Einsatz von GeoIT beim Monitoring von Gasen im - AIR

Einsatz von GeoIT beim
Monitoring von Gasen im Umfeld Chemischer
und Petrochemischer Anlagen
erstellt durch:
EFTAS Fernerkundung
Technologietransfer GmbH
erstellt für:
Anwenderverband für integrierte
Rauminformationen und
Technologien e.V. (AIR)
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Impressum
Herausgeber
Anwenderverband für integrierte Rauminformationen und
Technologien e.V. (AIR)
Westring 303
44629 Herne
[email protected]
Verfasser
Dipl. Geogr. Heide Bierbrauer
Anschrift
EFTAS Fernerkundung
Technologietransfer GmbH
Oststraße 2 - 18
48145 Münster (Westf.)
Version
v2.1
Stand
Oktober 2014
Inhalt
Alle in dieser Studie enthaltenen Angaben wurden nach
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nicht übernommen werden.
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Die Studie wurde im Rahmen des Projektes Geonet2.0 erstellt. Das Projekt wird
gefördert mit Mitteln der EU und des Landes Nordrhein-Westfalen.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Inhaltsverzeichnis
1
Management Summary ........................................................................................................... 4
2
Einleitung ................................................................................................................................ 6
2.1
Ausgangssituation ............................................................................................................. 6
2.2
Detektionsrelevante Stoffe ............................................................................................... 9
2.3
Definitionen und Grundlagen ......................................................................................... 11
2.3.1
Monitoring ............................................................................................................... 11
2.3.2
Raumbezug .............................................................................................................. 12
2.4
3
Aufgabe der Studie ......................................................................................................... 13
Monitoring von Gasen ........................................................................................................... 15
3.1
Methoden und Stand der Technik ................................................................................... 15
3.1.1
Infrarot-Spektroskopie ............................................................................................ 15
3.1.2
Hyperspektrale Sensorik ......................................................................................... 16
3.2
Gasdetektionssysteme ..................................................................................................... 19
3.2.1
Terrestrische Systeme ............................................................................................. 19
3.2.2
Flugzeuggestützte Systeme ..................................................................................... 23
3.2.3
Satellitengestützte Systeme ..................................................................................... 28
3.3
Bewertung eines kontinuierlichen Monitorings für die Geschäftsprozesse ................... 33
3.4
Herausforderungen ......................................................................................................... 35
4
Zusammenfassung ................................................................................................................. 35
5
Literatur und Quellen ............................................................................................................ 38
5.1
Fachbücher, Zeitschriftenartikel und Vorträge ............................................................... 38
5.2
Internetquellen ................................................................................................................ 40
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
1
Management Summary
Das Umweltmonitoring spielt für die Unternehmen der chemischen und petrochemischen Industrie eine sehr wichtige Rolle. Die durch Unfälle bei der Produktion, beim Transport, bei der
Lagerung und Verarbeitung freigesetzten Gase können eine große Gefahr für Umwelt, Bevölkerung und die beim Einsatz beteiligten Feuerwehren darstellen. Trotz hoher Sicherheitsvorkehrungen kommt es immer wieder zu Störfällen, bei denen insbesondere größere Mengen an
flüchtigen, organischen Verbindungen, sogenannten VOCs1, freigesetzt werden. Es besteht daher nach wie vor Bedarf an zusätzlichen Sicherheitsanwendungen, um einen kontinuierlichen
Ablauf der Geschäftsprozesse sicherstellen zu können.
Ein klassisches Einsatzgebiet von GeoIT2 und insbesondere der Fernerkundung ist das Identifizieren von Umweltveränderungen und das Detektieren spezifischer Materialien oder Stoffe.
Stoffausträge wie Gasemissionen können zu Veränderungen und/oder Degradationen von Vegetation und Boden in der Umgebung von Erdgasleitungen, chemischen und petrochemischen
Anlagen, Kavernen etc. führen. Diese gilt es sowohl kurz- als auch langfristig zu beobachten.
Die vorliegende Studie befasst sich daher mit der Fragestellung, inwieweit spektral und räumlich hochauflösende Fernerkundungsdaten und die daraus abgeleiteten Geoinformationen bestehende Gefahrenmanagementsysteme chemischer und petrochemischer Betriebe umweltgerecht und effizient unterstützen können. Ist es möglich, mit Hilfe von Fernerkundungsmethoden ein kontinuierliches „pro-aktives“ Monitoring (d.h. regelmäßige Überprüfung großer Anlagenbereiche und Rohrleitungen während des laufenden Betriebs) durchzuführen, mit dem Ziel,
eventuelle Störfälle bzw. Unregelmäßigkeiten schon im Frühstadium ihres Auftretens zu erkennen (z.B. erstes Auftreten von Methan- oder Kohlendioxidausgasungen)?
Die Industrie hat die Notwendigkeit erkannt, ihre in einem Gefahrenmanagementsystem vorliegenden Daten um die räumliche Komponente zu erweitern. Sie ist dabei mit neuen Herausforderungen konfrontiert, die sich für große Betriebe im Zusammenhang mit der Verknüpfung und
1
VOC = (engl.) volatile organic compounds. Eine Gruppe besonders flüchtiger organischer Verbindungen, die natürlich vorkommen, aber auch in vielen industriellen Verfahren der Branchen Öl und Gas, Chemie und Petrochemie
entstehen oder verwendet werden. Typische Quellen sind Rohöl, Lösungsmittel und Treibstoffe.
2
GeoIT umfasst die Gesamtheit von Hardware, Software, Techniken und/oder Methoden zur Erfassung, Analyse
und Präsentation von Geodaten und Rauminformationen in Technologiesäulen wie Fernerkundung, Satellitennavigation oder Geodateninfrastrukturen.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Integration großer Wissensdatenbanken in einem Gefahrenmanagementsystem ergeben. Auch
auf diesen Aspekt wird in der vorliegenden Studie eingegangen.
Die Studie gliedert sich in drei Bereiche. Im ersten Teil wird zunächst die derzeitige Ausgangssituation in der chemischen und petrochemischen Industrie betrachtet. Dazu gehört auch die Betrachtung rezenter Störfälle und detektionsrelevanter Stoffe. Im zweiten Teil werden sowohl
herkömmliche Gasdetektionsmethoden als auch neueste Entwicklungen im Bereich der fernerkundungsgestützten Gasdetektion betrachtet. Dabei werden die Einsatzmöglichkeiten verschiedener Sensoren (multi- und hyperspektral, Kameras, Scanner) als auch unterschiedliche
Trägersysteme (terrestrisch, UAV3, flugzeug- und satellitengestützt) aufgezeigt. Neuere Entwicklungen im Bereich der hyperspektralen Sensorik spielen hierbei eine besonders wichtige
Rolle. In diesem Zusammenhang werden sowohl die Einsatzmöglichkeiten bereits operationeller Satellitensensoren als auch die zukünftiger Missionen wie den Sentinel4-Satelliten des Copernicus-Programms und EnMAP5 aufgezeigt. Im dritten Teil erfolgt eine Bewertung für die Geschäftsprozesse der chemischen und petrochemischen Industrie. Herausforderungen, die mit
der Implementierung eines auf Fernerkundungsdaten basierenden Monitoring-Konzeptes in
bestehende Gefahrenmanagementsysteme verbunden sind, werden ebenfalls diskutiert.
Die Studie zeigt, dass räumlich und spektral hochauflösende Fernerkundungsdaten und die daraus abgeleiteten Geoinformationen durchaus einen Beitrag zum kontinuierlichen GasMonitoring leisten können. Sie können eine wichtige Rolle bei der Sicherung von Geschäftsprozessen spielen und ein umweltgerechtes und effizientes Management von chemischen und petrochemischen Anlagen oder Chemieparks ergänzen. Die Herausforderung besteht allerdings darin, die im Zuge des Monitoring anfallenden Geoinformationen bzw. Fachdaten in Fast-Echtzeit
in bestehende Gefahrenmanagementsysteme zu integrieren und ihre Analyse mit Hilfe von
Auswertungsalgorithmen zu automatisieren. Dies kann nur mit Unterstützung moderner GeoITSysteme geschehen.
3
UAV = unbemanntes Luftfahrzeug (engl. Unmanned Aerial Vehicle)
4
Sentinel = Erdbeobachtungssatelliten des Copernicus-Programms (vorher GMES) der ESA, die eine komplexe Erdbeobachtung ermöglichen sollen und deren Daten für die Bereiche Umwelt, Verkehr, Wirtschaft und Sicherheitspolitik eingesetzt werden können. Start des ersten Satelliten der Sentinel-Flotte war im April 2014 (vgl. ESA (2010),
[28], [29]).
5
EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) = erste deutsche hyperspektrale Satellitenmission, die
mit neuer Technik die Aufzeichnung spektral-diagnostischer, quantitativer Daten zum Monitoring geo- und biochemischer Parameter der Erdoberfläche erlaubt. Geplanter Start 2017 (vgl. [7]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
2
2.1
Einleitung
Ausgangssituation
Undichte Leitungen, brennende Tanks, unkontrollierter Gas- und Ölaustritt – in kaum einer anderen Branche ist die Gefahr von Krisen und Störfällen so hoch wie in der chemischen und petrochemischen Industrie. Jede dieser Krisen kann schwerwiegende Folgen für Bevölkerung und
Umwelt haben.
