I. Introduction
Avec la tendance croissante au réchauffement climatique mondial, les émissions excessives de gaz à effet de serre sont au Centre des préoccupations. De nombreux rapports du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) des Nations Unies ont mis en garde contre le fait que de grandes quantités de gaz à effet de serre émis par les activités humaines, tels que le dioxyde de carbone (co₂), le méthane (ch₄), l’oxyde nitreux (n₂o), etc., continuent de modifier le système climatique de la terre, déclenchant une série de crises écologiques telles que la fonte des glaciers, l’élévation du niveau de la mer, la fréquence des événements climatiques extrêmes. Dans ce contexte, l'objectif de « neutralité carbone» a été mis à l'ordre du jour par de nombreux pays et régions en tant que stratégie centrale de la lutte mondiale contre le changement climatique. La réalisation de ces objectifs suppose une surveillance précise, une analyse quantitative et une gestion efficace des émissions de gaz à effet de serre. Les systèmes de surveillance des gaz à effet de serre sont apparus et, grâce à une architecture technologique avancée et à de puissantes fonctionnalités, sont devenus la « clé» pour débloquer de nouvelles voies de réduction précise des émissions de carbone, jouant un rôle dans les actions de réduction des émissions de carbone de diverses industries.
II. Composition et principes techniques des systèmes de surveillance des gaz à effet de serre
2.1 composition du système
2.1.1 module d'échantillonnage
Le module d'échantillonnage est chargé de prélever des échantillons de gaz de l'environnement surveillé, en veillant à ce que les échantillons soient représentatifs. Dans la surveillance de l'environnement atmosphérique, des échantillonneurs à haute altitude sont souvent utilisés, à l'aide de pompes d'échantillonnage professionnelles, pour extraire les gaz de différentes altitudes de l'atmosphère vers des tuyaux d'échantillonnage qui sont transmis à une unité d'analyse ultérieure. Lors de la surveillance de la source de pollution industrielle, pour la cheminée, l'évent et d'autres sources d'émission, il sera équipé d'une sonde d'échantillonnage spéciale résistant à haute température et à la corrosion, pénétrant profondément à l'intérieur de la source d'émission pour obtenir un échantillon précis du gaz d'émission.
2.1.2 module d'analyse
Le module d'analyse est au cœur du système de surveillance pour la détermination précise de la concentration de chaque gaz à effet de serre dans un échantillon de gaz. Les techniques d'analyse courantes comprennent l'analyse spectrale infrarouge, l'analyse spectrale laser et l'analyse par chromatographie en phase gazeuse. Prenons l'exemple de l'analyseur de spectroscopie infrarouge, où différentes molécules de gaz à effet de serre ont des propriétés d'absorption à une longueur d'onde spécifique de la lumière infrarouge, l'analyseur calcule avec précision la concentration de gaz tels que co₂, ch₄, etc., en utilisant la loi de Lambert - beer en détectant le degré d'absorption de la lumière infrarouge par le gaz. L'analyse spectroscopique au laser utilise l'interaction du laser avec les molécules de gaz pour obtenir des mesures haute sensibilité et haute résolution des gaz à effet de serre.
2.1.3 module de traitement et de transmission des données
Ce module est responsable du traitement, du stockage et de la transmission des données brutes issues du module d'analyse. L'unité de traitement de données utilise des algorithmes complexes pour calibrer, filtrer, éliminer les valeurs anormales et d'autres opérations sur les données brutes, améliorant ainsi la qualité des données.
2.1.4 modules auxiliaires
Les modules auxiliaires comprennent un système d'alimentation électrique, un système de contrôle de la température, un boîtier de protection, etc. Le système d'alimentation stable assure le fonctionnement continu de l'équipement de surveillance, dans les zones sauvages ou éloignées, souvent en utilisant le système d'alimentation solaire avec la batterie, pour atteindre l'autosuffisance énergétique. Le système de contrôle de la température garantit que les composants clés tels que le module d'analyse fonctionnent à la température appropriée, améliorant la précision de mesure et la stabilité de l'équipement. Le boîtier de protection robuste est résistant à l'eau, à la poussière et à la corrosion, ce qui permet au système de surveillance de s'adapter à divers environnements naturels et industriels difficiles.
