Guida al monitoraggio e alla quantificazione delle emissioni di metano del settore petrolifero e del gas

A più di un anno dalla firma dell'impegno globale sul metano da parte di 110 Paesi alla COP26 di Glasgow, le nazioni stanno iniziando a fare progressi nell'emanazione di regolamenti per ridurre le emissioni di metano.

È tempo di agire 

Il metano ha un potere riscaldante più di 80 volte superiore a quello dell'anidride carbonica su un periodo di 20 anni ed è responsabile di 0,5°C del riscaldamento della Terra dall'epoca preindustriale. Data la sua potenza e la sua breve durata rispetto all'anidride carbonica - il metano rimane nell'atmosfera solo per 12 anni - la riduzione dell'inquinamento da metano è il modo più rapido per rallentare l'accelerazione del riscaldamento globale. Non possiamo limitare il riscaldamento globale a 1,5 o 2 gradi senza ridurre drasticamente le emissioni antropiche di metano. 

Eppure, secondo la National Oceanic and Atmospheric Administration degli Stati Uniti, la concentrazione di metano nell'atmosfera sta aumentando, e a ritmi sempre più veloci, con l'aumento più alto mai registrato nel 2021. Le emissioni antropiche sono uno dei fattori più importanti di questo aumento. In questo decennio, dobbiamo compiere progressi significativi nella riduzione delle emissioni in tutti e tre i principali settori che emettono metano - energia, agricoltura e rifiuti - ma alcune delle maggiori opportunità si trovano nel settore energetico, in particolare in quello del petrolio e del gas. 

L'industria del petrolio e del gas è uno dei principali inquinatori di metano, responsabile del 21% di tutte le emissioni antropiche. Il metano, essendo il componente principale del gas fossile, viene rilasciato da tutte le parti della catena di produzione del petrolio e del gas, dall'estrazione e dalla lavorazione alle fasi di trasporto. Alcune emissioni sono intenzionali. È il caso di alcune operazioni di estrazione del petrolio, dove il gas estratto insieme al petrolio è considerato un rifiuto e viene rilasciato nell'atmosfera (sfiatato) o bruciato (bruciato). Il gas viene anche rilasciato intenzionalmente durante le procedure di manutenzione o da apparecchiature che emettono gas per progettazione, come i controllori automatici di valvole pneumatiche che sono azionati da gas fossili in pressione. L'altro tipo di rilascio è rappresentato dalle onnipresenti emissioni non intenzionali. Il metano fuoriesce da valvole che perdono, botole aperte, serbatoi di stoccaggio in cattivo stato, ecc. In totale, l'eliminazione di sfiati, torce e perdite rappresenta un'enorme opportunità per la mitigazione delle emissioni di metano. In molti casi il gas risparmiato può essere venduto, rendendo redditizi gli sforzi per ridurre le emissioni.

Fino a pochi anni fa, individuare le perdite e quantificare le emissioni era un compito lento e costoso. Fortunatamente la situazione è cambiata. Abbiamo sperimentato questo cambiamento in prima persona. Negli ultimi due anni, abbiamo documentato le emissioni di metano presso impianti petroliferi e di gas in tutto il mondo utilizzando una FLIR GF320, una delle tante termocamere ottiche per l'acquisizione di immagini di gas disponibili sul mercato, per trovare e identificare le perdite di metano. Dal febbraio 2021, abbiamo visitato più di 500 siti in 15 Paesi, soprattutto in Europa. Abbiamo riscontrato emissioni provenienti da flaring, apparecchiature malfunzionanti e perdite in quasi il 70% dei siti visitati. Sulla base di questi risultati, abbiamo lanciato una campagna in Europa, #CutMethaneEU, per sensibilizzare sul problema dell'inquinamento da metano nell'industria del petrolio e del gas. Siamo ora convinti che il crescente insieme di strumenti possa essere alla base di una politica intelligente che ci aiuterà a eliminare in modo efficiente l'inquinamento da metano. 

