Τηλεπισκόπιση του μεθανίου και του υποξειδίου του αζώτου από τα απόβλητα αποτέφρωσης

Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπος τίτλος: Remote sensing of methane and nitrous oxide fluxes from waste Incineration

Συγγραφέας: Magnus Gålfalk and David Bastviken

Πηγή

Εισαγωγή

Εκτός από τους υδρατμούς (Η2Ο), τα κύρια αέρια του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της γης είναι το διοξείδιο του άνθρακα (C02), το μεθάνιο (CΗ4) και το οξείδιο του αζώτου (Ν2Ο). Παρά το γεγονός ότι το CΟ2 είναι το πιο ευρέως παρακολουθούμενο αέριο του θερμοκηπίου , το CΗ4 και το Ν2Ο έχουν συντελεστή βαρύτητας 86 και 268 φορές του CΟ2 αντίστοιχα σύμφωνα με την IPCC, δηλαδή 1gr CH4 και 1gr Ν2Ο ισούνται με 86gr και 268gr CΟ2 αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα παραπάνω οι δραστηριότητες που συμβάλλουν στις εκπομπές CΗ4 και Ν2Ο είναι πολύ σημαντικές και πρέπει να υπάρχει συχνή παρακολούθηση. Η ατελής καύση είναι μια από αυτές και η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στις εκπομπές αερίων από την καύση αποβλήτων. Η διαχείριση των αποβλήτων αποτελεί ένα σημαντικό αντικείμενο για την κοινωνία και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Οι ΧΥΤΑ είναι ευρύτερα γνωστό ότι παράγουν μεγάλες ποσότητες CH4 έτσι η αποτέφρωση αποβλήτων αποτελεί μια ωφέλιμη εναλλακτική λύση με την παραγωγή ενέργειας από τα απόβλητα. Στην συγκεκριμένη μέθοδο οι εκπομπές εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως, τον τύπο αποβλήτων που χρησιμοποιούνται για αποτέφρωση, τη θερμοκρασία αποτέφρωσης, τον καθαρισμό των αερίων που εξέρχονται στον αέρα και από τον τύπο της μονάδας αποτέφρωσης. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως για την εύρεση των αέριων εκπομπών είναι η επιτόπια δειγματοληψία του καυσαερίου όμως αυτή η εργασία παρουσιάζει μια εναλλακτική μέθοδο που βασίζεται σε μια τεχνική τηλεπισκόπισης από το έδαφος για μη παρεμβατικές άμεσες μετρήσεις του CH4 και του N2O. Με τη μέθοδο αυτή έχουμε τη δυνατότητα να πραγματοποιήσουμε μετρήσεις σε απόσταση εκατοντάδων μέτρων καθώς επίσης να εφαρμοστεί σε μονάδες παραγωγής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν άλλα είδη καυσίμων όπως ορυκτά καύσιμα.

