Исследователи из Европы разработали способ обнаружения утечек метана, скрытых в разрушающейся инфраструктуре. Это часть малоизвестной гонки за сокращением выбросов парниковых газов.
30-летний Маазаллахи является участником MEMO2, государственно-частного исследовательского проекта в семи странах, который обучает ученых обнаруживать утечки метана при производстве ископаемого топлива и в муниципальной инфраструктуре по всей Европе. Метан является основным компонентом природного газа, который вытесняет своих более грязных собратьев в качестве источника электроэнергии.
Однако исследователи обнаружили, что трубы, доставляющие весь этот газ, намного более негерметичны, чем предполагают коммунальные компании. Исследование Маазаллахи уровней метана в Утрехте и Гамбурге недавно опубликованное в научном журнале Atmospheric Chemistry and Physics, обнаружило 81 явную утечку в сети Утрехта и 145 в Гамбурге. Природный газ также способствует образованию приземного озона, который усугубляет астму — насущную проблему здравоохранения. Он также может взорваться, если скапливается в замкнутом пространстве.
Но помимо более локальных проблем безопасности, эта проблема имеет планетарную составляющую: она играет значительную роль в глобальном потеплении. Теперь, когда США вновь присоединяются к борьбе за климат, ведущейся в Европе и других странах, поиск новых способов обуздать парниковые газы станет еще более приоритетным. Борьба с ветхими сетями природного газа, скорее всего, займет первое место в этом списке.
Метан, также известный как СН4, является вторым по распространенности антропогенным парниковым газом после углекислого газа. Но он в 25 раз эффективнее улавливает тепло. Более высокая эффективность в сочетании с более коротким сроком службы — возможно, дюжина лет, а не столетие или более для CO2 — вывела его на передний план стратегий смягчения последствий изменения климата.
В долгосрочной перспективе, скажем к 2100 году, нам нужно будет значительно сократить выбросы CO2, если мы хотим избежать сельскохозяйственной катастрофы. Но для достижения целей, поставленных на 2030 год Парижским соглашением, а именно уровней выбросов, которые удерживают потепление ниже 2ºC, лучше сосредоточиться на сокращении выбросов метана.
«Все, что мы можем сделать для сокращения выбросов метана сейчас, помогает нам выиграть больше времени для решения проблемы выбросов CO2 в будущем», — говорит Роберт Джексон, профессор науки о системах Земли в Стэнфордском университете и директор глобального углеродного проекта, сотрудничества сотен ученых по всему миру, стремящихся сделать данные о парниковых газах доступными для общественности.
Но самое большое препятствие для борьбы с выбросами метана заключается в том, что, хотя мы знаем, что количество CH4 в атмосфере увеличилось более чем вдвое примерно с 1750 года, мы не знаем всех его источников. Помимо производства ископаемого топлива, метан также поступает со свалок, животноводства, сельского хозяйства и водно-болотных угодий.
Удобно для исследователей, что метан, полученный из ископаемого топлива, имеет химическую сигнатуру, которая отличается от других источников. Это различие помогло Бенджамину Хмиелю выяснить, сколько из них мы выбрасываем в атмосферу, сжигая ископаемое топливо. Для его докторской диссертации, опубликованная в журнале Nature, Хмиель исследовал воздушные карманы в древних льдах Гренландии, чтобы измерить долю ископаемого метана. Затем он вычел его из того, что находится в воздухе сегодня, и определил ископаемый метан, за который ответственны люди.
«Мы не понимали масштаба, пока не провели измерения», — сказал Хмиель, исследователь из Фонда защиты окружающей среды. «Оказывается, что наши выбросы метана на основе ископаемого топлива на 25% -40% выше, чем мы думали ранее, хотя научное сообщество продолжает обсуждать полученные результаты».
Так откуда же берется весь этот дополнительный метан? Видимо, отчасти из-за утечек.
Нефтяная и газовая промышленность и агентство по охране окружающей среды США ранее оценивали выбросы метана от буровых работ, проводя измерения в нескольких местах, а затем экстраполируя. Но в последнее время ученые оснастили спутники приборами, чтобы обеспечить более точную картину. Чем больше они смотрели, тем больше понимали, насколько эти оценки далеки от истины.
В прошлом году исследователи из нидерландского Института космических исследований SRON выяснили, что метан из Пермского бассейна, Центра буровой деятельности в Техасе и Нью-Мексико, был вдвое выше прежних оценок.
«Самая большая область добычи нефти в США выбрасывает гораздо больше метана, чем заявляет промышленность», — сообщил ведущий автор исследования Судханшу Пандей.