Monitoraggio e quantificazione delle emissioni 

Grazie ai recenti progressi tecnologici, l'industria petrolifera e del gas, gli scienziati e le autorità possono ora attingere a una serie crescente di strumenti che possono aiutarli a rilevare e quantificare le emissioni di metano. Dalle telecamere portatili specializzate che aiutano i tecnici a individuare le perdite agli strumenti spaziali in grado di quantificare le emissioni regionali, questi strumenti stanno cambiando la nostra comprensione delle emissioni di metano e ampliano gli approcci disponibili per la definizione degli obiettivi, il monitoraggio e la conformità. 

Il primo compito che queste tecnologie facilitano è lo screening economico degli impianti petroliferi e del gas per individuare le perdite di metano e localizzare la posizione esatta della perdita per consentirne la riparazione. Il monitoraggio frequente delle perdite di metano è parte integrante delle operazioni di sicurezza e degli standard ambientali, pertanto le autorità di regolamentazione e gli operatori stanno studiando il modo per rendere i programmi di rilevamento e riparazione delle perdite (LDAR) che utilizzano queste tecnologie il più efficiente ed economico possibile. La frequenza e l'efficienza di questi interventi sono fondamentali, poiché anche una piccola perdita non rilevata per un lungo periodo di tempo potrebbe rilasciare una quantità significativa di metano nell'atmosfera. 

Il secondo compito cruciale svolto dalle nuove tecnologie è la quantificazione delle emissioni di metano a diverse scale, dall'impianto al livello nazionale, che può servire a molti scopi. Ad esempio, la quantificazione delle emissioni all'interno di un impianto può aiutare i decisori a capire l'importanza relativa delle fonti di emissione e a stabilire le priorità di mitigazione di conseguenza. Informazioni affidabili sull'intensità totale delle emissioni di un'azienda (cioè la quantità di emissioni di metano rilasciate durante la produzione di un barile di petrolio o di un metro cubo di gas) possono aiutare gli acquirenti a procurarsi petrolio e gas che soddisfino i loro standard ambientali e che li aiutino a ridurre le loro emissioni indirette. A livello regionale e nazionale, quantificare e tenere traccia delle emissioni di metano è necessario per la conformità alle normative, per stabilire e monitorare gli obiettivi di riduzione del metano e per la rendicontazione delle emissioni di metano agli organismi internazionali.

Finora, le emissioni dall'azienda al livello nazionale sono calcolate con un approccio "dal basso verso l'alto", cioè in base alla quantità di vari tipi di attrezzature utilizzate da ciascun sito o azienda (numero di serbatoi, chilometri di tubazioni, ecc.) e alle informazioni sulle emissioni tipiche per ciascuno di questi tipi di attrezzature (chiamato anche "fattore di emissione" dell'attrezzatura). Purtroppo, questi fattori di emissione sono spesso obsoleti, non riflettono le condizioni di funzionamento di ciascuna apparecchiatura e molto spesso non tengono conto di condizioni operative anomale, come malfunzionamenti o manutenzione. 

Fortunatamente, il numero crescente di nuove soluzioni di monitoraggio disponibili sta supportando sia il rilevamento che la quantificazione delle emissioni di metano lungo tutta la catena del valore del petrolio e del gas. Basate sull'avvento di tecnologie abilitanti fondamentali - come l'elettronica miniaturizzata, gli algoritmi avanzati e l'accesso allo spazio a basso costo - e alimentate da una maggiore consapevolezza internazionale dell'impatto del metano, queste nuove soluzioni hanno il potenziale per migliorare notevolmente la nostra capacità di identificare e affrontare le fonti di inquinamento da metano. La varietà di soluzioni è vasta e comprende strumenti che operano da terra, dall'aria e dallo spazio.

Strumenti a terra

Gli strumenti a terra comprendono strumenti mobili o fissi che utilizzano tecniche spettroscopiche, ottiche, acustiche e di bilancio di massa. Tra questi vi sono telecamere portatili per l'acquisizione di immagini di gas a infrarossi, come quelle utilizzate da CATF , descritte in precedenza, che visualizzano le emissioni nel momento in cui si verificano da una singola perdita o fonte di sfiato, e sensori fissi che monitorano continuamente un'area per rilevare l'aumento della presenza di metano nell'aria. Alcuni dispositivi a terra sono in grado di quantificare le perdite, mentre altri sono utilizzati principalmente per il rilevamento.