Trotz erheblich besserer Sicherheitsvorkehrungen kommt es immer wieder zu Störfällen mit
ungewollten Schadstofffreisetzungen. Mineralöle, Erdöl, Erdgas oder andere raffinierte Produkte entweichen durch Leckagen in Tanks, Rohrleitungen oder Fässern oder Fehlern in der Produktion in die Umwelt. Ein Großteil der Rohstoffe für die chemische Industrie - Öl, Erdgas und
andere Gase wie Kohlenmonoxid - wird in Deutschland durch Rohrleitungen und Pipelines
transportiert. Diese Rohrleitungen finden sich zum einen in Industrie- und Chemieparks, zum
anderen führen sie quer durch die gesamte Bundesrepublik. Die Ethylen-Produzenten in der
petrochemischen Industrie sind zum Beispiel über entsprechende Pipelines miteinander verbunden, um Produktionsschwankungen auszugleichen (vgl. [1]). Eine zwischen Krefeld und
Dormagen geplante ca. 40 km lange Kohlenstoffmonoxid-Pipeline soll einen standortübergreifenden Rohstoffverbund zwischen den Betriebsanlagen eines Chemieunternehmens schaffen.
Zusätzlich zu den bereits bestehenden Pipelines werden immer mehr Pipelines zum An- und Abtransport von Gasen wie Erdgas oder Ethen gebaut oder sind in Planung.
Im Umfeld von Erdöl- und Erdgas-Speicherstätten können durch eine unzureichende Sicherheit
des Verbringungsortes Kohlenwasserstoffe in den Boden gelangen und Umwelt und Grundwasser gefährden. Sind die Konzentrationen räumlich sehr begrenzt, kann das auf undichte Untergrundpipelines oder kleinste Versickerungen zurückgeführt werden. Treten die Konzentrationen weiträumig auf, können unterirdische Lecks in großen Öl- und Gasreservoirs oder auch Austritte aus natürlichen Öl- und Gaslagerstätten die Ursache sein. Eine Versickerung von Schadstoffen in den Boden oder ins Grundwasser schadet nicht nur der Umwelt, sondern auch dem
Verursacher, da die Sanierung der Kontaminationsflächen nicht nur sehr kostspielig sein kann,
sondern auch empfindliche Strafen nach sich ziehen kann. Außerdem tragen diese Austritte von
Kohlenwasserstoffen zur globalen Erwärmung bei, da zum Beispiel Methan ein 8 x höheres
Treibhauspotenzial besitzt als CO2. Aufgrund der hohen Explosionsfähigkeit von Kohlenwasserstoffen (Gas bildet bei der Verbindung mit Luft ein explosives Luft-Gas-Gemisch) ist es wichtig,
diese frühzeitig aufzuspüren, bevor es zu einer gefährlichen Situation kommen kann.
Im Umgang mit Gasen war Sicherheit immer schon ein wichtiges Thema. Manche Gase sind
brennbar, andere explosiv, wieder andere können toxisch wirken. Die Unternehmen der chemischen und petrochemischen Industrie besitzen bereits hochentwickelte Prozessüberwachungs-
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
systeme bzw. Gefahrenmanagementsysteme, in denen zum Beispiel kritische Produktionsanlagen mit Hilfe neuester Thermographietechnologien videobasiert auf Verschleiß, Abnutzung
oder Materialermüdung überwacht werden. Zum Teil sind auch bereits bestehende Gasdetektions- und Lecküberwachungssysteme bei Produktionsanlagen, Rohrsystemen oder Pipelines in
diese Systeme integriert worden. Das Leitstellensystem Siveillance Vantage von Siemens (vgl.
[18]) bietet zum Beispiel Lösungen für die Integration bereits bestehender oder geplanter Gasdetektions- und Lecküberwachungssysteme bei Produktionsanlagen, Rohrsystemen oder Pipelines in Gefahrenmanagementsysteme an. Unter Berücksichtigung klassischer IT-Services (Datenbankkonsolidierung, Data Warehousing, Identity Management) werden unterschiedliche
Wissensdatenbanken und Informationen miteinander verknüpft.
All diesen Technologien ist allerdings gemeinsam, dass sie zumeist punktuelle Messungen vornehmen und nicht großflächig die gesamte Anlage oder den gesamten Trassenverlauf einer
Pipeline und dessen Umgebung überwachen. In den meisten Fällen erfolgt die Überwachung
von Pipelines zu Fuß oder mit dem Helikopter, was in beiden Fällen zeit- und kostenaufwändig
ist. Andere Methoden im Einsatz sind das Messen von Druckunterschieden, akustische Methoden, die auf das Zischen ausströmenden Gases reagieren, und Gasspürsonden. Um einen sicheren Transport des Gases zu ermöglichen, ist aber eine kontinuierliche Überwachung dieser
Pipelines nötig. Eine ergänzende Integration von Fernerkundungsdaten findet sich selten. Dabei
könnten auch diese Daten über offene Schnittstellen und IT Know-how in ein Überwachungssystem integriert werden.
Die Chemische Industrie hat bereits erkannt, dass sie vor neuen Herausforderungen in Bezug
auf Technologie- und Prozessinnovation steht. So schreiben DECHEMA6 und VDI7 in einem Positionspapier, dass „zur Unterstützung des Übergangs vom Zeichenbrett in die digitale Zukunft“
neue technologische Entwicklungen, innovative Methoden und Prozesse in die vorhandenden
komplexen Prozesse von Betrieb und Anlagenbau integriert werden müssen. Dazu gehören sowohl digitale Methoden und Technologien, wie z.B. das Laserscanning, als auch andere virtuell
interaktive Techniken. „Die virtuelle Anlage wird zum digitalen Abbild der realen, zukünftigen
oder bestehenden Anlage“. Sie ist nicht nur Integrations- und Kommunikationsplattform, sondern in zunehmendem Maße Informationsbasis für einen effizienten und kostenoptimierten
Betrieb. Nach Aussage der Initiative von DECHEMA und VDI-GVC8 passiert diese Adaptation
aber noch viel zu selten. Es wird gleichfalls festgestellt, dass die klassische, funktionale 2D-
6
DECHEMA = Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.
VDI = Verein Deutscher Ingenieure e.V.
8
VDI-GVC = VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
7
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Darstellung einer konsequenten Erweiterung um die räumlichen Aspekte bedarf. Forschungsund Entwicklungsbedarf besteht u.a. im Bereich Ad-hoc-Visualisierung (jederzeit und überall,
mit aktuellen Daten, bedarfsorientiert, in verschiedenen Umgebungen etc.) als auch bei der Bereitstellung von neutralen und offenen Informations- und Datenmodellen (vgl. [11]).
Eine Gasleckage ist auch ein wirtschaftlicher Verlust - Gas geht verloren, und das Risiko eines
teuren und arbeitsintensiven Anlagenausfalls steigt. Wie bereits in einem Prospekt der Firma
Siemens angedeutet, kann „die kleinste Sicherheitslücke bei […] Produktion, Transport und Lagerung großen Schaden anrichten und Milliarden Euro pro Jahr kosten, von den möglichen Folgen für Menschenleben oder die Umwelt ganz zu schweigen“ (vgl. [9]).
Laut ProzessNet9 gab es im Jahre 2012 fünfzehn Chemieunfälle in Chemie-, Petrochemie- und
Pharma- Anlagen sowie Lagerstätten für Chemikalien. Die Bilanz: insgesamt 119 Verletzte und 2
Tote. Der technische Gesamtschaden der Störfälle belief sich laut Zentraler Melde- und Auswertestelle (ZEMA) auf geschätzte 5,6 Mio. Euro. Seit 1991 erfolgt vom Umweltbundesamt eine
systematische Erfassung aller meldepflichtigen Ereignisse und seit 1993 analysiert die ZEMA
Störfälle und Störungen in Verfahrenstechnischen Anlagen und erstellt jährlich einen Bericht
über die gemeldeten Ereignisse (vgl. UBA 2012).
Die folgenden Beispiele sind stellvertretend für eine Vielzahl ähnlicher Störfälle:

Februar 2012: Über 4 Wochen lang versickert auf dem Gelände der Kölner ShellRaffinerie in Wesseling eine Million Liter Kerosin (Flugzeugbenzin) aus einer havarierten
unterirdischen Leitung unbemerkt im Erdreich. Dabei entstand ein unterirdischer Kerosin-See in einer Größenordnung von 9.400 Quadratmetern – unklar ist, wie nachhaltig
Boden und Grundwasser verschmutzt sind. Ursache der Leckage war das Versagen des
elektronischen Korrosionsschutzes. Seit Januar 2013 wird das ausgelaufene Kerosin über
insgesamt 4 Brunnen nach oben gepumpt. Bis März 2014 waren erst 198.000 Liter des
Treibstoffes von der Oberfläche des Grundwassers abgepumpt (vgl. [4])! 10
9
ProzessNet = Initiative von DECHEMA und VDI-GVC. Deutsche Plattform für Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen und Technische Chemie (vgl. [14]).
10
Laut Auskunft verschiedener Shell-Mitarbeiter treten seit Jahren Lecks in Leitungen auf. Die Mitarbeiter berichteten dem Kölner Express anonym von maroden Rohrbrücken, Rost unter Rohr-Isolierschichten und undichten
Rohren innerhalb des Raffinerie-Werks. „Von vielen der 15 000 Leitungsrohre wisse man gar nicht, woher sie kommen und wohin sie führen.“ Die Vorfälle würden oft zu spät oder nie gemeldet (vgl. [16]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie

September 2012: Auf dem Firmengelände eines Chemieunternehmens in Dormagen im
Rhein-Kreis Neuss tritt durch ein Leck in einer Leitung bei Reinigungsarbeiten eine Wolke aus Chlorwasserstoff aus und verletzt 25 Arbeiter (vgl. [2]).

Januar 2013: Aufgrund eines Lecks in einer Chemiefabrik bei Rouen/Nordfrankreich wird
eine große Menge des Gases Methandiol freigesetzt und erreicht als Gaswolke innerhalb eines Tages eine Ausdehnung von rund 350 Kilometern. Bis zum Nachmittag hatte
die Gaswolke auch England erreicht (vgl. [19]).

