I. Introducción
A medida que la tendencia del calentamiento global se vuelve cada vez más grave, las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero se han convertido en el foco. Los numerosos informes del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el cambio climático (ipcc) de las Naciones Unidas advierten de que la gran cantidad de gases de efecto invernadero emitidos por las actividades humanas, como el dióxido de carbono (co2), el metano (ch), el óxido nitroso (n ₄ o), etc., están cambiando continuamente el sistema climático de la tierra, provocando una serie de crisis ecológicas, Como el derretimiento de glaciares, el aumento del nivel del mar y la frecuencia de eventos climáticos extremos. En este contexto, el objetivo de "neutralidad de carbono" y "pico de carbono" está en la agenda de muchos países y regiones y se ha convertido en la estrategia central de la lucha mundial contra el cambio climático. La premisa para lograr estos objetivos es el monitoreo preciso, el análisis cuantitativo y el control efectivo de las emisiones de gases de efecto invernadero. El sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero surgió y, con una arquitectura tecnológica avanzada y funciones poderosas, se convirtió en la "clave" para desbloquear un nuevo camino de reducción precisa de carbono y desempeñó un papel en las acciones de reducción de emisiones de carbono de varias industrias.
II. composición y principios técnicos del sistema de vigilancia de los gases de efecto invernadero
2.1 composición del sistema
2.1.1 módulo de muestreo
El módulo de muestreo se encarga de recoger muestras de gas del entorno de monitoreo para garantizar que las muestras sean representativas. En el monitoreo del medio ambiente atmosférico, a menudo se utilizan muestreadores de altura para extraer gas de diferentes atmósferas de altura a tuberías de muestreo y transmitirlo a unidades de análisis posteriores a través de bombas de muestreo profesionales. Al monitorear las fuentes de contaminación industrial, para las fuentes de emisión como chimeneas y salidas de escape, se equiparán sondas de muestreo especiales resistentes a altas temperaturas y corrosión para profundizar en el interior de las fuentes de emisión y obtener muestras precisas de gases de emisión.
2.1.2 módulo de análisis
El módulo de análisis es el núcleo del sistema de monitoreo para determinar con precisión la concentración de cada gas de efecto invernadero en una muestra de gas. En la actualidad, las principales tecnologías de análisis incluyen análisis espectrales infrarrojos, análisis espectrales láser y análisis de cromatografía de gases. Tomando como ejemplo el analizador de espectro infrarrojo, diferentes moléculas de gases de efecto invernadero tienen propiedades de absorción bajo la luz infrarroja de una longitud de onda específica. el analizador calcula con precisión la concentración de gases como CO2 y Ch mediante la detección del grado de absorción de la luz infrarroja por el gas y el uso de la Ley Lambert - beer. El análisis espectral láser utiliza la interacción entre el láser y las moléculas de gas para lograr una medición de alta sensibilidad y alta resolución de los gases de efecto invernadero.
2.1.3 módulo de procesamiento y transmisión de datos
El módulo es responsable del procesamiento, almacenamiento y transmisión de los datos brutos exportados por el módulo de análisis. La unidad de procesamiento de datos utiliza algoritmos complejos para calibrar, filtrar y eliminar valores anormales de los datos originales para mejorar la calidad de los datos.
2.1.4 módulos auxiliares
El módulo auxiliar incluye un sistema de suministro de energía, un sistema de control de temperatura, una carcasa protectora, etc. Un sistema de suministro de energía estable garantiza el funcionamiento continuo del equipo de monitoreo, y en el campo o en áreas remotas, a menudo se utiliza un sistema de suministro de energía solar con baterías para lograr la autosuficiencia energética. El sistema de control de temperatura garantiza que los componentes clave, como el módulo de análisis, funcionen a una temperatura adecuada para mejorar la precisión de medición y la estabilidad del equipo. La carcasa protectora robusta y duradera tiene funciones impermeables, antipolvo y anticorrosivas, lo que permite al sistema de monitoreo adaptarse a todo tipo de entornos naturales e industriales hostiles.