2.2 principes techniques
2.2.1 principe d'absorption infrarouge
De nombreux gaz à effet de serre, tels que co₂, ch₄, n₂o, etc., ont des pics d'absorption caractéristiques dans la bande infrarouge. Lorsque la lumière infrarouge traverse un échantillon contenant ces gaz, une longueur d'onde spécifique de la lumière infrarouge est absorbée par les molécules de gaz, ce qui entraîne un affaiblissement de l'intensité lumineuse. Selon la relation quantitative entre la variation d'intensité lumineuse et la concentration du gaz, c'est - à - dire la loi de Lambert - beer i = i₀e⁻ᵏᵇᶜ (où I est l'intensité lumineuse transmise, i₀ est l'intensité lumineuse incidente, K est le coefficient d'absorption, B est la longueur du trajet optique et c est La concentration du gaz), la concentration du gaz peut être inversée en mesurant la variation d'intensité lumineuse. L'analyseur de spectre infrarouge basé sur ce principe, qui présente les avantages d'une structure simple, d'une vitesse de réponse rapide et d'une précision de mesure supérieure, est largement utilisé dans la surveillance des gaz à effet de serre.
2.2.2 techniques de spectroscopie laser
Les techniques de spectroscopie laser comprennent principalement la spectroscopie d'absorption laser à diode accordable (tdlas) et la spectroscopie d'absorption améliorée par cavité (CEAS), entre autres. La technologie tdlas utilise un laser à semi - conducteur pour émettre un laser dont la longueur d'onde peut être ajustée avec précision afin qu'il corresponde exactement à la raie d'absorption du gaz à effet de serre cible, mesurant la concentration du gaz en détectant le signal d'absorption du laser. Grâce aux propriétés du laser telles que la monochromaticité élevée, la directivité élevée et la luminosité élevée, la technologie tdlas permet une détection haute sensibilité et haute résolution des gaz à effet de serre, particulièrement adaptée à la surveillance des gaz à faible concentration. La technologie CEAS augmente considérablement le trajet optique de l'interaction de la lumière avec les gaz en réfléchissant le laser plusieurs fois dans une cavité à haute réflectivité, ce qui augmente considérablement la sensibilité de détection et permet de détecter des concentrations de gaz à effet de serre à l'état de traces.
2.2.3 principes de la chromatographie en phase gazeuse
L'analyse par chromatographie en phase gazeuse est l'injection d'un échantillon de gaz dans une colonne chromatographique munie d'une phase stationnaire dans laquelle les différents gaz à effet de serre, du fait de coefficients de partage différents entre la phase stationnaire et la phase mobile (gaz porteur), sont séparés puis détectés successivement par un détecteur. Les détecteurs couramment utilisés sont les détecteurs à ionisation de flamme (fid) pour la détection des hydrocarbures, les détecteurs à capture d'électrons (ECD) pour la détection des gaz à effet de serre contenant des éléments électronégatifs, etc. La chromatographie en phase gazeuse permet une séparation précise et une analyse quantitative de nombreux gaz à effet de serre dans un mélange complexe de gaz, avec une efficacité de séparation élevée, une sélectivité élevée et d'autres avantages, mais sa période d'analyse est relativement longue, généralement utilisée dans des analyses précises en laboratoire ou dans des scénarios où La précision de la surveillance est requise.
Iii. Application des systèmes de surveillance des gaz à effet de serre dans différents scénarios
3.1 domaine industriel
3.1.1 industrie sidérurgique
Le processus de production d'acier, de la fonte du minerai de fer au laminage de l'acier, implique de nombreuses liaisons à haute consommation d'énergie et à émissions élevées, qui sont des industries clés pour les émissions de gaz à effet de serre. Application de systèmes de surveillance des gaz à effet de serre dans les aciéries, principalement autour de sources d'émissions telles que les hauts fourneaux, les convertisseurs, les fours de chauffage, etc. Surveiller en temps réel la concentration et la quantité totale d'émissions de gaz tels que co₂, ch₄, etc. en installant des dispositifs de surveillance dans les cheminées et les conduits d'échappement.