April 2014: In Gronau-Epe (Kreis Borken) tritt über einen längeren Zeitraum auf mehreren Weiden eines landwirtschaftlichen Betriebes ein Öl-Wasser-Gemisch an die Oberfläche. Es stammt aus einer unterirdischen Salzstockkaverne, die zur Lagerung von Rohöl
verwendet wird. Zeitweise war unklar, ob die Kaverne selber ein Leck hatte oder ob das
Gemisch aus einer der Rohrleitungen stammt, die zur Kaverne führen.
Es stellt sich die Frage, ob diese und andere Ereignisse nicht durch ein kontinuierliches „proaktives“ Monitoring mit Hilfe von räumlich und spektral hoch auflösenden Fernerkundungsdaten früher hätten erkannt und evtl. sogar verhindert werden können. Gerade vor dem Hintergrund möglicher Umweltbeeinträchtigungen für Grundwasser und Boden durch in Betrieb befindliche Anlagen zur Speicherung von Erdöl oder Erdgas besteht ein dringend erforderlicher
Überwachungsbedarf in Bezug auf die potentiell auftretenden Risiken und deren Folgen.
2.2
Detektionsrelevante Stoffe
Es gibt eine kaum überschaubare Anzahl von organischen und anorganischen Substanzen, aber
nur ein kleiner Teil wird in größerem Maßstab hergestellt und transportiert. Im Bereich der
chemischen und petrochemischen Industrie sind es vor allem die Flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) die hier eine Rolle spielen und bei vielen Störfällen beteiligt sind. Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan, Ethan, Propan, Benzol, Toluol, Ethen u.a.) machen dabei den Hauptteil
der VOC aus. VOC-Emissionen können gesundheitliche Risiken verursachen und sind als Vorläufersubstanzen für klimaschädliche Gase bekannt. Entsprechende Vorschriften für die Minimierung dieser Emissionen bestehen in vielen Ländern (vgl. EU (1999) und BMJV11 (2013)).
Darüber hinaus gibt es natürlich auch eine Vielzahl anderer extrem toxischer Stoffe und Reizgase, die zu den „detektionsrelevanten“ Stoffen gehören. Ein Schwerpunkt soll allerdings auf je-
11
BMJV = Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz
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nen Stoffen liegen, die in Anlehnung an die nach der StörfallV (vgl. BMUB 12 (2013) beim Umweltbundesamt eingegangenen Ereignismeldungen am häufigsten im Zusammenhang mit Störfällen genannt werden:
Anzahl der
Ereignisse
Stoffe
Ammoniak (NH3)
51
Chlorwasserstoff (HCl)
34
Chlor (Cl)
30
hochentzündliche Kohlenwasserstoffe
(z.B. Propan, Isobutan u.a.)
leichtentzündliche Kohlenwasserstoffe
(z.B. Methanol, Ethanol etc.)
> 30
> 30
Wasserstoff (H)
29
Methanol (CH4O)
16
Schwefeldioxid (SO2)
15
Stickstoffdioxid (NO2)
14
Stickstoffmonoxid (NO)
14
Fluorwasserstoff (Gas)(HF)
14
Toluol (C7H8, Methylbenzol)
11
Kohlenmonoxid (CO)
11
Propan (C3H8)
10
Schwefelwasserstoff (H2S)
9
Tabelle 1: Stoffe, die in Anlehnung an die
StörfallV am häufigsten im Zusammenhang mit Störfällen genannt werden (EMail
Roland
Fendler/UBA
vom
27.2.2014)
(z.T. mit Doppelzählungen)
Im Rahmen dieser Studie sollen insbesondere diese Gase und Stoffe im Zusammenhang mit einem fernerkundungsgestützten Monitoring betrachtet werden. Dabei liegt ein besonderer
Schwerpunkt vor allem auf den Kohlenwasserstoffen.
12
BMUB = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
2.3
Definitionen und Grundlagen
2.3.1
Monitoring
Zunächst soll kurz definiert werden, was man mit dem Begriff des Monitoring verbindet. Laut
Lexikon der Fernerkundung versteht man darunter „im allgemeinen, weitgefassten Sinne die
kontinuierlich andauernde oder zeitweise Untersuchung und Überwachung der Veränderungen
eines Systems, zumeist Komponenten oder Aspekte der Umwelt. Im Rahmen des Monitoring
werden über einen längerfristigen Zeitraum Messdaten im realen Umfeld erfasst, analysiert und
dokumentiert. Der zeitnahe Vergleich der gemessenen Datenwerte mit Sollwerten, die eine geplante Zielstellung repräsentieren, ermöglicht eine unmittelbare Kontrolle und fortlaufende
Steuerung des Systems. Im enger gefassten Sinne handelt es sich um die Beobachtung und Kontrolle von qualitativen und quantitativen Veränderungen mittels Zeitreihenuntersuchungen im
lokalen […] Maßstab anhand von Bild- und anderen Datenaufzeichnungen. Diese Prozesse können in verschiedenen zeitlichen Ebenen ablaufen: kurzfristig […], mittelfristig […] und langfristig
[….] (vgl. [5]).
In Bezug auf chemische und petrochemische Anlagen unterstützt das multitemporale, flächenhafte Monitoring eines Gebietes nicht nur gesetzliche Rahmenbestimmungen, sondern kann
auch wertvolle Zusatzinformationen, z.B. über die Migration einer Verunreinigung über eine
bestimmte Zeit, liefern. Dabei kann man drei Monitoring-Bereiche unterscheiden:
1.
2.
3.
Gasaustritte und Ölleckagen entlang von Pipelines
Gasaustritte in chemischen und petrochemischen Anlagen
Öl- oder Gasaustritte aus Kavernen (Bsp. Gronau-Epe in Niedersachsen)
Die Vorteile eines regelmäßigen Monitorings bzw. einer möglichen Ortung von Gas- und Ölleckagen liegen auf der Hand (vgl. [12]):






Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Produktionsanlage (störungsfreier Anlagenbetrieb)
durch das frühzeitige Aufdecken von Verlusten innerhalb der Anlage;
Steigerung der Anlagenzuverlässigkeit und eine Vermeidung von arbeits- und kostenintensiven Anlagenausfällen;
Reduzierung von Brandgefahr und Explosionsgefahren durch die frühzeitige Ortung
von Leckagen an gasführenden Anlagenbestandteilen;
erhöhte Sicherheit für Mensch und Umwelt durch eine Verhinderung von Gasemissionen;
Leckageortung / Untersuchung in Echtzeit, d.h., Monitoring und Diagnose erfolgen während des normalen Betriebs;
Risiko- und Verlustminimierung an gasführenden Systemen;
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie

2.3.2
Nachweis der Durchführung von Maßnahmen zur Verbesserung der Betriebssicherheit.
Raumbezug
Die chemische und petrochemische Industrie verarbeitet bereits in großem Maße Geodaten
und Geoinformationen, da zahlreiche Aufgabenstellungen im Betriebsmanagement eine explizite Betrachtung raumbezogener Faktoren erfordern. Informationen über Produktionsanlagen,
Energie- und Stoffleitungen (Pipelines), Lage und Ausmaße unterirdischer Kavernen und sonstige Infrastruktur liegen in den meisten Fällen bereits raumbezogen vor, also exakt geografisch
verortet mit Koordinaten in Geografischen Informationssystemen. Entweder greifen die Betriebe auf bereits bei Kommunen oder Städten vorliegende Geodienste zu oder generieren ihre eigenen Fachdaten.
Ein gutes Beispiel für ein solches GIS stellt das Geodaten-Portal BayGIS (Bayer-GeoinformationsSystem) dar. Hier werden den Nutzern selektiv zugangsberechtigt die für ihre jeweilige Arbeit
notwendigen Geoinformationen des Bayer Chemieparks zugänglich gemacht. Dieses Geodatenportal stellt den Chemiepark-Partnern schnell und zuverlässig per Mausklick alle benötigten
Geoinformationen des Bayer Chemieparks in aktueller Form zur Verfügung. Eine kontinuierliche
Aktualisierung und Fortführung des Systems erfolgt durch nachfolgende Projekte, die die erforderlichen Ergänzungen zum Grunddatenbestand liefern (vgl. Rieks H.-J. & Schmalkuche K.
(2006)).
Wenn man nun Störfallereignisse betrachtet, so benötigen die Einsatzkräfte möglichst schnell
räumliche Informationen sowohl über die freigesetzten Stoffe und deren Zusammensetzung als
auch über die betroffenen Gebiete, um angemessen und auch schnell auf eine Gefahrenlage
reagieren zu können. Satellitengestützte Fernerkundungsdaten könnten diese Anforderung der
schnellen Bereitstellung von aktuellen Daten erfüllen. Zur Bewältigung dieser Aufgaben werden
vorrangig intelligent vernetzte Geoinformationen benötigt.
Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Nutzung von Geodateninfrastrukturen wie dem
oben beschriebenen BayGIS. Letztere spielen für die Bereitstellung von Naheechtzeit- oder
Echtzeitinformationen und Verknüpfung relevanter (häufig in unterschiedlichen Datenbanken
vorgehaltener) Informationsquellen eine zunehmend große Rolle. Zusätzliche Informationen,
z.B. aus fernerkundungsbasierten Monitoring-Aktivitäten, können dabei in bereits bestehende
betriebliche Anlagen- oder Umweltinformationssysteme integriert werden. Wichtig ist, dass der
Informationszugriff jederzeit und überall möglich ist. Die Vielzahl fachspezifischer Daten müssen miteinander verknüpft werden, um neue und aussagekräftige Informationen für den Einsatz
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zu generieren. Eine exakte Verortung und Verknüpfung der Daten ist mit den vorhandenen
Möglichkeiten der Satellitenpositionierung (GPS13, Galileo14) möglich. Die Koordinate ist letztlich der Schlüssel, um eine inhaltliche Beziehung zwischen zuvor unabhängigen Datenbanken
herzustellen.