2.2 principios técnicos
2.2.1 principio de absorción infrarroja
Muchos gases de efecto invernadero, como el co2, el ch, el n dióxido, etc., tienen picos de absorción característicos en la banda infrarroja. Cuando la luz infrarroja pasa por una muestra que contiene estos gases, la luz infrarroja de una longitud de onda específica es absorbida por las moléculas de gas, lo que resulta en un debilitamiento de la intensidad de la luz. De acuerdo con la relación cuantitativa entre el cambio de intensidad de la luz y la concentración de gas, es decir, la Ley Lambert - beer i = I (en la que I es la intensidad de transmisión, I es la intensidad de incidencia, k es el coeficiente de absorción, B es la longitud del Camino óptico y c es la concentración de gas), La concentración de gas se puede invertir midiendo el cambio de intensidad de la luz. El analizador de espectro infrarrojo basado en este principio tiene las ventajas de una estructura simple, una velocidad de respuesta rápida y una alta precisión de medición, y es ampliamente utilizado en el monitoreo de gases de efecto invernadero.
2.2.2 tecnología de espectrometría láser
La tecnología de espectro láser incluye principalmente el espectro de absorción láser de diodos tunables (tdlas) y el espectro de absorción mejorado por cavidad (ceas). La tecnología tdlas utiliza láseres semiconductores para emitir láseres con una longitud de onda tunable precisa para que coincidan con precisión con la Línea espectral de absorción del gas de efecto invernadero objetivo y midan la concentración de gas detectando señales de absorción láser. Debido a que el láser tiene las características de alta monocromática, alta directividad y Alto brillo, la tecnología tdlas puede lograr una detección de alta sensibilidad y alta resolución de gases de efecto invernadero, especialmente adecuada para el monitoreo de gases de baja concentración. La tecnología ceas, por su parte, aumenta considerablemente el camino óptico de interacción entre la luz y el gas reflejando el láser en una cavidad de alta reflectividad muchas veces, mejorando así significativamente la sensibilidad de detección y detectando concentraciones trazas de gases de efecto invernadero.
2.2.3 principios de la cromatografía de gases
El análisis por cromatografía de gases consiste en inyectar una muestra de gas en una columna que contiene una fase fija, y los diferentes gases de efecto invernadero se separan en la columna debido a los diferentes coeficientes de distribución entre la fase fija y la fase móvil (gas portador), y luego se detectan sucesivamente a través de un detector. Los detectores comunes son el detector de ionización de llama (fid) para la detección de hidrocarburos, el detector de captura electrónica (ecd) para la detección de gases de efecto invernadero que contienen elementos electronegativos, etc. La cromatografía de gases puede separar y analizar cuantitativamente con precisión una variedad de gases de efecto invernadero en gases mixtos complejos, y tiene las ventajas de alta eficiencia de separación y alta selectividad, pero su ciclo de análisis es relativamente largo, generalmente utilizado en análisis precisos de laboratorio o escenarios que requieren alta precisión de monitoreo.
III. aplicación del sistema de vigilancia de los gases de efecto invernadero en diferentes escenarios
3.1 sector industrial
3.1.1 industria siderúrgica
En el proceso de producción de acero, desde la fundición de mineral de hierro hasta el laminación de acero, implica muchos enlaces de alto consumo de energía y altas emisiones, y es una industria clave para las emisiones de gases de efecto invernadero. La aplicación del sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero en las acerías gira principalmente en torno a fuentes de emisión como altos hornos, convertidores y hornos de calentamiento. Al instalar equipos de monitoreo en chimeneas y tuberías de escape, se monitorean en tiempo real la concentración y la cantidad total de emisiones de gas como CO2 y Ch.
