Projekt 35407/01

Entwicklung einer semi-autonomen Messdrohne zur Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Methanleckagen

Projektdurchführung

Zielsetzung

In der Reduktion von Methan-Emissionen wird aktuell ein großes Potenzial zur schnellen Eindämmung der globalen Erwärmung gesehen. Die Durchführung von Programmen zur Erkennung und Reparatur von Leckagestellen in der Gasinfrastruktur ist hierbei von enormer Bedeutung um die Emissionen zu verringern.

Die Quantifizierung einer Leckage, also die Bestimmung der Menge an entweichendem Methan pro Zeiteinheit, ist ein wichtiger Indikator zur Optimierung von Wartungs- und Instandsetzungsplänen. Mit den derzeit am Markt erhältlichen Lecksuchgeräten können Gasleckagen geortet, aber nicht quantifiziert werden. Zur Quantifizierung der Methan-Emissionen müssen zusätzliche zeit- und kostenintensive Verfahren angewendet werden die zudem mit hohen Messunsicherheiten behaftet sind.

An diesen Punkten setzt das durchgeführte Projekt mit der „Smarten Methan Drohne“ an. Ziel des Projektes ist es, die Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Methan-Emissionen mit einem neuartigen smarten, drohnen-basierten Messsystem zu ermöglichen. Das prototypisch zu entwickelnde Messystem soll in der Lage sein Gasleckagen mittels methanselektiver Fernmesstechnik zu detektieren. Die Leckagen sollen im Anschluss lokalisiert und quantifiziert werden. Eine intelligente, bedienerfreundliche Steuersoftware soll den praxistauglichen „Ein-Personen-Betrieb“ des Messsystems und damit eine kosteneffiziente Inspektion ermöglichen. Zusätzlich sollen mit diesem fliegenden Messsystem auch große und schlecht erreichbare Bereiche in kürzester Zeit inspiziert werden können.

Dadurch sollen Leckagen schneller entdeckt und beseitigt werden können. Was unmittelbar zu einer direkten Minderung von Methanemissionen führt.

Nach Demonstration der Zuverlässigkeit des Systems und mit den erforderlichen Genehmigungen soll das fliegende Messsystem im öffentlichen Raum z.B. zur Überprüfung des Erdgasnetzes, von Biogasanlagen, Deponien oder für Brückeninspektionen genutzt werden.

Arbeitsschritte

Das Projekt wurde in folgende Arbeitspakete (AP) gegliedert und soll innerhalb der Projektzeit von 24 Monaten bearbeitet, sowie durch ein hybrides Projektmanagements unterstützt werden:

Das erste Arbeitspaket "Szenariendefinition und Anforderungsanalyse" beinhaltet die Bestandsaufnahme und Aufgabenanalyse, sowie die Ableitung der Anforderungen und Definition relevanter Szenarien, welche in der Gesamtsystemspezifikation finalisiert werden. Dieses Arbeitspaket soll gemeinsam mit dem Kooperationspartner durchgeführt werden.

Das zweite Arbeitspaket "Aufbau des Experimentalsystems und Integration" beinhaltet die Beschaffung der Drohne und der Sensorik. Es erfolgt der Aufbau und die Hardware-Integration, sowie Tests der Messmodule mit der Drohne. Die verwendete Sensorik soll am Prüfstand messtechnisch charakterisiert werden. Dieses Arbeitspaket wird wesentlich durch den Kooperationspartner durchgeführt.

Das dritte Arbeitspaket „Messmethoden- und Verfahrensentwicklung“ beschäftigt sich mit der Identifizierung relevanter Einflussgrößen auf die Messung. Des Weiteren sollen Ansätze zur Kartierung von Methankonzentrationen und die Bestimmung von Emissionsquellen mit zugehörigen Wahrscheinlichkeiten erarbeitet werden. Auch die Entwicklung und Implementierung von Verfahren zur Flugpfadplanung für die Gewinnung von 3D-Informationen, sowie Verfahren zur Schätzung des Methanmassenstroms sollen bearbeitet werden.

In dem abschließenden vierten Arbeitspaket „Versuche und Tests“ sollen Inspektionsareale identifiziert werden. Nach einer umgebungsspezifischen Versuchsplanung sollen Testflüge durchgeführt werden, mit dem Ziel der Lokalisierung und Kartierung von Emissionsquellen. Dabei sollen die jeweiligen Methanemissionen quantifiziert und die verschiedenen Verfahren im Freifeld erprobt werden.