3.1.2 industrie chimique
Les processus de production chimique sont complexes et impliquent de nombreuses réactions chimiques, émettant une grande variété de gaz à effet de serre et des compositions complexes. Système de surveillance dans les entreprises chimiques, non seulement pour surveiller le co₂ commun, ch₄, mais aussi pour surveiller efficacement les gaz à effet de serre fluorés, etc. En prenant l'exemple de l'entreprise de produits chimiques fluorés, grâce à la surveillance en temps réel des gaz à effet de serre fluorés dans l'atelier de production, l'évent du réacteur, l'entreprise est en mesure de détecter les points de fuite dans le processus de production à temps et de prendre les mesures de réparation correspondantes pour réduire les émissions de gaz à effet de serre puissants. En outre, le système de surveillance, associé à un logiciel de simulation de processus chimiques, aide les entreprises à optimiser les paramètres de leurs processus de production et à réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.
3.1.3 industrie électrique
Dans l'industrie de l'électricité, en particulier dans les entreprises de production d'énergie thermique, les processus de production d'électricité au charbon, au mazout ou au gaz génèrent d'importantes émissions de co₂. D'une part, le système de surveillance des gaz à effet de serre est installé à la sortie de la cheminée de la chaudière de l'usine, mesure avec précision la concentration et le débit des émissions de co₂, fournit des données précises pour la comptabilité des émissions de carbone de l'usine et aide à participer au marché du carbone. D'autre part, grâce à la surveillance et à l'analyse à long terme des données d'émission dans différentes conditions de fonctionnement de l'unité, l'usine peut optimiser la stratégie de contrôle de la combustion, ajuster le rapport carburant, le coefficient d'excès d'air et d'autres paramètres pour rendre le processus de combustion plus complet et réduire l'intensité des émissions de co₂.
3.2 domaine agricole
3.2.1 surveillance des émissions de gaz à effet de serre des terres agricoles
Les terres agricoles sont une source importante d'émissions de ch₄ et de n₂o. Pendant la riziculture, l'environnement anaérobie du sol dans des conditions inondées favorise l'activité méthanogène, ce qui entraîne des émissions importantes de ch₄. L'application d'engrais azotés sur les terres agricoles, sous l'action de micro - organismes, sera convertie en émissions de n₂o dans l'atmosphère. Les flux d'émissions de ch₄ et de n₂o à différents stades de croissance des cultures et dans le cadre de différentes mesures de gestion de la fertilisation sont surveillés en temps réel par la mise en place d'équipements de surveillance multipoints sur les terres agricoles, par chromatographie en phase gazeuse en boîte statique ou par des équipements de surveillance in situ basés sur la technologie de spectroscopie laser. Des études ont montré qu'un ajustement rationnel des méthodes d'irrigation du riz, avec une irrigation intermittente au lieu d'une inondation prolongée, peut réduire considérablement les émissions de ch₄; L'optimisation des stratégies d'application d'engrais azotés, telles que l'utilisation d'engrais à libération lente et de techniques de fertilisation de précision, permet de réduire efficacement les émissions de n₂o.
3.2.2 surveillance des émissions de gaz à effet de serre provenant de l'élevage
Le ch₄ émis par l'élevage provient principalement de la fermentation intestinale des animaux ainsi que de la décomposition anaérobie des matières fécales. Dans les élevages à grande échelle, les émissions de ch₄ et de n₂o sont maîtrisées en temps réel grâce à l'installation d'équipements de surveillance des gaz à effet de serre dans les élevages et les installations de stockage et de traitement des matières fécales.