2.4
Aufgabe der Studie
Herkömmliche terrestrische Gasmessungen sind nicht nur personal- und zeitaufwändig, sondern erfassen oft auch nur Teile des zu überwachenden Geländes. Flugzeug- oder satellitengestützte Aufnahmen dagegen erlauben eine schnelle und oft auch kostengünstigere Bewertung
eines größeren Gebietes und die Entdeckung von Gefährdungspotenzialen aus sicherer Entfernung. Mit Fernerkundungsdaten können Industrieanlagen, Risikostandorte, Pipelines, Umschlagplätze für Erdgas und Erdöl oder Speicherstandorte überwacht werden.
Es soll untersucht werden, in wieweit spektral und räumlich hochauflösende Fernerkundungsdaten und die daraus abgeleiteten Geoinformationen bestehende Gefahrmanagementsysteme
der chemischen und petrochemischen Industrie umweltgerecht und effizient unterstützen können. Welches Potential besitzen zum Beispiel die Daten der neuen Sentinel-Satelliten oder auch
des hyperspektralen EnMAP-Satelliten, um ein Monitoring zu verbessern oder zu ergänzen?
Dabei sollen hier explizit nicht Gefahrstofftransporte betrachtet werden. Diese Thematik wurde
bereits ausführlich in einer anderen Studie behandelt (vgl. Bernsdorf B. und Woditsch S.
(2014)).
Voraussetzung für ein erfolgreiches Monitoring ist ein an die verfügbaren Daten angepasstes
Auswertekonzept. Die Auswertung der Daten kann im Kontext mit anderen Raum- und Sachdaten des Gefahrenmanagementsystems einer Industrieanlage erfolgen. Die Schaffung und Nutzung von Synergien bei der Haltung, Bereitstellung und Anwendung verschiedener Datenbestände ist dabei besonders wichtig. Es gibt bereits intensive Forschungen im Bereich Sensorund Informationsfusion, die den Bereich der (Echtzeit-) Geo-Sensor-Netzwerke um fernerkundliche Sensoren und deren Analyse ergänzen. Denkbar wäre die automatische Übertragung der
13
GPS = Global Positioning System; kurz für: Navigation System Using Timing and Ranging - Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) der USA (vgl. [32]).
14
Galileo = Europäisches globales Satellitennavigationssystem (GNSS), das, ähnlich wie das amerikanische
NAVSTAR-GPS und das russische GLONASS-System, weltweit Daten zur genauen Positionsbestimmung liefern soll
(vgl. [31]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
von flugzeug- oder satellitengestützten Sensoren aufgenommenen Echtzeit- Geodaten, wenn
möglich bereits vorprozessiert, an eine auf der Chemieanlage befindliche Bodenempfangsstation, bei der die Daten dann in ein Gefahrenmanagementsystem integriert werden. Durch die
exakte geographische Verortung der Daten und speziell entwickelter Auswertealgorithmen lassen sich die Informationen verschiedener Aufnahmezeitpunkte schnell vergleichen. Das Ergebnis dieser Auswertungen lässt sich dann in Veränderungskarten visuell anschaulich darstellen.
Als zwingende Voraussetzung zur Etablierung fernerkundungsgestützter Geoinformationsprodukte und -services wird die Gewährleistung einer hohen räumlichen, zeitlichen und qualitativen Kontinuität der bereitgestellten Daten bei zugleich vertretbaren Beschaffungskosten gesehen. Aus Sicht der Nutzer konnten diese beiden Aspekte bisher noch nicht hinreichend sichergestellt werden. Neuere Satellitensysteme und Missionen wie zum Beispiel die zukünftige Flotte an Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms oder EnMAP erfüllen die obengenannten
Kriterien. Sie sind bereits so ausgelegt, dass sich satellitengestützte Geoinformationsservices
bedeutend effizienter und effektiver umsetzen lassen als bisher. Die aus zwei Satelliten bestehende Sentinel-2 Mission liefert zum Beispiel Daten mit einer hohen geometrischen (bis zu 10
m) und temporalen Auflösung (Abdeckung eines Ortes alle 2-3 Tage). Darüber hinaus hat es in
den letzten Jahren eine Vielzahl von Untersuchungen und Forschungen im Bereich der Verwendung von Hyperspektraldaten zur Gasdetektion gegeben. Auch diese Systeme sollen im Weiteren auf ihre Verwendbarkeit für die Fragestellung beleuchtet werden.
Eine möglichst schnelle Beurteilung einer Schadenslage, am besten mit genauer Auskunft über
die beteiligten Stoffe und das Ausmaß der Freisetzung, ist die Voraussetzung für ein Einleiten
von Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung, der Anlagen und der Umwelt aber auch der Einsatzkräfte. Wenn man sich insbesondere die in Kapitel 2.1. erwähnten Störfälle von Shell betrachtet, stellt sich die Frage, ob man das Ausfließen des Kerosins nicht eventuell über ein regelmäßiges Monitoring mit Fernerkundungsdaten früher hätte erfassen können. Oft gehen diesen Ereignissen Veränderungen im Umfeld der Anlagen, Pipelines und Kavernen voraus. Diese
können sich sowohl als vegetations- als auch bodenphysikalische Veränderungen bemerkbar
machen. Insbesondere die Vegetation fungiert oft als Zeiger für Veränderungen geochemischer
Parameter. Das Ausfließen des Kerosins zum Beispiel hat möglicherweise im direkten Umfeld zu
Vegetations- oder Bodenanomalien geführt, die mit Hilfe von hochauflösenden Hyperspektraldaten schon zu einem früheren Zeitpunkt hätten detektiert werden können.
Im Falle des Chemieunfalls von Rouen in Nordfrankreich hätten möglicherweise mit Hilfe von
Fernerkundungsdaten „Ausbreitungskarten“ des Gases erstellt werden können. Diese könnten
auch nachträglich nützliche Informationen über das Verbreitungsgebiet der Gaswolke liefern
und damit Informationen über die davon betroffenen Gegenden.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
In der vorliegenden Studie wird daher untersucht, ob es möglich ist, mit Hilfe von Fernerkundungsmethoden ein kontinuierliches „pro-aktives“ Monitoring (d.h. regelmäßige Überprüfung
großer Anlagenbereiche und Rohrleitungen während des laufenden Betriebs) durchzuführen,
mit dem Ziel, eventuelle Schadensereignisse schon im Frühstadium ihres Auftretens zu erkennen. Wo entweichen Kohlenwasserstoffe oder wo sammeln sie sich? Mit welchen Methoden
kann man sie am besten erfassen?
3
Monitoring von Gasen
3.1
Methoden und Stand der Technik
3.1.1
Infrarot-Spektroskopie
Eine der wichtigsten Methoden zur Detektion von Gasen ist die Infrarot-Spektroskopie, weil die
meisten Gase im Infrarot-Bereich aktiv sind und somit erfasst werden können. Grundlage dieser
Methode ist die Eigenschaft von Gasen, IR-Strahlung einer spezifischen Wellenlänge zu absorbieren. Als physikalisches Aufnahmeverfahren wird sie in der Chemie bereits seit langem zur
quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen anhand von Referenzspektren oder zur
Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt. Insbesondere die IR-Spektroskopie im
mittleren Infrarot ist einer der leistungsfähigsten analytischen Techniken in der Chemischen
Analytik organischer Substanzen. Die IR-Spektroskopie im nahen Infrarot wird zur schnellen
Analyse von Stoffgemischen genutzt. Bei der Bestrahlung eines Stoffes mit elektromagnetischen
Wellen werden bestimmte Frequenzbereiche absorbiert. Diese Absorptionen sind in Form von
Ausschlägen (Kurven) im gemessenen Spektrum sichtbar. Da bestimmte Frequenzen charakteristisch für jeweilige Stoffe bzw. Stoffverbindungen sind, können so auch Materialien und Gase
identifiziert werden (vgl. [25]).
Wenn man die Möglichkeiten des fernerkundungsgestützten Monitorings von Gasen betrachtet, kommen für eine Analyse insbesondere Geräte wie FTIR-Spektrometer15 zum Einsatz, die
elektromagnetische Spektren darstellen können. Diese Technik kommt ohne die Positionierung
einer externen IR-Lichtquelle aus und ist daher zum „Scannen“ von Gefahrstoffwolken geeignet.
Das gemessene Spektrum erlaubt die Analyse der Stoffzusammensetzung beobachteter Oberflächen oder Gase (vgl. [21]).
15
FTIR-Spektrometer = Fourier-Transform-Infrarotspektrometer; eine spezielle Variante eines Spektrometers für
die Infrarotspektroskopie (vgl. [22]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Das Earth Observation Center (EOC) der DLR16 betreibt zum Beispiel eine Vielzahl von sondierenden und abbildenden Spektrometern im Spektralbereich der sichtbaren und infraroten
Strahlung (vgl. Abbildung 1). Die Geräte dienen im Labor bzw. bodengestützt als Referenzsysteme und werden im Rahmen des User Service OpAiRS (Optical Airborne Remote Sensing and
Calibration Facility) für die flugzeuggestützte optische Fernerkundung eingesetzt (vgl. [17]).
Abb. 1: Spektralbereiche (Wellenlänge) der im Earth Observation Center (EOC) betriebenen Labor- und
Flugzeug- bzw. operationell empfangenden Satellitenspektrometer (Hintergrund: Transmissionsverhalten der Atmosphäre) (vgl. [17]).
3.1.2
Hyperspektrale Sensorik
Hyperspektralsensoren stellen neben optischen und Radarsensoren die wichtigste und zugleich
neueste Technologie der Geofernerkundung dar und eignen sich insbesondere für die hier vorliegende Fragestellung der Detektion von Gasen. Gegenüber den operierenden Multispektralsystemen mit ihren wenigen und breiten Spektralkanälen liegen die wesentlichen Vorteile dieser abbildenden Spektrometer in der verbesserten Genauigkeit bei der Erfassung von Oberflächenmaterialien.
