Studie zeigt, dass Bodenfeuchtigkeit die größte Rolle bei der unterirdischen Ausbreitung von Erdgas spielt, das aus Pipelines austritt

Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens ist der Hauptfaktor, der steuert, wie weit und in welcher Konzentration sich Erdgas aus einer undichten Pipeline im Untergrund ausbreitet, hat eine neue Studie herausgefunden.

Pipelinebetreiber müssen berücksichtigen, wie sich die im umgebenden Boden gefundene Wassermenge auf die Gasbewegung auswirkt, wenn sie versuchen, die potenziellen Gefahren eines Pipelinelecks zu bestimmen, sagte Kathleen M. Smits von der SMU, die die kürzlich in der Zeitschrift Elementa veröffentlichte Studie leitete, die den Boden untersuchte Liegenschaften von 77 Standorten im ganzen Land, wo ein Gasleck aufgetreten war.

„Wir müssen nicht weiter als in Dallas oder Georgetown, Texas, suchen, um zu sehen, wo Lecks in unterirdischen Pipelines katastrophale Folgen haben können“, sagte Smits, Lehrstuhlinhaber für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Lyle School of Engineering der SMU und Solomon-Professor für Globale Entwicklung. „Wir sehen oft, dass solche Vorfälle das Ergebnis eines Mangels an klaren Protokollen zur Erkennung der Lecks oder zur Schadensbewertung sind. Deshalb sollte der Schwerpunkt stärker auf die Bedeutung von Umweltfaktoren wie Bodenfeuchte und deren ordnungsgemäße Berücksichtigung bei Leckagen gelegt werden Szenarien.“

Im Allgemeinen stellte das Team unter der gemeinsamen Leitung von Younki Cho, einem Forschungswissenschaftler am Energieinstitut der Colorado State University, fest, dass sich Methangas, das aus einer Pipeline austritt, nicht so weit ausbreitet, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens zunimmt. Das führt zu einer höheren Konzentration von Methangas in der Nähe der Leckstelle in feuchterem Boden, wie die Studie ergab.

Das Gegenteil war bei trockeneren Böden der Fall.

Smits betonte jedoch, dass es nicht ausreicht, nur zu wissen, wie nass der Boden zum Zeitpunkt des Lecks ist, um Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, wie sich der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens auf die Gasbewegung auswirkt. Die Feuchtigkeit des Bodens – oder das Fehlen davon – zum Zeitpunkt des Lecks löst verschiedene komplexe Verhaltensweisen im Boden aus, wenn Methangas in die gleichen Räume sickert wie Wasser und Sauerstoff in den Poren des Bodens. Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens kann sich im Laufe der Zeit auch aufgrund des Wetters und anderer Faktoren wie saisonaler Grundwasserspiegel ändern.

„Man muss verstehen, wie die Feuchtigkeit sowohl die Bewegung als auch die Konzentration zusammen steuert“, sagte Smits. „Dabei können wir helfen [pipeline owners] mit dem weiteren Vorgehen bei der Bewältigung von Lecks.“

Das Forschungsteam untersuchte mehr als 300 Bodenproben von Leckstellen im ganzen Land. Die Proben, die zum Zeitpunkt des Lecks und erneut nach der Reparatur des Lecks entnommen wurden, wurden im nassen Zustand gewogen. Sie wurden auch ein zweites Mal gewogen, nachdem sie in einem Ofen getrocknet worden waren.

„Aus der Differenz der Trocken- und Nassgewichte, verbunden mit der Kenntnis des Volumens der Bodenprobe, konnten wir die Bodenfeuchte berechnen“, erklärt Smits.

Andere Bodenqualitäten wie Textur und Durchlässigkeit wurden ebenfalls vom Team untersucht, zeigten jedoch keinen so großen Einfluss darauf, wie sich Erdgas unter der Erde bewegte.

Begehungsuntersuchungen sind unter bestimmten Umständen besser geeignet, Pipeline-Lecks zu finden als die mobile Ortung

In einer anderen Studie zur Verbesserung der Erkennung von Gaslecks fanden Smits und Forscher des CSU Energy Institute heraus, dass es Fälle gibt, in denen die Bedienung einer mobilen Erkennungseinheit von der Vorderseite oder dem Dach eines Autos aus nicht so effektiv war wie Spaziergänger, die ein tragbares Erkennungsgerät tragen.

Bei einer mobilen Untersuchung misst die Detektionseinheit erhöhte Methangaskonzentrationen in der Luft, während das Auto fährt. Eine höhere Fahrgeschwindigkeit oder Windgeschwindigkeit außerhalb des Autos führte im Vergleich zu einer Fußpatrouille zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit einer Lecksuche.

„Wenn Sie zum Beispiel nur die Reisegeschwindigkeit isolieren – eine Person, die mit 2 bis 3 Meilen pro Stunde geht, mit einem Auto vergleichen, das mit einer langsamen Geschwindigkeit von 20 bis 30 Meilen pro Stunde fährt – sinkt die Wahrscheinlichkeit, ein Leck zu entdecken, von 85 % für a Umfrage zu Fuß auf 25 % für ein Auto“, sagte Smits.

Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Umweltverschmutzungzeigte, dass die atmosphärische Stabilität auch einen Einfluss auf mobile Vermessungen hatte.

Die atmosphärische Stabilität bestimmt im Wesentlichen, ob Luft aufsteigt, absinkt oder nichts tut. Warme, weniger dichte Luft steigt auf (instabil), während kühlere, dichtere Luft absinkt (stabil). Luft, die auf der gleichen Höhe bleibt, wird als neutral angesehen.

Die Forscher fanden heraus, dass mobile Untersuchungen, die bei Geschwindigkeiten zwischen 2 und 11 Meilen pro Stunde durchgeführt wurden, beim Auffinden eines Lecks zunehmend weniger effektiv wurden (von 85 % auf 60 %), da die atmosphärische Stabilität von extrem instabilen Bedingungen zu extrem stabil wurde. Geherhebungen, die unter denselben Bedingungen durchgeführt wurden, spiegelten keine Variabilität wider.

„Walking Surveys finden bei weitem die meisten Lecks, aber sie sind arbeitsintensiv und kosten viel Geld“, bemerkte Smits. „Diese Studie zeigt, dass Betreiber, wenn sie eine andere Methode wie eine mobile Vermessung verwenden möchten, eine geeignete Vermessungsgeschwindigkeit unter verschiedenen Wetterbedingungen sorgfältig auswählen müssen, um eine Erkennungswahrscheinlichkeit zu erreichen, die der traditionellen Vermessung zu Fuß entspricht.“

Die Ergebnisse könnten für jede Art von unterirdischer Pipeline gelten, sagte Smits.