3.3 le domaine de l'environnement urbain
3.3.1 surveillance de la qualité de l'air en milieu urbain
Les émissions d'échappement des véhicules à moteur dans les villes, les émissions fugitives provenant de sources industrielles et les émissions provenant de sources domestiques des résidents, entre autres, font des gaz à effet de serre un facteur important qui influe sur la qualité de l'air. La mise en place de sites de surveillance des gaz à effet de serre maillés dans les zones urbaines, en combinaison avec des superstations de surveillance de l'environnement atmosphérique, permet une surveillance en temps réel des gaz tels que co₂, ch₄, n₂o, etc., à l'aide d'équipements de surveillance de haute précision. Les données de surveillance sont utilisées non seulement pour évaluer l'état de la qualité de l'air dans les villes, mais aussi pour identifier les contributions des sources aux émissions de différents gaz à effet de serre grâce à des techniques de résolution des sources.
3.3.2 surveillance des décharges et des stations d'épuration des eaux usées
Les décharges et les usines de traitement des eaux usées sont d'importantes sources d'émissions de ch₄ dans la ville. Dans les décharges, les concentrations de ch₄ et les flux d'émissions sont surveillés en temps réel grâce à l'installation de capteurs de gaz et de puits de surveillance dans les zones d'enfouissement et les installations de traitement du lixiviat. Utilisez les données de surveillance pour planifier rationnellement les opérations de mise en décharge, telles que la couverture en temps opportun des déchets d'enfouissement, l'optimisation des systèmes de collecte et d'utilisation du gaz d'enfouissement, l'utilisation du gaz d'enfouissement pour la production d'électricité ou de chaleur, à la fois pour réduire les émissions de ch₄ et pour la récupération d'énergie. L'usine de traitement des eaux usées, par le biais de la surveillance du ch₄ de l'unité de traitement anaérobie, optimise les paramètres du processus de traitement des eaux usées, améliore l'efficacité du traitement et réduit la dispersion du ch₄.
Avantages du système de surveillance des gaz à effet de serre pour la réduction précise des émissions de carbone
4.1 localisation précise des sources d'émissions de carbone
Les systèmes de surveillance des gaz à effet de serre permettent d'identifier avec précision la source des émissions de gaz à effet de serre en installant des points de surveillance à différentes échelles spatiales et à différents niveaux d'émission. Dans les processus de production complexes des entreprises industrielles, à chaque étape, du traitement des matières premières au moulage des produits, les systèmes de surveillance capturent les données d'émission en temps réel et identifient les processus et les équipements à émissions élevées.
4.2 quantification de l'efficacité de la réduction des émissions
Grâce aux données de surveillance continues et à long terme du système de surveillance, il est possible de quantifier avec précision les effets réels des mesures de réduction des émissions. Les entreprises ou les régions peuvent évaluer visuellement l'efficacité de la réduction des émissions en comparant les données sur les émissions de gaz à effet de serre avant et après la mise en œuvre des mesures, par exemple en remplaçant les équipements à haut rendement énergétique, en optimisant les processus de production, en promouvant l'énergie propre, etc.
4.3 optimisation des stratégies de réduction des émissions
Données dynamiques en temps réel fournies par le système de surveillance qui peuvent être utilisées pour établir des modèles d'émissions de carbone qui prédisent les tendances des émissions de gaz à effet de serre dans le cadre de différentes stratégies de réduction. Les meilleures combinaisons de stratégies ont été examinées à l'aide d'une analyse par simulation de plusieurs options de réduction des émissions.
4.4 garanties de conformité
Avec des réglementations mondiales de plus en plus strictes en matière de réduction des émissions de carbone, les entreprises et les organisations sont soumises à une pression énorme pour se conformer. Les systèmes de surveillance des gaz à effet de serre fournissent des données précises et fiables qui répondent aux exigences en matière de comptabilité, de déclaration et de vérification des émissions de carbone et garantissent la conformité des entreprises dans le cadre de politiques telles que le marché du carbone, la taxation du carbone, etc.