Die hyperspektrale Fernerkundung arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die Labor-IRSpektroskopie, nimmt aber Daten aus unterschiedlichen Entfernungen auf, je nachdem ob die
Sensoren kopter-, flugzeug- oder satellitengestützt sind. Unter einem hyperspektralen Sensorsystem versteht man ein System, das Bilder von sehr vielen, eng beieinanderliegenden Wellenlängen aufzeichnen kann. Das Ziel der hyperspektralen Spektroskopie ist es, mit Hilfe der spekt-
16
DLR = Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
ralen Information jedes einzelnen Pixels in einer Szene, Objekte, Materialien oder Prozesse zu
detektieren. Während das menschliche Auge das sichtbare Licht nur in 3 Bändern (rot, grün und
blau) sieht, wird das elektromagnetische Spektrum in der hyperspektralen Spektroskopie in
sehr viel mehr Bänder aufgeteilt. Die Kanäle reichen von Wellenlängen im ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot (vgl. [6]). In der Gesamtheit der Bildpunkte entsteht für jeden Kanal ein Bild, welches einen kleinen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums abbildet. Diese Bilder werden dann kombiniert und ergeben einen dreidimensionalen, hyperspektralen „Datenwürfel“ (siehe Abbildung 2).
Abb. 2: Vergleich von Mono-, Multi- und Hyperspektraldaten (Quelle: Arbeck 2013)
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Aufgrund der nahezu lückenlosen Abdeckung des reflektiven Wellenlängenbereichs entsteht
ein kontinuierliches Spektrum. Das war zuvor nicht möglich, da man mit Mittelwerten arbeiten
musste. Bei hyperspektralen Systemen werden jedoch auch kleinste Abweichungen in der
Spektralkurve deutlich. Dadurch lassen sich genauere Aussagen über den Zustand der Erdoberfläche treffen. Abbildung 3 zeigt eine Hyperspektralaufnahme mit mehreren Spektren einzelner
Pixel, u.a. das einer Gaswolke, die aus einem Schornstein entweicht (vgl. Seeley J. A. und Richardson J. M. (2007)).
Abb. 3: Das abbildende Spektrometer liefert räumliche und spektrale Information für jeden Punkt im
Bild. Jedes Pixel enthält ein detailliertes Reflektionsspektrum. Das rechte Bild zeigt die farbkodierten
Spektren spezifischer Pixel. Das grüne Pixel inmitten der Gaswolke ist bedeutend wärmer, was sich im
Ausschlag der Kurve widerspiegelt. Die roten und schwarzen Pixel im Bereich des kühleren Himmels
haben dagegen niedrigere Werte (vgl. Seeley J. A. und Richardson J. M. (2007)).
Um die spektralen Reflexionseigenschaften von Gasen untersuchen und archivieren zu können,
müssen vorhandene Spektralbibliotheken genutzt oder neue aufgebaut werden. Sie enthalten
eine Vielzahl spektraler Reflexionssignaturen, die in Labor- oder Felduntersuchungen gemessen
wurden. Diese werden dann zur Kalibrierung der Sensoren verwendet. Die Sensoren betrachten
Objekte, Oberflächen etc. über ein sehr viel breiteres elektromagnetisches Spektrum hinweg.
Bestimmte Objekte, Gase oder Oberflächen hinterlassen einzigartige, spektrale „Fingerabdrücke“ (auch spektrale Signaturen genannt) innerhalb des elektromagnetischen Spektrums. Diese
„Fingerabdrücke“ erlauben eine Identifikation einzelner Materialien, Objekte oder Oberflächen.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
3.2
Gasdetektionssysteme
3.2.1
Terrestrische Systeme
Mit verschiedenen terrestrischen Leck-Erkennungs- und -Ortungssystemen lassen sich austretende Gase oder Flüssigkeiten bei unter- und oberirdischen Pipelines, bei Tanklagern (Öl und
Gas), Gas- und Ölspeichern und auf Industrieanlagen erfassen. Das Aufspüren dieser Gasleckagen erfolgt nach wie vor überwiegend unter großem personal- und zeitaufwändigen Einsatz mit
Lecksuchspray und Gasspürgeräten. Die Leckortung erfolgt oft erst reaktiv bei deutlichen Gasverlusten oder bei Gasgeruch, d.h., es wird oft erst etwas unternommen, wenn der Störfall bereits eingetreten ist. Herkömmliche Methoden der Gasdetektion/Messung nach einem Unfall
erfordern die Entnahme von Proben im Gefahrengebiet, z.B. mit Hilfe von Prüfbehältern oder
Gassensoren und die anschließende Stoffidentifikation mit Hilfe von Gassensorik und/oder
Massenspektrometrie. Die Probenahme vor Ort kann jedoch mit großen Gefahren für die Einsatzkräfte (z.B. Werkfeuerwehren) verbunden sein.
Es gibt eine Vielzahl hochempfindlicher Gasmess-Systeme, speziell auch für die Detektion und
Identifizierung von toxischen Industriegasen, die im allgemeinen Bereich der CBRNE17-Abwehr
bereits Anwendung finden. Sie werden meistens bei fahrzeuggestützten Systemen, wie Erkundungsfahrzeugen des Zivilschutzes, der Feuerwehren und der technischen Hilfsorganisationen
sowohl als tragbares Gerät für den Außeneinsatz als auch als im Fahrzeug installiertes Gerät genutzt. Aktive optische Fernerkundungssysteme wie das Open Path FTIR-Spektrometer und ultraviolette Spektrometer wurden bereits in Kapitel 3.1.1. und 3.1.2. angesprochen und werden
schon seit längerem in der Chemischen Industrie eingesetzt, um unbeabsichtigt in die Umgebung freigesetzte toxische Gase zu detektieren. Das ultraviolette Spektrometer hat sich dabei
als geeignetes Instrument für die Messung von Schwefeldioxid (SO2) und Stickstoffdioxid (NO2)
erwiesen (vgl. [8]).
In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl operationeller Gas-Detektionssysteme entwickelt, die mittels bodengestützter Ferndetektion die Erfassung und Identifikation luftgetragener
gefährlicher Gase aus größerer und damit sicherer Entfernung ermöglichen. Dabei kommen in
zunehmendem Maße hyperspektrale Sensorsysteme zum Einsatz.
Die Firma Bruker bietet zum Beispiel ein Breitband-Infrarot-Detektionssystem an (EM 27 OpenPath-Spektrometer), das für die Fernanalyse von gefährlichen Gasen in der Atmosphäre entwickelt wurde. Dabei kommen zwei verschiedene Systemkonfigurationen mit unterschiedlichen
Empfindlichkeiten zum Einsatz: Ein passiver Modus nutzt die natürliche Infrarotsignatur der
17
CBRNE (Chemisch, Biologisch, Radiologisch, Nuklear, Explosionsgefährdete Stoffe)
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Chemikalien, während im aktiven Modus das durchgelassene Licht von einer künstlichen Infrarot-Lichtquelle gemessen wird (vgl. [10]).
Das Fernerkundungssystem SIGIS (Scanning Infrared Gas Imaging System), das im Rahmen des
vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojektes
HYGAS18 entwickelt wurde, bildet mittels passiver Infrarotspektrometrie19 aus der Ferne bodennahe Gefahrstoffwolken ab und identifiziert und quantifiziert diese. Diese Methode basiert
auf der spektralen Analyse allgegenwärtiger Strahlung im infraroten Spektralbereich, die von
den Molekülen einer Gaswolke absorbiert und emittiert wird. Die Wellenlängen sind charakteristisch für die verschiedenen Moleküle. Ein Scannerspiegel tastet die Umgebung ab und erfasst Punkt für Punkt die ankommende Infrarotstrahlung. Die im Infrarotspektrum abgebildeten
Schadstoffe werden dann identifiziert und in ein Video eingespielt. Abbildungen 4 und 5 zeigen
die Detektion einer Schwefeldioxidwolke mit Hilfe des SIGIS. Die Überlagerung der Aufnahme
einer Videokamera mit der Giftstoffwolke ermöglicht dann dessen genaue Ortung. Einsatzkräfte sind dann innerhalb kürzester Zeit informiert, wo sich die Schadstoffwolke befindet und welchen Weg sie nimmt. SIGIS kann sowohl auf Fahrzeugen als auch Hubschraubern eingesetzt
werden und kann laut Aussage der Entwickler Gefahrstoffwolken aus einer Entfernung von 10
km detektieren (vgl. Harig R. et al. (2006)).
18
HYGAS = Hyperspektralsensor zur Ferndetektion von Gasen
Infrarotspektrometrie basiert auf der spektralen Analyse elektromagnetischer Strahlung, die von
den Molekülen einer Gaswolke absorbiert und emittiert wird
19
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Abb. 4: Identifikation von SO2 am 25.5.2011 um 16:48 Uhr (vgl. Harig R. et al. (2012))
Abb. 5: Identifikation von SO2 am 25.5.2011 um 16:48 Uhr – Spektrenfenster der Systemsoftware
und Spektrum eines Pixels (Harig R. et al. (2012))
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Exkurs Gas-Thermographie
Mit Hilfe der thermografischen Diagnostik/Gasleckageortung können im Bereich der Industrieanlagenüberwachung bereits kleinste Mengen von Methan und VOC-Gasen visualisiert werden.