Strumenti aviotrasportati

Gli strumenti aviotrasportati consistono in dispositivi di misurazione mobili collegati ad aerei e, sempre più spesso, a droni. Le misurazioni effettuate da questi strumenti comprendono telecamere spettroscopiche avanzate per rilevare i pennacchi di metano al di sotto di un velivolo e strumenti utilizzati per quantificare le concentrazioni di metano nell'aria attraversata da un aereo. Questi dati sono combinati con informazioni sul vento e algoritmi avanzati per rilevare le emissioni e quantificarne l'entità. Le campagne di misurazione per via aerea richiedono molte risorse, ma sono state molto efficaci nel mappare le emissioni di fonti puntuali e il flusso totale di metano di intere regioni di produzione, come il Bacino Permiano negli Stati Uniti. 

Strumenti spaziali

Gli strumenti spaziali comprendono una serie di telecamere multispettrali e iperspettrali avanzate montate sui satelliti. Alcuni strumenti sono progettati per caratterizzare le concentrazioni di metano nell'atmosfera su vaste aree, come i bacini di produzione e le zone umide tropicali, mentre altri strumenti sono progettati per rilevare le grandi fonti di emissione (note come "super-emettitori" e "ultra-emettitori" a seconda delle loro dimensioni), provenienti da impianti di tutto il mondo.

Le telecamere aeree e spaziali sono le tecnologie che hanno suscitato maggiore entusiasmo negli ultimi anni. Questi strumenti possono essere utilizzati per mappare le emissioni di metano su vaste aree e hanno già cambiato la nostra comprensione delle emissioni, evidenziando che emettitori molto grandi, prima inaspettati, sono in realtà onnipresenti. In combinazione con tecniche di modellazione avanzate, queste misurazioni consentono di stimare le emissioni totali di grandi aree di produzione di petrolio e gas, dimostrando ripetutamente che le attuali stime bottom-up delle emissioni sono sottostimate. Una nuova generazione di strumenti satellitari ad alta risoluzione, come il canadese GHGSat, promette di rilevare e quantificare le emissioni a livello di singolo impianto, aiutando direttamente sia la contabilizzazione totale del metano sia la guida dei programmi di mitigazione. È importante notare che tali strumenti non richiedono l'accesso all'impianto, per cui possono essere utilizzati da autorità di regolamentazione, investitori e altre parti interessate per verificare in modo indipendente le emissioni dichiarate dalle aziende.

Nonostante questi rapidi progressi, la tecnologia satellitare attuale e quella prevista presentano alcune limitazioni. I limiti minimi di rilevamento sono attualmente elevati (circa 500 kg all'ora per i set di dati liberamente disponibili e 100 kg all'ora per i set di dati commerciali), il che significa che non sono in grado di "vedere" molte fonti di emissioni più piccole ma potenzialmente diffuse che rientrano in questa soglia. Sebbene si preveda che questi limiti di rilevamento scendano a 50-100 kg all'ora per alcuni set di dati liberamente disponibili (ad esempio, Carbon Mapper) nel 2023, essi saranno ancora molto più grandi dei limiti di rilevamento degli strumenti a bordo e a terra. Inoltre, gli strumenti spaziali non sono ancora in grado di rilevare il metano di notte, non possono vedere attraverso le nuvole e incontrano difficoltà su terreni altamente eterogenei (ad esempio, regioni montuose). Alcune di queste limitazioni possono essere superate grazie alla progettazione di nuovi strumenti e al miglioramento degli algoritmi. Ad esempio, solo di recente i ricercatori hanno dimostrato che i satelliti possono essere utilizzati per monitorare le emissioni delle piattaforme offshore, un'impresa che prima era considerata impraticabile. Entro il 2025, secondo alcune stime, i satelliti saranno in grado di visualizzare circa il 50% delle emissioni da fonti puntuali in tutto il mondo.