3.1.2 industria química
Los procesos de producción química son complejos, implican una variedad de reacciones químicas, emiten una gran variedad de gases de efecto invernadero y su composición es compleja. En las empresas químicas, el sistema de monitoreo no solo se utiliza para monitorear el CO2 y Ch comunes, sino que también puede monitorear eficazmente los gases de efecto invernadero fluorados. Tomando como ejemplo a las empresas químicas fluoradas, a través del monitoreo en tiempo real de los gases de efecto invernadero fluorados en los talleres de producción y los gases de escape de los reactores, las empresas pueden detectar los puntos de fuga en el proceso de producción a tiempo y tomar las medidas de reparación correspondientes para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero fuertes. Además, el sistema de monitoreo combina software de simulación de procesos químicos para ayudar a las empresas a optimizar los parámetros del proceso de producción y reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero.
3.1.3 industria eléctrica
En el sector eléctrico, especialmente en las empresas de generación de energía térmica, los procesos de generación de carbón, combustible o gas generan grandes emisiones de co2. Por un lado, el sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero se instala en la salida de la chimenea de la caldera de la central eléctrica para medir con precisión la concentración y el caudal de las emisiones de co2, proporcionar datos precisos para la contabilidad de las emisiones de carbono de la central eléctrica y ayudar a participar en el mercado de Comercio de carbono. Por otro lado, a través del monitoreo y análisis a largo plazo de los datos de emisiones en diferentes condiciones de funcionamiento de las unidades, las centrales eléctricas pueden optimizar la estrategia de control de combustión, ajustar la proporción de combustible, el coeficiente de exceso de aire y otros parámetros para hacer que el proceso de combustión sea más completo y reducir la intensidad de las emisiones de co2.
3.2 Área agrícola
3.2.1 vigilancia de las emisiones de gases de efecto invernadero de las tierras agrícolas
Las tierras agrícolas son importantes fuentes de emisión de Ch y N ₄ O. En el proceso de cultivo de arroz, el entorno anaeróbico del suelo en condiciones inundadas es propicio para la actividad de bacterias metanógenas, lo que conduce a la descarga masiva de Ch. Por su parte, la aplicación de fertilizantes nitrogenados en las tierras de cultivo se transformará en nitrógeno y se descargará a la atmósfera bajo la acción microbiana. A través de la instalación de equipos de monitoreo multipunto en tierras agrícolas, utilizando la cromatografía de gases de caja estática o equipos de monitoreo in situ basados es es en tecnología de espectrometría láser, se monitorean en tiempo real los flujos de emisiones de Ch y N ₄ o en diferentes etapas de crecimiento de cultivos y diferentes medidas de manejo de fertilización. Los estudios han demostrado que ajustar racionalmente los métodos de riego del arroz y utilizar el riego intermitente en lugar de las inundaciones a largo plazo puede reducir significativamente las emisiones de ch; Optimizar las estrategias de aplicación de fertilizantes nitrogenados, como el uso de fertilizantes de liberación lenta y técnicas precisas de fertilización, puede reducir efectivamente las emisiones de n dióxido de carbono.
3.2.2 vigilancia de las emisiones de gases de efecto invernadero de la cría de ganado y aves de corral
Las emisiones de Ch de la cría de ganado y aves de corral provienen principalmente de la fermentación intestinal animal y la descomposición anaeróbica de las heces. En las granjas a gran escala, a través de la instalación de equipos de monitoreo de gases de efecto invernadero en casas de cría, instalaciones de almacenamiento y tratamiento de estiércol, se captan las emisiones de Ch y n dióxido en tiempo real.
3.3 Área del medio ambiente urbano
3.3.1 vigilancia de la calidad del aire urbano
Las emisiones de escape de los vehículos de motor en las ciudades, las emisiones no organizadas de fuentes industriales y las emisiones de fuentes de vida de los residentes hacen que los gases de efecto invernadero se conviertan en factores importantes que afectan la calidad del aire. Establecer estaciones de monitoreo de gases de efecto invernadero en red en áreas urbanas, combinadas con estaciones súper de monitoreo del medio ambiente atmosférico, utilizando equipos de monitoreo de alta precisión para monitorear gases como co2, ch, N ₄ o en tiempo real. Los datos de monitoreo no solo se utilizan para evaluar el Estado de la calidad del aire urbano, sino que también pueden identificar la contribución de las fuentes de emisión de diferentes gases de efecto invernadero a través de la tecnología de análisis de fuentes.