V. Tendances des systèmes de surveillance des gaz à effet de serre
5.1 L'innovation technologique améliore la précision de la surveillance
À l'avenir, la précision et la sensibilité des systèmes de surveillance seront encore améliorées avec l'application en profondeur de technologies émergentes telles que le laser à cascade quantique (qcl), la spectroscopie photoacoustique (pas) et d'autres dans le domaine de la surveillance des gaz à effet de serre. La technologie qcl est capable de produire des lasers avec une plus large gamme de longueurs d'onde et une plus grande puissance, ce qui permet la surveillance des traces d'une plus grande variété de gaz à effet de serre; La technologie pas améliore considérablement la sensibilité de détection en détectant les signaux acoustiques générés après que les gaz absorbent l'énergie lumineuse, ce qui promet de permettre des mesures précises de très faibles concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, fournissant des données plus précises pour la recherche mondiale sur le changement climatique.
5.2 renforcement de l'intelligence et de l'automatisation
Grâce à des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) et d'apprentissage automatique (ML), les systèmes de surveillance des gaz à effet de serre permettront un traitement et une analyse intelligents des données. L'algorithme ai est capable d'identifier automatiquement les anomalies de données, de prédire les défaillances de l'équipement et d'améliorer la stabilité opérationnelle du système; L'algorithme ml permet d'extraire en profondeur des données de surveillance massives, de créer des modèles d'émissions de carbone plus précis et de permettre une traçabilité intelligente et une prévision dynamique des sources d'émissions de gaz à effet de serre. Dans le même temps, les équipements de surveillance automatisés seront constamment mis à niveau, dotés de fonctions telles que l'étalonnage automatique, l'échantillonnage automatique, le nettoyage automatique, etc., réduisant l'intervention humaine, réduisant les coûts d'exploitation et de maintenance et améliorant l'efficacité de la surveillance.
5.3 fusion de données multisources et surveillance synergique
Pour une compréhension complète de la dynamique des émissions de gaz à effet de serre, les futurs systèmes de surveillance intégreront des informations Multi - sources telles que les données de télédétection par satellite, les données de surveillance au sol et les données de perception de l'Internet des objets. La télédétection par satellite fournit une large gamme d'informations macroscopiques sur la distribution des concentrations de gaz à effet de serre, les sites de surveillance au sol permettent des mesures ponctuelles précises et les dispositifs IOT permettent une perception fine des zones locales telles que les villes et les parcs industriels. Construire un réseau stéréoscopique plus complet de surveillance des gaz à effet de serre grâce à une analyse de fusion de données multi - sources, permettant une surveillance synergique et une évaluation intégrée des émissions de carbone à différentes échelles mondiales, régionales et locales.
5.4 développement de la miniaturisation et de la portabilité
Avec le développement de la technologie des microsystèmes électromécaniques (MEMS), les dispositifs de surveillance des gaz à effet de serre évolueront vers la miniaturisation et la portabilité. Les petits appareils portables peuvent être facilement déployés dans des scénarios plus complexes. Dans le même temps, il est facile pour les chercheurs de mener une surveillance sur le terrain, d'obtenir des données de première main plus riches, de faire passer la surveillance des gaz à effet de serre d'un site fixe à une surveillance diversifiée et distribuée, d'élargir l'étendue et la profondeur des applications de surveillance.
Vi. Conclusion
Les systèmes de surveillance des gaz à effet de serre jouent un rôle irremplaçable dans la surveillance et la gestion des émissions de carbone dans de nombreux domaines tels que l'industrie, l'agriculture, l'environnement urbain et bien d'autres, en tant que support technique essentiel pour parvenir à une réduction précise des émissions de carbone. De nouvelles voies de réduction précise des émissions de carbone ont été ouvertes pour la lutte mondiale contre le changement climatique et la réalisation de l'objectif de neutralité carbone en localisant précisément les sources d'émissions de carbone, en quantifiant l'efficacité des réductions, en optimisant les stratégies de réduction et en garantissant la conformité. À mesure que l'innovation technologique continue de progresser, les futurs systèmes de surveillance des gaz à effet de serre continueront de faire des percées dans l'amélioration de la précision, le développement intelligent, la fusion de données multisources et la portabilité à petite échelle, améliorant ainsi les capacités de surveillance et de contrôle des émissions de gaz à effet de serre, contribuant ainsi à protéger l'environnement écologique de la planète et à promouvoir le développement durable de la société humaine.