应用案例

Picarro G2301（艾伯塔省石油和天然气供应链中关键设施甲烷排放量的直接测量）

发表时间：2024-08-09

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摘要

加拿大政府计划到2025年将油气(O&G)甲烷排放量减少40-45%，到2030年减少75%。然而，近期的研究表明，加拿大联邦清单将排放量低估了1.4到2.0倍。2021年9月29日至11月6日期间，研究者对艾伯塔省16个上游油气设施进行了空中质量平衡测量，测量结果显示，平均排放量比报告的排放量高1.7倍（SD: 0.6）。在2022年8月12日至9月27日的后续活动中，研究者重点关注了研究不足的油气行业，覆盖了24个中游和终端使用设施，结果发现这些地点的CH₄排放量比报告值高3.4倍 (SD: 1.1)。通过将我们的测量结果外推到艾伯塔省，我们发现地下储气库占全省油气排放量的 1.6%，其次是天然气发电站/炼油厂，占比不到1.0%。甲烷排放量的普遍漏报凸显了对中游和终端使用设施进行更多实证测量的必要性。

研究目的

本研究的目的是量化加拿大艾伯塔省油气（O&G）供应链中关键设施的甲烷（CH₄）排放量，并通过直接测量来评估和比较现有的排放清单报告。研究的具体目的包括：

评估现有排放清单的准确性：通过直接测量，评估加拿大联邦排放清单是否低估了油气行业的甲烷排放量。
关注上游、中游和终端使用设施：研究不仅关注上游油气设施，还特别关注了以往研究较少涉及的中游和终端使用设施，如天然气发电站、炼油厂、石化厂和化肥厂。
空中测量：使用有人驾驶飞机搭载G2301高精度气体浓度分析仪和其他仪器，进行空中质量平衡测量，以获取更准确的排放数据。
比较测量与报告的排放量：将空中测量得到的甲烷排放量与运营商报告的排放量进行比较，以识别两者之间的差异。
外推省级排放量：通过外推方法，估算艾伯塔省油气供应链中不同部门的甲烷排放总量。
识别排放源：识别并量化油气供应链中的主要甲烷排放源，特别是那些在现有排放清单中可能被低估或未充分记录的排放源。
支持气候政策制定：提供更准确的排放数据，以支持制定和实施减少甲烷排放的政策和措施，从而对抗气候变化。
强调测量方法的重要性：通过这项研究，强调基于实际测量的报告方法比传统的排放因子乘以活动量的方法更为重要和准确。
促进未来研究：研究结果将促使未来的研究更加关注中游和终端使用设施的甲烷排放，以及如何改进这些部门的排放估计方法。

通过这些目的，研究旨在提高对艾伯塔省油气行业甲烷排放的理解，并为实现加拿大政府减少温室气体排放的目标提供科学依据。

图1：（A）艾伯塔省调查设施的空间分布（省边界为黑色）。（B）2021年上游和2022年中游及终端设施组CH₄排放的点图比较。点旁边的数字是每组的平均CH₄排放率，单位为kg/h。与X轴重叠的点表示排放率接近0 kg/h。一个地下储气库的排放量低于5 kg/h的空中MDL。此外，一个压缩机场地、一个油电池和两个天然气发电站的测量值低于5 kg/h。这些设施的排放估计值被MDL的一半所取代（美国环保局，2015年）。

研究方法

研究方法主要涉及使用有人驾驶飞机进行空中测量，以量化加拿大艾伯塔省油气供应链中甲烷(CH₄)的排放。以下是研究方法的详细步骤：

空中测量概述

1)与Scientific Aviation合作，使用空中质量平衡方法量化设施级别的CH₄排放。

2)2021年的活动在9月29日至11月6日进行，主要关注大型上游油气设施。

3)2022年的活动从8月12日到9月27日，重点收集中游和终端使用部门的实证数据。

设施选择

1)包括天然气处理厂、油气分离设施和油砂处理设施。

2)2022年活动中还包括了压缩站、地下天然气储存设施以及包括天然气发电站、炼油厂、石化厂和化肥厂在内的主要工业设施。

仪器和设备

1)使用G2301高精度气体浓度分析仪测量环境CH₄浓度。

2)测量风速、温度和相对湿度。

飞行采样计划

1)将垂直空间划分为多个高度区间，围绕感兴趣的设施进行多次不同高度的绕飞。

2)最低飞行高度为152米，避免在降雨、阵雨或降雪天气下进行采样。

排放量化

1)使用质量平衡方法，结合高斯定理和雷诺分解，估算每个高度循环的通量发散。

2)将通量发散与时间趋势和CH₄质量的垂直柱状体整合，得到设施级别的排放率。

质量保证和质量控制（QA/QC）

1)排除了边界层外的飞行圈数据。

2)G2301分析仪在活动前后使用NOAA的参考气体标准进行校准。

3)排除了风条件不稳定或不适合排放量化算法的测量。

通过这些方法，研究者能够获得比传统排放清单报告更为精确的甲烷排放数据，进而评估油气行业在减少温室气体排放方面的进展。

图2：2021年的上游重点航测。清单排放量基于2023年GHGRP报告，该报告发布了2021年运营商报告的排放量（加拿大环境与气候变化，2023a）。误差为1个标准偏差。显示了三个带有设施名称标签的示例站点。Resthaven和PAW油砂电池设施进行了两次调查，并对标签进行了相应编号。标签中的第二个数字是实测排放量与库存报告的比率。黑色实线是1:1的线。两条虚线是1:2和2:1的坡度线。

图3：2022年中游和终端部门的航空调查。库存排放量基于2021年运营商报告（加拿大环境与气候变化，2023a），误差为1个标准偏差。示例站点显示为带有标签的名称，名称后面的数字表示测量与清单报告排放量的比率。黑色实线是1:1的线，两条虚线是1:2和2:1的坡度线。右上角的插图显示了一个排放率为324±84（17圈）kg/h的化肥厂。21次测量中有8次没有显示，因为这些设施在2021年没有向GHGRP计划报告。

Picarro仪器的使用

G2301是一款由Picarro Inc.生产的高精度气体浓度分析仪，它在这项研究中的主要作用是测量环境空气中的甲烷(CH₄)浓度。具体来说，G2301气体分析仪在飞机上以1Hz的频率测量甲烷浓度，这是通过安装在飞机右翼下方的1/8英寸外径不锈钢采样探头进行的，该探头也用于测量风速。

甲烷是一种重要的温室气体，其全球变暖潜能（GWP）远高于二氧化碳。因此，准确测量甲烷排放对于理解和管理油气行业的环境影响至关重要。G2301气体分析仪的使用，使得研究团队能够在空中进行高精度的甲烷排放测量，这对于评估和验证地面报告的排放数据至关重要。

通过这些测量，研究者可以确定甲烷排放量是否被现有排放清单低估，以及存在哪些具体的排放源。这对于制定减少甲烷排放的政策和策略具有重要意义。

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