Die Ortung von VOC-Gasen beruht auf einer speziellen strahlungsphysikalischen Eigenschaft
dieser Gruppe von Gasen: Sie sind in einem Wellenlängenbereich von 3,2 bis 3,4 Mikrometer
nahezu undurchlässig für Wärmestrahlung. Sogenannte Thermogramme sind flächige, berührungslos gemessene Temperaturfelder, mit deren Hilfe Temperaturverteilungen sichtbar werden. Befindet sich also ein solches Gas zwischen Hintergrund und Detektor, so schwächt es die
vom Hintergrund ausgehende Wärmestrahlung insoweit, als das Gas kälter als der Hintergrund
ist, und es wirkt selbst als Volumenstrahler, wenn es wärmer als der Hintergrund ist. Abbildung
6 zeigt diese verschiedenen Szenarien. Ist die Gaswolke wärmer als der Hintergrund, zeigt sich
das in einem Spektrum mit erhöhten Emissionswerten. Umgekehrt zeigt eine kühle Gaswolke
vor wärmeren Hintergrund erhöhte Absorptionsspektren. Anhand von Spektralbibliotheken
kann man diese Ausschläge dann spezifischen Gasen zuordnen. Weisen Hintergrund und Gaswolke die gleiche Temperatur auf, kann keine Detektion stattfinden.
Abb. 6: Identifikation von Gasen aufgrund ihrer Temperatur (Quelle: [38])
Das System FLIR GF320 der Firma SYSWE arbeitet ähnlich einer Thermografiekamera, indem es
infrarote Strahlung der Umgebung detektiert und auf Unterschiede in der Strahlenemission
Seite 22 von 43
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
verschiedener Objekte untersucht (vgl. [12]). Die Hersteller dieser Kamera geben an, dass sie
über 20 verschiedene Gase, u.a. Methan, Benzol und Toluol, detektieren und schon kleinste
Gasaustritte sichtbar machen können. In beiden Fällen sieht das Gas also wie eine Rauchwolke
im Bild aus (vgl. Abbildung 7).
Abb. 7: Thermogramm einer Gasleckage, aufgenommen mit der GasThermografiekamera der Firma
SYSWE (vgl. [12]).
Bodengestützte Gasmessungen liefern genaue und verlässliche Echtzeitergebnisse, sind aber
nach wie vor sehr personal- und zeitaufwändig. Trotz der hohen Empfindlichkeit der Gassensoren bekommt man mit dieser Methode nur Punktmessungen, die nicht brauchbar sind, wenn
man ein kostengünstiges und automatisiertes Monitoring implementieren will. Dazu kommen
Sicherheitsbedenken, wenn man vor Ort Gaskonzentrationen messen will und diese toxisch
oder auch hochentzündlich sind.
3.2.2
Flugzeuggestützte Systeme
Ähnlich wie bei bodengestützten Systemen werden Infrarotsensoren auch flugzeuggestützt bereits zur Detektion von Kohlenwasserstoffen eingesetzt, mit dem Ziel, sehr viel größere Gebiete
abdecken zu können. Mit den Instrumenten CHARM20 und CHARM-F hatte die DLR21 bereits in
Zusammenarbeit mit den Firmen Adlares und E.ON Ruhrgas ein Messinstrument entwickelt, das
vom Hubschrauber (CHARM) oder Flugzeug (CHARM-F) aus Methanlecks an Erdgaspipelines
20
21
CHARM = CH4 Airborne Remote Monitoring (vgl. [27])
DLR = Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
aufspürt. Bei den CHARM-Systemen handelt es sich allerdings um „aktive“ LIDAR22-Instrumente.
Mit Hilfe einer „eigenen“ Beleuchtung, dem Laser, kann in der Nacht oder durch dünne
Cirruswolken hindurch gemessen werden. Um die Konzentration von Spurengasen zu messen,
werden Lichtimpulse in zwei nahe beieinander liegenden Wellenlängen ausgesandt. Die eine
Wellenlänge wird von dem gesuchten Spurengas absorbiert, die andere nicht. Aus der Differenz
der beiden vom Erdboden zurückgestreuten Signale kann die Methankonzentration genau bestimmt werden. Bisher wurden Leitungen, die unter Straßen oder Siedlungen oder anderweitig
verdichteten Flächen liegen, entweder aufwendig mit Gasspürsonden am Boden überprüft oder
es wurde bei der bisher üblichen Befliegung der Gasleitungen mit Hubschraubern aus sichtbaren Verfärbungen der Vegetation auf mögliche Gasaustritte geschlossen (vgl. [27]).
Die Firma HammGas setzt zur Zeit leichte Hubschrauber ein, die im Rahmen geophysikalischer
Luftuntersuchungen und mit Hilfe von Infrarotsensoren Gasmoleküle aufspüren, die durch das
Gestein an die Oberfläche gelangen und Hinweise auf Flözgasvorkommen des Untergrundes
geben könnten. Dieser natürliche Prozess der Gasmigration tritt überall dort auf, wo unterirdisches Erdgas vorhanden ist. Die Gasmengen sind so gering, dass sie nur mit Spezialtechnik erkannt werden können (vgl. [26]).
Mit dem gemeinsam vom IUP23 Bremen und dem Helmholtz-Zentrum des GFZ24 entwickelten,
flugzeuggetragenen 2-Kanal-Spektrometer MAMAP25 können ebenfalls flächenhaft und gleichzeitig CO2- und CH4-Konzentrationen gemessen werden. MAMap deckt die relevanten Bereiche
des nahen und kurzwelligen Infrarotabsorptionsbereichs der Gase ab (1,59-1,62 µm für CO2 und
1,63-1,675 µm für CH4). Die Bodenpixelgröße variiert mit Flughöhe und Geschwindigkeit und
beträgt z.B. bei 1 km Flughöhe und 200 km/h Geschwindigkeit ca. 35 m x 25 m. Mit dieser Auflösung schließt es die Lücke zwischen Bodenmessungen und satellitengetragenen Systemen
und kann für Messungen von Methanquellen im Umfeld von kleinen „Hot Spot Areas“ (z.B. Kohlebergwerke, Erdöl- und Erdgasproduktionsanlagen, Ausgasungen im Zuge von „Blowouts“ bei
On- und Offshore Anlagen etc.) eingesetzt werden. Es ist somit auch zur Echtzeit-Detektion von
Methanausgasungen aus Pipeline-Lecks geeignet. Allerdings ist dieses System mit hohen Kosten
verbunden und erfordert eine detaillierte Vorausplanung der Flugmissionen (vgl. [33]).
22
LiDAR = (engl. Light Detection and Ranging), eine dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und
Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt Radiowellen wie beim Radar
werden jedoch Laserstrahlen verwendet (vgl. [37]).
23
IUP = Institut für Umweltphysik
24
GFZ = Deutsches GeoForschungsZentrum Potsdam
25
MAMAP = Methane Airborne Mapper
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Es gab in den letzten Jahren eine Vielzahl von neuen Entwicklungen und Anwendungen im Bereich der Hyperspektralen Sensortechnik. Die meisten hyperspektralen Daten werden von flugzeuggetragenen Systemen aufgenommen (AVIRIS26, HyMAP27, AISA28). Die variable Aufnahmehöhe ermöglicht sowohl eine hohe spektrale als auch hohe räumliche Auflösung. Geringerer
Energieverbrauch und Gewichtsreduktion machen die Implementierung dieser Systeme auch in
Kleinflugzeugen möglich. Außerdem sind die Systeme aufgrund der heute schnelleren Datenübertragungsrate mittlerweile auch für Überflüge geeignet. Positions- und Fluglagebestimmungssysteme (GPS) werden integriert und mit den Hyperspektralkameras geliefert.
Mit Hilfe von Daten des AVIRIS-Sensors und AVIRIS-ähnlichen Sensoren, die eine Vielzahl von
engen Spektralbändern vom nahen bis zum langwelligen Infrarot besitzen, konnten zum Beispiel Ausstöße von CO2 aus punktuellen Emissionsquellen wie Kohlekraftwerken, aber auch andere Gase wie CH4, N2O und Halogenkohlenwasserstoffe detektiert werden (vgl. Dennison P.E.
et al. (2013)). Gasaustritte werden oft auch von erhöhten CO2-Konzentrationen begleitet, verursacht durch eine bakterielle Methanoxidation. Die Detektion von erhöhten CO 2-Werten könnte somit auch ein Hinweis auf eventuelle Gasaustritte sein.
Noomen, M. (2007) konnte in verschiedenen Untersuchungen mit Hilfe des Einsatzes eines Hyperspektralsensors einen direkten Zusammenhang zwischen der kontrollierten Freisetzung von
Methan und Ethan und einer Veränderung der Reflexionseigenschaften von Vegetation (u.a.
Abnahme des Chlorophyllgehaltes) feststellen. Natürlich auftretende, oberflächliche Ölaustritte
und die damit verbundenen Gasaustritte führten zu einem geringeren Vegetationswachstum
und veränderten Reflexionseigenschaften der Vegetation. Die Reflexion der Vegetation kann
somit als Indikator für das Vorhandensein eines Gaslecks dienen, vorausgesetzt der Hyperspektralsensor hat eine hohe spektrale Auflösung im sichtbaren und nahen Infrarot und, wenn
möglich, eine hohe räumliche Auflösung von mindestens 2 m, um auch kleinere punktuelle Austritte detektieren zu können.
In den letzten Jahren gab es auch immer mehr Forschungsprojekte, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Öl- und Gasleckagen aus Pipelines und deren Effekt auf die Vegetation und
spektrale Signaturen beschäftigt haben. Die Verbreitung bzw. das Auslaufen von Schadstoffen
26
AVIRIS = (engl. Airborne Visible InfraRed Imaging Spectrometer), 224 Spektralkanäle messen Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich (0,4 µm - 2,5 µm) (vgl. [34]).
27
HyMAP = (engl. Hyperspectral Mapper), 128 Spektralkanäle messen Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich (0,45 µm – 2,5 µm) und 2 Kanäle im thermalen Bereich (3 – 5 µm und 8 – 10 µm) (vgl. Cocks T. et al. (1998)).