Al di là degli sviluppi puramente tecnologici, la prossima grande sfida è quella di trasformare l'attuale serie di tecnologie promettenti in un sistema di monitoraggio utile che spinga ad agire per mitigare le emissioni di metano. Ciò dovrebbe avvenire in almeno tre direzioni. In primo luogo, è necessario sviluppare standard e strutture di prova riconosciute a livello mondiale, da utilizzare per valutare l'efficacia di ogni tecnica di misurazione proposta. Lo sviluppo di tali standard creerà fiducia nei dati forniti, abbasserà le barriere per l'ingresso di nuovi attori nel mercato e consentirà una rapida diffusione delle nuove tecnologie in tutto il mondo. In secondo luogo, le diverse tecnologie dovrebbero essere integrate in un sistema di osservazione a più livelli che combini i loro punti di forza per monitorare in modo adattivo le emissioni a diverse scale. Gli sforzi per costruire un sistema di questo tipo sono guidati dall'Osservatorio Internazionale delle Emissioni di Metano, parte del Programma Ambientale delle Nazioni Unite, che combinerà le osservazioni di diverse piattaforme satellitari per ottenere un monitoraggio globale degli eventi ad alta emissione. In terzo luogo, l'industria deve adottare protocolli dettagliati di misurazione e reporting che la aiutino a eseguire le misurazioni in modo solido e affidabile. Tali protocolli sono già in fase di sviluppo, ad esempio nell'ambito della Oil and Gas Methane Partnership (OGMP) 2.0, guidata dal Programma delle Nazioni Unite per l'Ambiente e dalla Climate and Clean Air Coalition, e nell'iniziativa Veritas guidata dalla statunitense GTI Energy. Tuttavia, è necessaria una convergenza e una più ampia adozione di questi protocolli per consentire rapidi risultati di mitigazione. Gli sviluppi in queste direzioni stanno costituendo le basi per lo sviluppo e l'attuazione di politiche intelligenti e basate sui dati.

Inquadrare il caso della mitigazione del metano 

La necessità di una forte regolamentazione del metano da petrolio e gas in tutto il mondo è evidente. Regolamentare le emissioni di metano da questo settore è una delle azioni più rapide, efficaci dal punto di vista dei costi e di maggiore impatto che i governi possano intraprendere per raggiungere i loro obiettivi climatici. L'Agenzia Internazionale dell'Energia (AIE) stima che l'industria petrolifera e del gas possa eliminare quasi il 75% delle emissioni di metano a livello globale utilizzando le tecnologie disponibili oggi, a costo zero. Questo dato si basa sul prezzo medio del gas dal 2017 al 2021, che era molto più basso del prezzo medio del gas per il 2022. Prezzi del gas più elevati, come quelli registrati nell'ultimo anno, significano che è possibile ridurre ancora di più le emissioni a costo zero o addirittura in modo redditizio. 

I governi, inoltre, non devono partire da zero: una serie di normative e best practice di successo può guidare il loro lavoro. Noi di Clean Air Task Force abbiamo compilato e pubblicato un Compendio dei principali regolamenti e standard di emissione del Nord America, che contiene i regolamenti "migliori della categoria" per ogni principale fonte di emissione specifica, compresi i requisiti di controllo, il monitoraggio, la tenuta dei registri e le regole di rendicontazione per ciascuna di esse. Abbiamo anche progettato il Country Methane Abatement Tool (CoMAT), un software che guida i ministeri dell'ambiente e del clima nella progettazione di strategie normative appropriate per ridurre il metano proveniente dal settore petrolifero e del gas in un determinato Paese.

Sono disponibili molte altre risorse. Ad esempio, l'AIE dispone di un vasto elenco di risorse tecniche finalizzate alla comprensione e alla quantificazione delle emissioni di metano su scala nazionale e regionale, nonché di una guida per i governi e i responsabili politici su come progettare e attuare normative specifiche per il metano. Un'altra risorsa fondamentale è la Guida alle migliori pratiche della Methane Guiding Principles Partnership, che contiene un elenco dettagliato delle tecnologie e dei protocolli disponibili per mitigare le emissioni di metano lungo tutta la catena del valore del petrolio e del gas. Queste linee guida prendono in considerazione anche le fasi iniziali di un progetto, dall'ingegneria, alla progettazione, alla costruzione. 

