Smarte drohnenbasierte Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Methanemissionen$d

Forschungsbericht

Zusammenfassung: Im Rahmen des Projektes „Smarte drohnenbasierte Detektion, Lokalisierung und Quantifizierung von Methanemissionen“ wurde ein fliegendes Messsystem zum Detektieren, Lokalisieren, Kartieren und Quantifizieren von Methanemissionen prototypisch aufgebaut und im Labor und in Freifeldversuchen evaluiert. Dieses Messsystem soll zukünftig eine kostengünstige Inspektion von örtlich überschaubaren, aber teilweise schlecht erreichbaren, Gasanlagen, wie beispielsweise Biogasanlagen, Deponien oder Erdgasleitungen an Brücken ermöglichen. Hierdurch kann eine wesentlich effizientere Erfassung von Gasleckagestellen erreicht werden. Zusätzlich wird durch das Messsystem eine Quantifizierung der Leckagemenge ermöglicht. Dies führt zu einem objektiven Entscheidungskriterium für eine schnelle Reparatur und damit zu einer direkten und effektiven Reduktion von hoch-klimaschädlichen Methanemissionen. Das fliegende Messsystem besteht aus einer kommerziell-verfügbaren, industriellen Quadrocopter-Drohne und einem selbst-aufgebautem Messmodul für die Fernmessung integraler Methankonzentrationen. Die Drohne genügt dem aktuellen Stand der Technik und verfügt über eine hochgenaue Positionsbestimmung (Echtzeitkinematik, RTK) sowie verschiedene Sicherheitsfunktionen (Kollisionsvermeidung, Position-Hold, Wegpunktflug und Return-to- Home). Unter anderem ermöglichen diese Funktionen einen teilautomatisierten Betrieb des Messsystems, welche auch den erhöhten Sicherheitsanforderungen von Gasanlagen Sorge tragen. Das Messmodul besteht aus einem Infrarot-laseroptischen Methansensor, einem Laser- Distanzsensor, einer Übersichtskamera und einer Detailkamera. Dieses Messmodul ist auf einem 3-Achsen-Gimbal montiert, welcher zur Stabilisierung der Sensorausrichtung und zum Abscannen des Inspektionsareals dient. Die Bedienung des Messmoduls und die Echtzeitvisualisierung der Messdaten erfolgt auf einem Laptop am Boden. Der Aufbau eines fliegenden Messsystems stellt hohe Ansprüche an das Messmodul. Mechanische Randbedingungen, wie geringes Gewicht, Robustheit und präzise Ausrichtung sind mit den elektrischen Anforderungen in Einklang zu bringen. Hierbei gilt es Komponenten mit niedrige Leistungsaufnahme, sowie vibrationsunempfindliche Leitungen und Stecker zu verwenden. Des Weiteren müssen Softwareanforderungen bzgl. Schnittstellen zu Sensoren, Gimbal und Drohne auf die begrenzte Rechenleistung in der Luft und die begrenzte Datenrate zum Messlaptop am Boden abgestimmt werden. Neben diesen flugtechnischen Randbedingungen steht die Messaufgabe im Vordergrund. Insbesondere die Empfindlichkeit des Methansensors und die Unsicherheit des integralen Methankonzentrationswertes ist von zentraler Bedeutung. Um zeiteffizient scannen zu können, muss außerdem die Sensordynamik optimiert sein. Die Charakterisierung des Messmoduls erfolgte in verschiedenen Laborversuchen sowie bei Testmessungen des Gesamtsystems im Freifeld. Wird eine erhöhte Methankonzentrationen im Inspektionsraum detektiert, so ist diese zu lokalisieren. Hierzu wird die Drohnenposition und -ausrichtung, sowie der Gimbalwinkel und der gemessene Zielabstand genutzt. Dies ermöglicht die Erstellung von Methankonzentrationskarten. Um nun die Emissionen quantifizieren zu können (Angabe eines Normvolumenstromes), muss neben der Methankonzentration unter anderem auch die Windgeschwindigkeit (und - richtung) bekannt sein. Grundsätzlich kann diese über die Schräglage der Drohne ermittelt werden. Um diesen Zusammenhang zu ermitteln, wurden die Telemetriedaten der Drohne von den verschiedenen Testflügen ausgewertet und mit den herrschenden Windbedingungen verglichen. Dadurch konnte ein datengetriebenes Modell entwickelt und validiert werden. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das aufgebaute Messsystem für die vorgesehene Messaufgabe geeignet ist

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: 1 Online-Ressource (55 Seiten)
• Language: Deutsch
• Notes: Illustrationen ; Literaturverzeichnis: Seite 52 - 55

Classification and Topics

• Keyword: Smart City

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Gütersloh
• (who): Deutsche Bundesstiftung Umwelt
• (when): 2023
• Creator: Rosendahl, Stephan ; Supply, Carsten ; Pötter-Saße, Patrick ; Kistner, Lars ; Schmoll, Robert ; Kroll, Andreas
• Contributor: Deutsche Bundesstiftung Umwelt ; Hermann Sewerin. Gütersloh

Further information

• URN: urn:nbn:de:101:1-2024032817191390210244
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:49 PM CET