Tritt Erdgas aus einer unterirdischen Pipeline aus, kann eine Bodenbedeckung durch Wasser, Schnee, Asphalt oder eine Kombination dieser Faktoren dazu führen, dass das Gas bis zu drei- bis viermal weiter von der Leckstelle wegwandert als durch trockenen Boden, wie aus einer neuen Studie hervorgeht.
Ein von der Southern Methodist University (SMU) geleitetes Forschungsteam stellte außerdem fest, dass diese Oberflächenbedingungen auch die Geschwindigkeit des austretenden Gases beeinflussen können: Das Gas bewegt sich 3,5-mal schneller als ein vergleichbares Leck unter trockenen Bodenbedingungen.
„Diese Arbeit ist von großer Bedeutung, da sie zum ersten Mal die Auswirkungen von Änderungen der Oberflächenbedingungen auf unterirdische Gastransportzeiten und -entfernungen in Zusammenhang bringt“, sagte Kathleen M. Smits von der SMU, eine der Co-Autorinnen der Studie. veröffentlicht im Journal Briefe zu Umweltwissenschaften und -technologie.
Für Rettungskräfte sowie Gas- und Ölunternehmen ist es von entscheidender Bedeutung, die Oberflächenstrukturen des Bodens zu berücksichtigen, wenn sie das Sicherheitsrisiko eines Pipeline-Lecks für nahe gelegene Wohnhäuser und Unternehmen bewerten, sagte Smits, Lehrstuhlinhaber für Bau- und Umweltingenieurwesen an der SMU Lyle School of Engineering und Solomon-Professor für globale Entwicklung.
Diese Pipeline-Lecks bergen zwei Gefahren: Unverbranntes Erdgas, das hauptsächlich aus Methan (CH4) besteht, kann eine Explosion auslösen, aber Methan ist nach Kohlendioxid (CO2) auch der zweitgrößte Verursacher der globalen Erwärmung. Die globale Erwärmung könnte verringert werden, wenn alle Stellen gefunden würden, an denen Methangas aus undichten Pipelines austritt – und dieses Gas sicher entfernt wird, sagte Smits.
„Die Erkenntnisse dieser Studie liefern wichtige Erkenntnisse zur Identifizierung und Priorisierung von Lecks sowohl aus Sicherheits- als auch aus Umweltperspektive“, sagte Smits.
Das von der SMU geleitete Forschungsteam führte am Methane Emissions Technology Evaluation Center (METEC) der Colorado State University kontrollierte Leckexperimente unter den folgenden Bodenoberflächenstrukturen durch: Schnee oder Regen auf Gras, grasbedeckter trockener Boden oder Asphalt, der entweder trocken, regennass oder mit Schnee bedeckt war.
Hier konnten die Forscher Gas aus einer gerissenen Pipeline sicher austreten lassen und dann beobachten, wie weit das Gas zu bestimmten Zeitpunkten nach dem Leck vertikal und horizontal austrat. Bei jedem Experiment wurde Erdgas bis zu 24 Stunden lang kontinuierlich mit vorgegebenen Leckraten freigesetzt, um die Art und Weise zu simulieren, wie Gas in einem realen Szenario austreten würde.
Navodi Jayarathne, ein Postdoktorand in der Abteilung für Bauingenieurwesen der SMU Lyle School, leitete die Studie. Unterstützt wurde er außerdem von Daniel J. Zimmerle, Direktor und Hauptdirektor des Methane Emissions Technology Evaluation Center an der CSU; Richard S. Kolodziej IV, der an der SMU seinen Master macht und Teil von Smits‘ Forschungsteam ist; und Stuart Riddick, einem Wissenschaftler am Energy Institute der Colorado State University.
Wichtigste Ergebnisse
Die Forscher stellten fest, dass Regen, Schnee und Asphalt das Entweichen von Gas aus dem Boden an der Oberfläche blockieren, was dazu führt, dass das Gas sowohl nach unten als auch nach außen von der Leckstelle weg wandert.
Stellen Sie sich vor, das Gas würde durch etwas wie eine Scheibe Schweizer Käse strömen, erklärte Jayarathne. Die Lücken oder „Löcher“ im Boden können durch Wasser, Gas oder andere Partikel gefüllt werden.
„Dadurch dringt das Gas immer wieder über weite Strecken durch den Boden und erhöht das potenzielle Risiko“, erklärt Jayarathne.
Zudem „haben wir festgestellt, dass das Gas bei Asphalt, Feuchtigkeit oder Schnee, wenn es schließlich doch eine Möglichkeit findet, aus dem Boden zu entweichen, sich sehr schnell und in hoher Konzentration bewegt, was das Sicherheitsrisiko erhöht“, sagte Smits.
Ein weiterer Befund überraschte die Forscher: Selbst nachdem die Gaszufuhr unterbrochen oder das Leck repariert worden war, konnte Methan, das unter Schnee, feuchten Böden oder Asphaltoberflächen eingeschlossen war, noch bis zu 12 Tage lang in hoher Konzentration nachgewiesen werden. Und Erdgas breitete sich während dieser Zeit seitlich von der Leckquelle um bis zu 2 bis 4 % aus.
„Frühere Daten zeigen, dass Gas schnell aus dem Boden entweicht, nachdem es gestoppt wurde“, sagte Smits. „Aber diese Studie zeigt, dass das Entweichen von Gas je nach Umgebung, insbesondere der Oberfläche, einzigartig ist.“
Die Ersthelfer sollten sich darüber im Klaren sein, dass sich die Gasstelle auch nach dem Stoppen des Lecks weiter entwickeln wird, sagte Smits.
Die Forscher stellten fest, dass die von ihnen aufgezeichneten Migrationsdistanzen auf der Bodenart und -beschaffenheit des METEC beruhen.
„Die Werte können bei Anwendung auf andere Standorte und Umgebungen unterschiedlich sein. Die Muster spiegeln jedoch auch das erwartete Verhalten an anderen Leckstellen wider“, sagte Smits.
Mehr Informationen:
JRR Navodi Jayarathne et al, Strömung und Transport von Methan aus undichten unterirdischen Pipelines: Auswirkungen der Bodenoberflächenbedingungen und Implikationen für die Klassifizierung von Erdgaslecks, Briefe zu Umweltwissenschaften und -technologie (2024). DOI: 10.1021/acs.estlett.4c00039