Μεθοδολογία

Σε αυτή τη μελέτη λήφθηκαν μετρήσεις, μια προσαρμοσμένη μεγάλου μήκους κύματος απεικόνιση φασματομετρικού μετασχηματισμού Fourier (IFTS) και στον πίνακα 1 μπορούμε να δούμε μια περίληψη των μετρήσεων του οργάνου για τις δύο περιπτώσεις, όπως και τη διάρκεια που αντιπροσωπεύει το συνολικό χρόνο λήψης της απεικόνισης. Η τηλεπισκόπιση χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση των ροών του CH4 και του Ν2Ο από την καμινάδα μια μονάδας αποτέφρωσης αποβλήτων που χρησιμοποιεί καθαρό κρύο ουρανό σαν φόντο. Οι μετρήσεις έγιναν σε δύο περιπτώσεις, από αποστάσεις των 153m και 183m χρησιμοποιώντας φασματικές αναλύσεις 1 και 0,25cm-1 αντίστοιχα. Επίσης πρόσθετος εξοπλισμός περιλαμβάνει ένα λέιζερ με ευρύ φάσμα που χρησιμοποιείται για μετρήσεις σε επιλεγμένα σημεία της καμινάδας όπου σε συνδυασμό με τις φασματικές εικόνες μπορούν να ληφθεί η ποσότητα του CH4, Ν2Ο και του H2Ο. Στο Β κομμάτι της εικόνας 1 έχουμε την απόσταση από την κορυφή της καμινάδας (σημείο 1) όπου είναι 153m. Βλέπουμε τις εκπομπές που είναι διαφανείς στο σημείο 2 ενώ η συμπύκνωση υδρατμών σε σταγόνες κάνει τις εκπομπές αδιαφανείς στο σημείο 3. Τέλος, το σημείο 4 μας δείχνει το φόντο που είχαμε υποθέσει, ψυχρό και καθαρό ουρανό (εικόνα 1). Στην εικόνα 2 μπορούμε να δούμε το διαχωρισμό σε στρώματα που έχει γίνει όπου το πρώτο είναι ο κρύος ουρανός, το δεύτερο είναι το αέριο που εκπέμπεται από την καμινάδα (πλούμιο) και το τρίτο περιέχει τον αέρα μεταξύ της καμινάδας και της κάμερας(IFTS). Οι παράμετροι του πλουμίου διαμορφώνονται από την φασματοσκοπία. Η θερμοκρασία του πλουμίου αποδίδει με τη σειρά της μια έντονη ακτινοβολία μαύρου σώματος αλλά προς ένα μη διαφανές τμήμα του πλουμίου. Όπως φαίνεται στην εικόνα 3 αυτό μπορεί να γίνει επιλογή των αριθμών των κυμάτων με το πλούμιο σε πρώτο πλάνο ώστε να μπορούν να ανακτηθούν τα απαραίτητα αποτελέσματα. Επίσης για κάθε περίπτωση υπάρχουν διαφορετικές φασματικές κλίμακες 0-15% για A και D, 15-30% για το B και E και 99-100% για το C και το F ( η περιοχή που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των προτύπων ροής, φαίνεται με λευκό χρώμα). Στην εικόνα 4 αφαιρούνται τα κακά εικονοστοιχεία ενισχύοντας τη δομική αντίθεση διατηρώντας το μέσο σήμα γύρω από το μηδέν. Εκεί έχουμε 4 επιμέρους εικόνες όπου στην Α έχουμε την ενιαία εικόνα, στην Β δύο εικόνες (κόκκινο και κυανό χρώμα) με χρονική καθυστέρηση 0,1s, στην C όπως και στην Β μετά την αφαίρεση κάθε εικόνας με πρόσθετες που λήφθηκαν 0,025s νωρίτερα, αυξάνοντας σημαντικά την αντίθεση και στην D οι δύο εικόνες που χρησιμοποιούνται για τα χαρακτηριστικά παρακολούθησης και τον υπολογισμό της ταχύτητας.

Αποτελέσματα

Στην εικόνα 5 μπορούμε να δούμε τους υπολογισμούς της αναλυτικής ταχύτητας αερίου χρησιμοποιώντας όλες τις συντεταγμένες του χρόνου όλων των γραμμαρίων που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της μέσης ταχύτητας αερίου κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Τα φασματοφοτόμετρα σε ορατές γραμμές ακριβώς πάνω από την έξοδο της καμινάδας δείχνουν σαφώς δύο φασματικά χαρακτηριστικά που κυριαρχούν στον κρύο ουρανό(εικόνα 6Α). Επίσης σε μια στενότερη φασματική περιοχή κοντά στην ισχυρή ζώνη του CH4 (1300-1307 cm-1) οι πυκνότητες των στηλών CH4 και Ν2Ο μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικές (εικόνα 6Β) καθώς το Ν2Ο έχει επίσης αρκετά ισχυρή απορρόφηση. στην εικόνα 6 τα κόκκινα σημεία αντιπροσωπεύουν τα σημεία μέτρησης δεδομένων ενώ η μαύρη καμπύλη είναι το καλύτερο μοντέλο συμπεριλαμβανομένων των Η2Ο, Ν2Ο και CH4. Από τις μέσες πυκνότητες στήλης και τη διάμετρο της καμινάδας εκτιμώμενη η συγκέντρωση CH4 στο νέφος πάνω από την καμινάδα είναι 27 και 16 ppm για τις δύο περιπτώσεις ενώ για το Ν2Ο αυτές οι συγκεντρώσεις είναι 31 και 22 ppm. Η μελέτη αυτή μας δείχνει τη δυνατότητα μέτρησης των εκπομπών CH4 και Ν2Ο χρησιμοποιώντας την τηλεπισκόπιση από το έδαφος. Συνολικά, υπάρχει ανάγκη καλύτερης ποσοτικοποίησης των επιπέδων και των μεταβλητών ποσότητας όσον αφορά τις εκπομπές του CH4 και N2O από μονάδες αποτέφρωσης με συγκρίσιμη μεθοδολογία. Η προσέγγιση τηλεπισκόπησης που περιγράφεται εδώ έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να κάνει μετρήσεις από απόσταση αρκετών εκατοντάδων μέτρων. Επομένως, έχει την ικανότητα να προσδιορίζει γρήγορα τα ρεύματα από πολλές διαφορετικές μονάδες αποτέφρωσης με τις ίδιες συγκρίσιμες μεθοδολογία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη πιο αξιόπιστων συντελεστών εκπομπών ή δυναμικά μοντέλα εκπομπών αερίων.