3.3.2 vigilancia de vertederos y plantas de tratamiento de aguas residuales
Los vertederos y las plantas de tratamiento de aguas residuales son importantes fuentes de descarga de CH en las ciudades. En los vertederos, la concentración de Ch y el flujo de descarga se monitorean en tiempo real mediante la instalación de pozos de monitoreo y sensores de gas en vertederos e instalaciones de tratamiento de lixiviados. Utilizar datos de monitoreo para planificar racionalmente los métodos de operación de vertederos, como cubrir los residuos de vertederos a tiempo, optimizar el sistema de recogida y utilización de gas de vertedero y utilizar gas de vertedero para la generación de energía o calefacción, lo que no sólo reduce las emisiones de ch, sino que también realiza el reciclaje de energía. La planta de tratamiento de aguas residuales, por su parte, optimiza los parámetros del proceso de tratamiento de aguas residuales mediante el monitoreo de Ch de la unidad de tratamiento anaeróbico, mejora la eficiencia del tratamiento y reduce la dispersión de Ch.
IV. ventajas del sistema de vigilancia de los gases de efecto invernadero para ayudar a reducir con precisión el carbono
4.1 posicionamiento preciso de las fuentes de emisión de carbono
El sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero puede identificar con precisión la fuente de emisión de gases de efecto invernadero estableciendo puntos de monitoreo en diferentes escalas espaciales y diferentes enlaces de emisión. En el complejo proceso de producción de las empresas industriales, desde el procesamiento de materias primas hasta la formación de productos, el sistema de monitoreo puede capturar datos de emisiones en tiempo real y determinar procesos y equipos de alta emisión.
4.2 cuantificar la efectividad de la reducción de emisiones
Con la ayuda de los datos de monitoreo a largo plazo y continuos del sistema de monitoreo, se puede cuantificar con precisión el efecto real de las acciones de reducción de emisiones. Después de tomar medidas de ahorro de energía y reducción de emisiones, como reemplazar equipos de ahorro de energía de alta eficiencia, optimizar los procesos de producción, promover la energía limpia, etc., las empresas o regiones pueden evaluar intuitivamente la efectividad de la reducción de emisiones comparando los datos de emisiones de gases de efecto invernadero antes y después de la implementación de las medidas.
4.3 optimización de las estrategias de reducción de emisiones
Los datos en tiempo real y dinámicos proporcionados por el sistema de monitoreo se pueden utilizar para establecer modelos de emisiones de carbono y predecir las tendencias de las emisiones de gases de efecto invernadero bajo diferentes estrategias de reducción de emisiones. A través de la simulación y el análisis de una variedad de planes de reducción de emisiones, se selecciona una mejor combinación de estrategias.
4.4 garantías de cumplimiento
A medida que las regulaciones globales de reducción de emisiones de carbono se vuelven cada vez más estrictas, las empresas y organizaciones se enfrentan a una enorme presión de cumplimiento. Los datos precisos y confiables proporcionados por el sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero pueden cumplir con los requisitos de contabilidad, notificación y verificación de emisiones de carbono y garantizar que las empresas operen de acuerdo con el entorno normativo, como el mercado de comercio de carbono y la recaudación de impuestos sobre el carbono.
V. tendencias de desarrollo de los sistemas de vigilancia de los gases de efecto invernadero
5.1 La innovación tecnológica promueve la mejora de la precisión del monitoreo
En el futuro, con la aplicación en profundidad de tecnologías emergentes como el láser cuántico en cascada (qql) y la espectrometría fotoacústica (pas) en el campo del monitoreo de gases de efecto invernadero, la precisión y sensibilidad del sistema de monitoreo mejorarán aún más. La tecnología qql puede producir láseres con un rango de longitud de onda más amplio y una mayor potencia, lo que puede realizar el monitoreo de trazas de más tipos de gases de efecto invernadero; La tecnología pas mejora considerablemente la sensibilidad de la detección detectando señales acústicas producidas después de que los gases absorben energía luminosa, lo que se espera que logre una medición precisa de las concentraciones extremadamente bajas de gases de efecto invernadero en la atmósfera y proporcione datos más precisos para la investigación mundial sobre el cambio climático.
