

圖1：（A）艾伯塔省調(diào)查設施的空間分布（省邊界為黑色）。（B）2021年上游和2022年中游及終端設施組CH₄排放的點圖比較。點旁邊的數(shù)字是每組的平均CH₄排放率，單位為kg/h。與X軸重疊的點表示排放率接近0 kg/h。一個地下儲氣庫的排放量低于5 kg/h的空中MDL。此外，一個壓縮機場地、一個油電池和兩個天然氣發(fā)電站的測量值低于5 kg/h。這些設施的排放估計值被MDL的一半所取代（美國環(huán)保局，2015年）。

研究方法

研究方法主要涉及使用有人駕駛飛機進行空中測量，以量化加拿大艾伯塔省油氣供應鏈中甲烷(CH₄)的排放。以下是研究方法的詳細步驟：

空中測量概述

1)與Scientific Aviation合作，使用空中質(zhì)量平衡方法量化設施級別的CH₄排放。

2)2021年的活動在9月29日至11月6日進行，主要關(guān)注大型上游油氣設施。

3)2022年的活動從8月12日到9月27日，重點收集中游和終端使用部門的實證數(shù)據(jù)。

設施選擇

1)包括天然氣處理廠、油氣分離設施和油砂處理設施。

2)2022年活動中還包括了壓縮站、地下天然氣儲存設施以及包括天然氣發(fā)電站、煉油廠、石化廠和化肥廠在內(nèi)的主要工業(yè)設施。

儀器和設備

1)使用G2301高精度氣體濃度分析儀測量環(huán)境CH₄濃度。

2)測量風速、溫度和相對濕度。

飛行采樣計劃

1)將垂直空間劃分為多個高度區(qū)間，圍繞感興趣的設施進行多次不同高度的繞飛。

2)最低飛行高度為152米，避免在降雨、陣雨或降雪天氣下進行采樣。

排放量化

1)使用質(zhì)量平衡方法，結(jié)合高斯定理和雷諾分解，估算每個高度循環(huán)的通量發(fā)散。

2)將通量發(fā)散與時間趨勢和CH₄質(zhì)量的垂直柱狀體整合，得到設施級別的排放率。

質(zhì)量保證和質(zhì)量控制（QA/QC）

1)排除了邊界層外的飛行圈數(shù)據(jù)。

2)G2301分析儀在活動前后使用NOAA的參考氣體標準進行校準。

3)排除了風條件不穩(wěn)定或不適合排放量化算法的測量。

通過這些方法，研究者能夠獲得比傳統(tǒng)排放清單報告更為精確的甲烷排放數(shù)據(jù)，進而評估油氣行業(yè)在減少溫室氣體排放方面的進展。

圖2：2021年的上游重點航測。清單排放量基于2023年GHGRP報告，該報告發(fā)布了2021年運營商報告的排放量（加拿大環(huán)境與氣候變化，2023a）。誤差為1個標準偏差。顯示了三個帶有設施名稱標簽的示例站點。Resthaven和PAW油砂電池設施進行了兩次調(diào)查，并對標簽進行了相應編號。標簽中的第二個數(shù)字是實測排放量與庫存報告的比率。黑色實線是1:1的線。兩條虛線是1:2和2:1的坡度線。

圖3：2022年中游和終端部門的航空調(diào)查。庫存排放量基于2021年運營商報告（加拿大環(huán)境與氣候變化，2023a），誤差為1個標準偏差。示例站點顯示為帶有標簽的名稱，名稱后面的數(shù)字表示測量與清單報告排放量的比率。黑色實線是1:1的線，兩條虛線是1:2和2:1的坡度線。右上角的插圖顯示了一個排放率為324±84（17圈）kg/h的化肥廠。21次測量中有8次沒有顯示，因為這些設施在2021年沒有向GHGRP計劃報告。

Picarro儀器的使用

G2301是一款由Picarro Inc.生產(chǎn)的高精度氣體濃度分析儀，它在這項研究中的主要作用是測量環(huán)境空氣中的甲烷(CH₄)濃度。具體來說，G2301氣體分析儀在飛機上以1Hz的頻率測量甲烷濃度，這是通過安裝在飛機右翼下方的1/8英寸外徑不銹鋼采樣探頭進行的，該探頭也用于測量風速。

甲烷是一種重要的溫室氣體，其全球變暖潛能（GWP）遠高于二氧化碳。因此，準確測量甲烷排放對于理解和管理油氣行業(yè)的環(huán)境影響至關(guān)重要。G2301氣體分析儀的使用，使得研究團隊能夠在空中進行高精度的甲烷排放測量，這對于評估和驗證地面報告的排放數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

通過這些測量，研究者可以確定甲烷排放量是否被現(xiàn)有排放清單低估，以及存在哪些具體的排放源。這對于制定減少甲烷排放的政策和策略具有重要意義。