28
AISA = Airborne Imaging Spectrometer Application. Gruppe von Hyperspektralsensoren der finnischen Firma
Specim (vgl. [23]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
kann über spektrale Absorptionsbanden erfasst werden. Dabei reicht das Spektrum vom sichtbaren bis thermischen Bereich. Um die zu detektierenden Kohlenwasserstoffe bzw. Gase zuordnen zu können, ist es wichtig zu wissen, wo diese ihr entsprechendes Absorptionsspektrum
haben. So hat Öl zum Beispiel eine ausgeprägte spektrale Signatur mit drei Absorptionsbereichen um die 1,2 µm, 1,73 µm und 2,3 µm, je nach Dichte des Öls. Ähnlich verhalten sich andere
Kohlenwasserstoffe. Die Daten in Abbildung 8 stammen vom Hyperspektralsensor AVIRIS, der
2010 vom USGS (United States Geological Survey) zur Untersuchung einer Ölverschmutzung im
Golf von Mexiko eingesetzt wurde (vgl. Clark R. N. et. al. (2010)).
Abb.8: Absorptionsspektren
von Kohlenwasserstoffen
(Quelle: Clark R. N. et. al.
(2010))
Die Sensoren der AISA-Gruppe von Specim arbeiten im Spektralbereich des VNIR29, SWIR30 und
TIR31 und erlauben eine stufenlose Anpassung ihrer Bodengenauigkeit (vgl. [23]). Das UFZ in
Leipzig setzt zur Zeit zwei Sensoren der AISA-Gruppe auf einem Ultraleichtflugzeug ein, um systematisch kausale Zusammenhänge von abbildenden Spektralinformationen und unterschiedlichen Zustandsgrößen von Vegetation zu untersuchen. Mit Hilfe von Laborversuchen und Feldstudien werden abbildende Spektralbibliotheken entwickelt, die dann zur Kalibrierung von sa-
29
VNIR = (engl. Very Near Infrared), Wellenlängen von 0,4 - 1,4 µm
SWIR = (engl. Short Wave Infrared), Kurzwelliges Infrarot mit Wellenlängen von 1,4 - 3 µm
31
TIR = (engl. Thermal Infrared), Thermales Infrarot mit Wellenlängen von 5 – 50 µm
30
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
tellitengetragenen Hyperspektralsensoren wie dem EnMAP dienen sollen (vgl. [24]). Diese
Spektralbibliotheken ermöglichen es, auch kleinste Vegetationsveränderungen, die im Zusammenhang mit unerkannten Gasaustritten stehen könnten, zu detektieren.
Exkurs Flugroboter (Kopter)
UAVs sind in der Lage, die Lücke zwischen terrestrischer und flugzeug- oder satellitengetragener Datenerfassung zu schließen. Die Fernerkundung mit UAVs entwickelt sich derzeit sehr rasant und gewinnt seit einigen Jahren immer mehr an Bedeutung. Dies hat mit der steigenden
Anzahl von Einsatzmöglichkeiten (z.B. Katastrophenschutz, Umweltschutz, Betriebsdokumentation etc.) und der raschen Entwicklung der UAV-Systeme selber zu tun. Ein weiterer Vorteil ist,
dass sie für ein Ad-hoc-Monitoring eingesetzt werden können. Man kann sie mit Thermalinfrarot-, Hyperspektral- oder Digitalkameras, Videorekordern, Gassensoren und Laserscannern ausrüsten. Weitere Vorteile sind:








hohe zeitliche Flexibilität, weil tägliche Befliegung möglich;
Abdeckung von Gebieten, die von bemannten Luftfahrzeugen oft nicht beflogen werden
können;
Mobilität des Systems;
einfache Wiederholbarkeit;
geringere Anschaffungs- und Betriebskosten;
Sicherheit: nahezu keine Gefährdung des Piloten;
geringere Geräuschentwicklung;
Umweltfreundlichkeit (emissionsarm).
Die erfassten Geodaten werden mit GPS verortet und können somit jederzeit punktgenau vor
Ort im Gelände abgefragt werden. Die UAVs fungieren heute als mobile geobasierte Anwendungen und sind in der Lage, mittels der im Microcontroller gespeicherten Wegpunkte automatisch eine vordefinierte Flugroute abzufliegen und an den festgelegten Wegpunkten die Kamera
auszulösen. Die Herausforderung liegt darin, die vom UAV aufgenommenen zeitnahen Daten
automatisch und schnell zu verarbeiten, damit im Störungsfall so schnell wie möglich reagiert
werden kann. Im konkreten Fall bedeutet das, dass die Daten schon während des Fluges über
einen Downlink zu einer Bodenempfangsstation transferiert und über die mitgelieferten GPSDaten automatisch und schnell georeferenziert werden. Dadurch kann auch eine Verschneidung und Ad-hoc-Analyse mit im System bereits vorliegenden anderen Informationslayern
stattfinden. Das so erzeugte Lagebild hilft dann bei der Planung eines eventuell notwendigen
Störfalleinsatzes.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
UAV-basierte Lösungen eignen sich hervorragend, um aktuelle georäumliche Informationen zu
erfassen, und ermöglichen einen sicheren Einsatz sowohl bei der punktuellen Inspektion als
auch für kleinere Flächen. Über den Einsatz von IR-Sensoren in UAVs gibt es allerdings noch
kaum Erfahrungen.
Allen flugzeug- oder koptergestützten Systemen ist allerdings nach wie vor gemeinsam, dass sie
eine interaktive Bedienung benötigen und damit weiterhin relativ zeit-, kosten- und personalaufwändig sind. Auch erlauben sie kein automatisiertes, kontinuierliches und regelmäßiges
Monitoring. Sie weisen gegenüber Satellitenaufnahmen den erheblichen Nachteil auf, dass sie
nur begrenzt regional aufzeichnen und nicht die dringend erforderlichen, langfristig regelmäßigen Messungen von Oberflächenprozessen einer größeren Fläche liefern können.
3.2.3
Satellitengestützte Systeme
Satellitengetragene Fernerkundungsdaten dienen schon seit langem als Datengrundlage für unterschiedlichste Monitoringaufgaben, da sie aktuell, flächendeckend, zeitsynchron und in regelmäßigen Abständen verfügbar sind. Allerdings gab es bis vor kurzem keine Sensorsysteme,
die vergleichbar den boden- oder flugzeuggestützten Systemen auch kleinere Veränderungen in
Vegetation oder Boden als Folge von Gasemissionen hätten detektieren können. Die bislang
eingesetzten Instrumente deckten entweder nicht die gesamten erforderlichen Wellenlängenbereiche ab, lieferten eine für die Erdbeobachtung zu geringe Bodenauflösung oder waren zu
unempfindlich gegenüber dem zu messenden Bodensignal. Satellitensysteme wie zum Beispiel
der multispektrale IKONOS32 bieten zwar verbesserte räumliche Auflösungen, ihnen fehlen aber
detaillierte spektrale Informationen. In den letzten Jahren hat allerdings eine ständige Verbesserung auch der spektralen Auflösung von Fernerkundungsdaten stattgefunden, so dass die
Anwendungsmöglichkeiten auch auf kleinräumig strukturierte Gebiete, wie z.B. Chemieparks
oder Industrieanlagen, erweitert werden können. In diesem Zusammenhang hat auch die Entwicklung neuer automatischer Erfassungsmethoden immer mehr an Bedeutung gewonnen.
32
IKONOS = hochauflösender kommerzieller Erdbeobachtungssatellit, der seit 1999 multispektrale Bilder mit 4 Kanälen (Blau, Grün, Rot, Infrarot) mit einer Genauigkeit von bis zu 3,28 Metern aufnimmt (vgl. [40]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Multispektralsensoren
Satelliten wie SPOT 4, SPOT 5 und andere Satelliten, die den Spektralbereich des kurzwelligen
nahen Infrarotbereichs ab 780 nm abbilden, eignen sich für das Detektieren und Monitoring
von Kohlenwasserstoffen. Dabei sind bei SPOT 4 und 5 insbesondere die Kanäle B3 und B4
wichtige Kanäle. Die Satelliten SPOT 6 und 7 besitzen zwar eine noch bessere räumliche Auflösung von 1,5 m (panchromatisch) und 6 m (multispektral), aber ihnen fehlt der wichtige Kanal
des mittleren Infrarots. Abbildung 9 zeigt die Spektralbänder und Auflösungen der Satelliten
SPOT 4 und 5.
Abb. 9: Spektralbänder und Auflösungen der SPOT-Satelliten (vgl. [20])
Die Daten stehen mittlerweile online zur Verfügung und können daher sehr viel schneller abgerufen werden, als dies in der Vergangenheit der Fall war. Eine Fast-Echtzeit-Bearbeitung wird
dadurch einfacher. In Abbildung 10 wird eine Suchmaske der Firma Astrium gezeigt, die verschiedenste Satellitendaten vertreibt. Dargestellt wird die exemplarische Suche nach SPOTDaten seit 2012 für das Chemiewerk Bayer Leverkusen und Umgebung, unter Verwendung einschränkender Kriterien wie Wolkenbedeckung, räumlicher und spektraler Auflösung. Zudem
kann der Nutzer über einen Programmierservice neuere Aufnahmen direkt selber im Webportal
GeoStore bestellen. Dabei kann man unter „Instant Tasking“ eine zeitkritische Programmierung
mit einem prioritären Zugriff durchführen oder unter „Tailored Tasking“ eine individuelle Unterstützung und Nachbearbeitung durch einen Tasking-Experten anfordern (vgl. [20]).
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Abb. 10: Suchmaske der Firma ASTRIUM für SPOT-Daten seit 2012 für das Chemiewerk Leverkusen und
Umgebung (rote Box) ([20]).