5.2 profundización de la inteligencia y la automatización
Con la ayuda de algoritmos de inteligencia artificial (ia) y Aprendizaje automático (ml), el sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero realizará un procesamiento y análisis de datos inteligentes. El algoritmo de Ia puede identificar automáticamente las anomalías de datos, predecir las fallas del equipo y mejorar la estabilidad del funcionamiento del sistema; El algoritmo ML puede extraer datos de monitoreo masivos en profundidad, establecer modelos de emisiones de carbono más precisos y realizar la trazabilidad inteligente y la predicción dinámica de las fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero. Al mismo tiempo, el equipo de monitoreo automatizado se actualizará constantemente, con funciones de calibración automática, muestreo automático y limpieza automática, reduciendo la intervención manual, reduciendo los costos de operación y mantenimiento y mejorando la eficiencia del monitoreo.
5.3 fusión de datos de múltiples fuentes y monitoreo colaborativo
Para comprender plenamente la dinámica de las emisiones de gases de efecto invernadero, el futuro sistema de monitoreo integrará información de múltiples fuentes, como datos de teleobservación por satélite, datos de monitoreo terrestre y datos de percepción de Internet de las cosas. La teleobservación por satélite puede proporcionar información amplia y macro sobre la distribución de la concentración de gases de efecto invernadero, las estaciones de monitoreo terrestre logran mediciones precisas de puntos fijos, mientras que los equipos de Internet de las cosas refinan la percepción de áreas locales como ciudades y parques industriales. A través del análisis de fusión de datos de múltiples fuentes, se construye una red de monitoreo de gases de efecto invernadero más completa y tridimensional para realizar el monitoreo colaborativo y la evaluación integral de las emisiones de carbono a diferentes escalas globales, regionales y locales.
5.4 desarrollo de la miniaturización y la portabilidad
Con el desarrollo de la tecnología de Sistemas microelectromecánicos (microelectromecánicos), los equipos de monitoreo de gases de efecto invernadero avanzarán hacia la miniaturización y portabilidad. Los pequeños dispositivos portátiles se pueden desplegar fácilmente en escenarios más complejos. Al mismo tiempo, es conveniente para los investigadores científicos llevar a cabo el monitoreo de campo, obtener datos de primera mano más ricos, promover la transformación del monitoreo de gases de efecto invernadero de estaciones fijas a monitoreo diversificado y distribuido, y ampliar la amplitud y profundidad de las aplicaciones de monitoreo.
VI. Conclusiones
Como apoyo técnico clave para lograr una reducción precisa del carbono, el sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero desempeña un papel insustituible en el monitoreo y gestión de las emisiones de carbono en muchos campos, como la industria, la agricultura y el medio ambiente urbano. Al localizar con precisión las fuentes de emisión de carbono, cuantificar la efectividad de la reducción de emisiones, optimizar las estrategias de reducción de emisiones y garantizar el cumplimiento, se ha abierto un nuevo camino para la reducción precisa de carbono en la lucha mundial contra el cambio climático y el logro de los objetivos de neutralidad de carbono. Con el avance continuo de la innovación tecnológica, el sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero continuará haciendo avances en la mejora de la precisión, el desarrollo inteligente, la integración de datos de múltiples fuentes y la miniaturización y portabilidad en el futuro, mejorando aún más la capacidad de monitoreo y control de las emisiones de gases de efecto invernadero y contribuyendo más a proteger el medio ambiente ecológico de la tierra y promover el desarrollo sostenible de la sociedad humana.