Его исследование показало, что вклад в глобальное потепление метана, просочившегося и выброшенного из Пермского периода, эквивалентен выбросам CO2 всех американских домохозяйств за 20-летний период.
Некоторые выбросы от добычи ископаемого топлива неизбежны, например, когда метан, попавший в ловушку в угольных шахтах, должен быть сброшен, чтобы избежать опасных условий. Но некоторых из них можно избежать, и операторы вряд ли будут платить штрафы за случайный выброс, согласно исследованиям Центра Нисканена в Вашингтоне. Норвегия является лидером в налогообложении этих выбросов и, таким образом, стимулировании сокращения утечек. Но лоббисты индустрии ископаемого топлива в Северной Дакоте и Вайоминге — двух крупнейших нефтедобывающих штатах США — пресекли попытки Америки подражать скандинавам.
В то время как объекты по производству ископаемого топлива, безусловно, являются самым большим источником утечек, трубопроводы, которые тянутся от этих установок к потребителям, огромны и способны обогнуть Землю 120 раз, если проложить их впритык. По оценкам EPA, на долю распределения ископаемого топлива приходится лишь 7% выбросов метана в системе природного газа — однако последние исследования показывают, что это число может быть низким.
Исследование 2015 года в городе Индианаполис показало, что утечки там производили эквивалент глобального потепления потребления электроэнергии до 42 000 домашних хозяйств. В Бостоне в распределительной сети этого города было обнаружено 2,7% утечек.
«Вашингтон, округ Колумбия, очень «дырявый», Балтимор очень «дырявый», как и Провиденс, Род-Айленд», — говорит Натан Филлипс, исполняющий обязанности директора лаборатории устойчивого соседства Бостонского университета, который опубликовал исследование утечки из систем распределения природного газа.
С разваливающейся инфраструктурой Америки проблема только усугубляется. Для сравнения, в районах, где недавно были заменены трубопроводы, на 95% меньше утечек на милю, говорит Джексон. Маргарет Хендрик, одна из студенток Филлипса, показала в исследовании 2016 года, опубликованном в журнале «Загрязнение окружающей среды», что только 7% утечек ответственны за 50% газа, выходящего из труб коммунальных служб.
Ограничение даже небольшой их части может иметь большое значение для сокращения выбросов парниковых газов.
Несмотря на то, что инфраструктура в целом лучше поддерживается, чем в Америке, Европа тоже не застрахована от старых труб.
Маазаллахи для своих исследований пользуется кольцевым спектрометром резонатора, который может стать важным инструментом в борьбе за замедление глобального потепления. Устройство, изготовленное компанией Picarro Inc. из Силиконовой долины, содержит три великолепно отполированных треугольных зеркала. Внутри 1-литрового контейнера, находящегося в 80-процентном вакууме, лазерный импульс, настроенный на длину волны, на которой метан поглощает свет, отражается между зеркалами. Чем быстрее распадается свет, тем больше метана в полости. Одновременное измерение уровня CO2 показывает, являются ли высокие показатели метана просто показаниями проезжающего автомобиля, чей каталитический нейтрализатор нуждается в регулировке, или чем-то более коварным.
Маазаллахи говорит, что коммунальные службы используют десятилетнюю технологию для обнаружения утечек, но часто не могут количественно оценить, насколько велика утечка.
Филлипс утверждает, что его проект добрался до США, нанеся на карту инфраструктуру природного газа пригорода Бостона, и что он ведет переговоры с крупным городом восточного побережья США о захвате образцов метана на велосипедах и скутерах, которые могут попасть в переулки и другие места, куда не могут попасть в автомобили.
Полостной спектрометр Raindown, который также производится компанией Los Gatos Inc. и другими компаниями, является «очень стабильным, очень элегантным и очень точным способом измерения метана», говорит Филлипс.
Компания Bridger Photonics Inc., базирующаяся в Бозмене, штат Монтана, которая предоставляет данные о выбросах метана в нефтегазовой промышленности с помощью бортового лидара, обнаружила примерно четыре значительные утечки на квадратную милю при предварительном сканировании газораспределительных сетей столичных районов.
Пит Роос, генеральный директор Bridger, говорит, что его компания может найти большие утечки из воздуха даже быстрее, чем метод Маазаллахи, и что спрос на такие услуги растет.
«Природный газ вытесняется со всех сторон», — сказал Роос. «Произошла эволюция понимания того, что для того, чтобы эта отрасль выжила, нужно вести ответственные операции и держать этот газ в трубе».