Mentre tutte le precedenti linee guida coprono la maggior parte della catena del valore del petrolio e del gas e alcune parti del ciclo di vita dei pozzi di produzione, nessuna include linee guida di mitigazione per i pozzi abbandonati. Fino agli ultimi anni, le emissioni dei pozzi abbandonati erano poco analizzate e comprese. Oggi sappiamo che le emissioni dei pozzi abbandonati possono variare di diversi ordini di grandezza e quanto prima inizieremo a richiedere pratiche per evitare che i pozzi vengano abbandonati senza essere adeguatamente tappati, tanto meglio potremo affrontare questa fonte di emissioni.

Promuovere le politiche in tutto il mondo

In tutto il mondo si sta creando uno slancio verso una regolamentazione più forte e più intelligente, in quanto i Paesi stanno fissando obiettivi ambiziosi per la riduzione del metano da petrolio e gas. Nel 2022, la Nigeria è diventata il primo Paese subsahariano a regolamentare le emissioni di metano del settore petrolifero e del gas, mentre la Colombia è stata la prima a farlo in Sud America. Nello stesso anno, il Messico si è impegnato a sviluppare un piano di investimenti e di attuazione per eliminare lo sfiato e il flaring di routine. In Nord America, gli Stati Uniti hanno recentemente annunciato l'obiettivo di ridurre dell'87% le emissioni di metano da fonti coperte entro il 2030 rispetto ai livelli del 2005, grazie a normative proposte di recente, che includono anche la creazione di un nuovo "programma di risposta per i super emettitori". Il Canada sta sviluppando un quadro normativo che ridurrà le emissioni di metano da petrolio e gas del 75% rispetto ai livelli del 2012 entro il 2030. L'Unione Europea è in fase avanzata di preparazione di una normativa sul metano, che incorpora aspetti del quadro di misurazione OGMP 2.0, con l'obiettivo di ridurre, quantificare e comunicare le emissioni di metano di questo settore.

Contemporaneamente allo sviluppo e all'attuazione di questi approcci normativi, i nuovi sviluppi tecnologici sono alla base dei recenti sforzi per coordinare gli importatori ed esportatori di energia al fine di ridurre le emissioni di metano lungo tutta la catena del valore. Ad esempio, Stati Uniti, Unione Europea, Giappone, Canada, Norvegia, Singapore e Regno Unito hanno rilasciato una Dichiarazione congiunta degli importatori ed esportatori di energia sulla riduzione delle emissioni di gas serra da combustibili fossili, impegnandosi a ridurre le emissioni di gas serra lungo tutta la catena del valore dell'energia da combustibili fossili, sulla base di una misurazione e di una rendicontazione solide e trasparenti delle emissioni globali di metano. L'Unione Europea, essendo il più grande importatore di gas del mondo, contempla nel regolamento sul metano attualmente in discussione l'uso di tecnologie top-down per monitorare le emissioni di metano al di fuori dei propri confini. L'Unione Europea dovrà esplorare percorsi per stabilire standard di emissione di metano sul gas importato, se vuole dimostrare una leadership internazionale su questo fronte. 

In breve, il settore petrolifero e del gas è uno dei principali responsabili dell'aumento delle concentrazioni globali di metano nell'atmosfera. Le perdite di metano da questo settore sono imprevedibili e si verificano lungo tutta la catena del valore del petrolio e del gas. Per migliorare le stime delle emissioni di metano e facilitare la riduzione delle emissioni, dobbiamo passare dalle metodologie tradizionali di stima delle perdite di metano che trattano i tassi di emissione come fattori costanti, a nuovi approcci top-down che quantificano le emissioni in tempo reale su scala locale, regionale e globale. Pertanto, è fondamentale che le politiche di mitigazione in tutto il mondo utilizzino i numerosi e recenti progressi nelle tecnologie di rilevamento delle perdite di metano per modellare e indirizzare gli sforzi di mitigazione.

Questo articolo è stato pubblicato originariamente nell'edizione di febbraio 2023 di AWE Magazine.