Ergebnisse

Als Ergebnis der Bearbeitung der aufgeführten Arbeitspakete liegt ein grundsätzlich funktionsfähiges Messsystem vor.

Das fliegende Messsystem, besteht aus einer kommerziell-verfügbaren, industriellen Quadcopter-Drohne und einem neuartigen Messmodul. Des Weiteren wurde eine Systemsteuerung mit smarten Funktionen zur Steuerung der Messmoduls (Automatikscanfunktionen), zur optimierten Erstellung von Flugrouten und zur Visualisierung der Ergebnisse im 3D-Raum entwickelt und validiert. Auf Basis der gesammelten Messdaten ist das System in der Lage die geortete Leckage hinsichtlich der Emissionsmenge zu quantifizieren. Die einzelnen Sensorkomponenten wurden in Laborversuchen und im Freifeld getestet. Dazu zählen u.a. die Eigenschaften des Fernmesssystems wie z.B. die Reichweite, die Empfindlichkeit und die Schnelligkeit des Sensors. Abschließend wurde das Gesamtsystem auf einem Modelflugplatz sowie unter praxisnahen Bedingungen auf einer Biogasanlage betrieben. Es wurden sowohl die Gesamtsystemstabilität (z.B. Funkverbindung, Positioniergenauigkeit) als auch die Systemsicherheit (z.B. Kollisionsvermeidung sowie Return-to-Home Funktion) erfolgreich getestet. Für die Validierungstests sind frei-strömende Testleckagen aufgebaut und bei verschiedenen Umgebungsbedingungen geortet und quantifiziert worden. In diesen Testflügen ist weiterhin die Praxistauglichkeit des Systems untersucht und bewertet worden. Details sind dem Abschlussbericht zu entnehmen.

Weiterhin konnte demonstriert werden, dass die Technik zur Leckortung, Lokalisierung und Quantifizierung eingesetzt werden kann.

Öffentlichkeitsarbeit

Zur Vorstellung des Messsystems und seiner Fähigkeiten wurde ein Konferenzbeitrag zusammengestellt:

Kistner, L., Schmoll, R. & Kroll, A.: An Airborne Measurement System to Detect, Locate and Quantify Methane Emissions. In: Sensor and Measurement Science International Conference (SMSI) 2023, Nürnberg, AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V.

Eine Veröffentlichung in einem Fachjournal ist in Planung und erfolgt voraussichtlich noch 2023:

Kistner, L., Schmoll, R. & Kroll, A.: An Airborne Measurement System to Detect, Locate and Quantify Methane Emissions. In: Journal of Sensors and Sensor Systems (JSSS) 2023 (in Arbeit)

Des Weiteren sind mehrere studentische Arbeiten zu Teilaspekten des Systems beim Projektpartner Universität Kassel entstanden. Diese werden nach dem Prüfungsverfahren in der Online-Bibliothek der Universität veröffentlicht.

Von einer Präsentation des Systems auf einer großen Fachmesse, wie z.B. dem Leitkongress der Energie- und Wasserwirtschaft (GAT|WAT) wurde bisher noch abgesehen. Zukünftige Vorstellungen des Messsystems auf Fachmessen sind in Planung.

Fazit

Im Rahmen des Projektes konnte ein fliegendes Messsystem zum Lokalisieren, Kartieren und Quantifizieren von Methanemissionen prototypisch aufgebaut und im Labor und in ersten Freifeldversuchen evaluiert werden. Die entwickelte Software unterstützt mit seinen smarten Assistenzfunktionen den Inspekteur bei seinen Messaufgaben und erlaubt die Fusionierung und Visualisierung der Messdaten im 3D-Raum. Es wurde gezeigt, dass die Erstellung von genau lokalisierten Gaskonzentrationskarten auch für kleine Gaskonzentrationen grundsätzlich möglich ist. Darüber hinaus konnte eine anschließende Quantifizierung der georteten Leckagen demonstriert werden. Die durchgeführten, praxisnahen Tests haben die Bedeutung smarter, teilautomatische Bedienkonzepte, die für einen „Ein-Personen-Betrieb“ notwendig sind, offengelegt. Für den flächendeckenden Einsatz eines fliegenden Messsystems zur Inspektion gasführender Anlagen sind diese Funktionen essentiell, um die Messaufgabe effizient und wirtschaftlich durchführen zu können.