Was die Generation neuer Satelliten betrifft, kommt für ein Monitoring von Gasaustritten vor
allem der Sentinel-2 Satellit in Frage, dessen Start für 2015 geplant ist. Nur er besitzt die für die
Aufgabenstellung geforderte räumliche und spektrale Auflösung und hohe zeitliche Abdeckung
(die mittleren Breiten werden alle 2-3 Tage überflogen). Wie aus Abbildung 11 ersichtlich,
nimmt das MSI33 an Bord des Sentinel-2 Satelliten in 13 spektralen Kanälen auf und zwar vom
nahen Infrarot (VNIR) bis zum kurzwelligen Infrarot (SWIR). 4 Kanäle haben eine räumliche Auflösung von 10 m, 6 Kanäle eine Auflösung von 20 m und 3 Kanäle eine Auflösung von 60 m. Die
für die Erkennung von Gasaustritten wichtigen Bänder liegen im kurzwelligen Infrarot um die
1600 nm und im Bereich von ca. 2100 bis ca. 2300 nm und haben eine räumliche Auflösung von
33
MSI = Multispectral Instrument
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
20 m. Im Vergleich zu den vergleichbaren Vorgängersatelliten Landsat und Spot besitzt Sentinel-2 zusätzliche schmalbandige Spektralkanäle im VNIR-Bereich, was eine bessere Analyse von
Vegetationszuständen ermöglicht. Dieser Spektralbereich dient auch dazu, eventuelle Vegetationsveränderungen zu detektieren, die im Zusammenhang mit Gasaustritten stehen könnten.
Abb. 11: Kamera von Sentinel-2 arbeitet in 13 Kanälen, verteilt auf 3 räumliche Auflösungen
(aus Martimort P. et al. (2007)).
Um eine hohe Repetitionsrate und Datenverfügbarkeit zu erreichen, sind zwei simultan operierende Satelliten im Einsatz. Dadurch kann jeder Ort der Erdoberfläche alle sechs Tage erfasst
werden. Wie bei SPOT werden die Daten online bereitgestellt. Dadurch entfällt die individuelle
Bestellung, und eine automatische Verarbeitung der Daten wird erleichtert, was insbesondere
für die Implementierung eines kontinuierlichen Monitorings von großer Bedeutung ist. Der Nutzer kann außerdem kurzfristig die Prozessierung der Daten für ein vordefiniertes Zeitfenster als
auch für einen bestimmten räumlichen Ausschnitt beantragen (vgl. [29]). Ein großer Vorteil der
Sentinel-Daten gegenüber anderen verfügbaren Satellitendaten besteht darin, dass sie kostenlos zur Verfügung stehen werden.
Hyperspektralsysteme
Bislang wurden Spektrometer vorwiegend für wissenschaftliche, experimentelle und kommerzielle Zwecke auf flugzeuggetragenen Plattformen verwendet. In neuerer Zeit wurden aber
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Fernerkundungsansätze um hyperspektrale Bilddaten erweitert und ihre Eignung zur Detektion
von Gasen untersucht.
Ein Kandidat für das Monitoring von Gasen ist der für einen Start in 2017 geplante EnMAPSatellit. Es handelt sich um einen deutschen Hyperspektralsatellit zur simultanen Erfassung
hochauflösender, hyperspektraler Bilder im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (420–1000
nm, VNIR) und kurzwelligem Infrarot (900–2450 nm, SWIR). Er trägt abbildende Spektrometer,
welche die Erdoberfläche in kontinuierlichen Spektren aus 89 (VNIR) plus 155 (SWIR) schmalen
Kanälen abbilden. Aufgrund dieser höheren spektralen Auflösung können quantitative, diagnostische Informationen gewonnen werden, die auch Auskunft über eine Schädigung von Pflanzen
und Böden durch Gase geben können. Erstmals wird damit ein Hyperspektralsatellit zur Verfügung stehen, der die für die Fragestellung erforderliche räumliche und spektrale Auflösung liefert.
Der Satellit soll aus einer Umlaufbahn in etwa 650 Kilometern Höhe Daten mit einer Bodenauflösung von 30 m x 30 m aufzeichnen. Die Möglichkeit, den Satelliten senkrecht zur Flugrichtung
um bis zu +/- 30 Grad zu schwenken, erlaubt Vergleichsbeobachtungen desselben Ortes innerhalb von vier Tagen. Daher eignet sich EnMAP sehr gut für die Dokumentation räumlichzeitlicher Veränderungen und damit auch für das kontinuierliche Monitoring von Industrieanlagen (vgl. [7]). Um im Vorfeld die Auswerteverfahren optimieren und während des Betriebs die
Daten und Produkte validieren zu können, finden zur Zeit deutschlandweit in unterschiedlichen
Untersuchungsgebieten flugzeuggestützte, spektroskopische Kampagnen zur Vorbereitung der
EnMAP-Mission statt. Zu diesem Zweck wurde zum Beispiel von der DLR der flugzeuggetragene
Hyperspektralsensor HySpex34 beschafft. Wie EnMAP besteht das System aus zwei abbildenden
Spektrometern für die Spektralbereiche 400 – 1000 nm und 1000 – 2500 nm (vgl. [13]).
34
Kommerzielles System der norwegischen Firma Norsk Elektro Optikk AS (NEO)
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
3.3
Bewertung eines kontinuierlichen Monitorings für die Geschäftsprozesse
Eine multitemporale und kontinuierliche Auswertung von kommerziellen, satellitengetragenen
Fernerkundungsdaten erlaubt die effiziente Bereitstellung von zusätzlichen Basisdaten für eine
Überwachung chemischer und petrochemischer Produktionsanlagen. Ziel des Monitorings muss
es sein, frühzeitig über eine Messung von Anomalien im Umfeld chemischer und petrochemischer Anlagen (physiologische Veränderungen in Boden und/oder Vegetation) „Unregelmäßigkeiten“ zu detektieren. Letztere erlauben dann Rückschlüsse auf eventuell mögliche unerkannte Öl- oder Gasaustritte. Wie bereits in Kapitel 3.2.3 beschrieben, kann heutzutage auf Satellitendaten online und nahezu in Echtzeit zugegriffen werden. Sentinel-Daten stehen zudem kostenlos zur Verfügung, was die Überwachung einer Anlage, Pipeline, Kaverne etc. mit Satellitendaten wirtschaftlich interessant macht.
Um ein effektives Monitoring zu gewährleisten, muss eine automatische Ableitung quantitativer Parameter über einen längeren Zeitraum erfolgen, um durch einen Vergleich der Daten
Veränderungsanalysen vornehmen zu können. Detektierte Unregelmäßigkeiten im InfrarotVerhalten der Oberflächen lassen dann Rückschlüsse auf eventuelle Schadstoffaustritte zu.
Wird während des Monitorings eine Anomalie festgestellt, kann diese, einschließlich genauer
geografischer Verortung, über eine Alarmanzeige an die für das Gefahrenmanagementsystem
zuständige Stelle weitergeleitet werden. Im zweiten Schritt könnten an lokalen Verdachtspunkten terrestrische oder koptergestützte Untersuchungen mit spezieller Gassensorik durchgeführt
werden, je nachdem, wie groß oder wie schnell die zu untersuchende Fläche erreichbar ist. Im
Falle großräumiger Pipelinenetze wäre der nachfolgende Einsatz eines Multicopters zum Beispiel sinnvoller als die aufwändige „Begehung“ mit Gasspürsonden. Setzt man mit Hyperspektralkameras ausgestattete UAVs zur punktuellen Nachmessung ein, müssen diese mit der entsprechenden Elektronik ausgerüstet sein, damit die Bodenstation bereits parallel zur Aufnahme
der Bilder einen Preview in Echtzeit erhält. Der Anlagenbetreiber kann aber auch vor Ort mit
Hilfe eigener messtechnischer Systeme (chemische Messverfahren, elektrische mobile Analysegeräte für den Betrieb in Fahrzeugen etc.) Kontrollmessungen durchführen. Diese nachfolgende
stichprobenhafte Überprüfung der Richtigkeit der satellitenbasierten Informationen ist für die
Beurteilung der Aussagekraft und Relevanz der Informationen und damit für die Planung eines
eventuell notwendigen Gefahrenabwehreinsatzes von großer Bedeutung.
Abbildung 12 veranschaulicht, wie die Einbindung von Fernerkundungsdaten ein bestehendes
Monitoring-System ergänzen könnte.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Abb. 12: Gas-Monitoring - Integration von Fernerkundungsdaten in ein Gefahrenmanagementsystem
Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch die Integration aktueller meteorologischer Daten,
um mit Hilfe von Ausbreitungsmodellen, wie zum Beispiel LASAT (vgl. [36]) oder MEMPLEX (vgl.
[35]), eine Abschätzung der Schadstoffausbreitung vornehmen zu können. Die Darstellung der
Ausbreitungsberechnung bzw. des vermuteten Gefahrenbereichs erfolgt auf einer digitalen Karte. Aufgrund der exakten geographischen Verortung der Daten lassen sich Einsatzpläne zu den
betroffenen Bereichen schnell generieren. Liefert der Sensor noch zusätzliche Informationen zu
den am Störfall beteiligten Stoffen, können die zuständigen Einsatzkräfte bereits auf der Basis
dieser Informationen ihre Einsätze besser und zielgerichteter planen. Über integrierte Funktionalitäten zur Geokodierung und den Zugriff auf aktuelles Bildmaterial lassen sich Entscheidungen schneller absichern. Die visuelle Darstellung des möglichen Gefahren- und Warnbereiches
einer sich ausbreitenden Schadstoffwolke ist dabei ein notwendiges Hilfsmittel und kann über
Fernerkundungsdaten und GeoIT geleistet werden.
Wie die anschließende Weiterleitung der Informationen über einen Störfall an die entsprechenden Einsatzkräfte (Werk- oder kommunale Feuerwehr) konkret erfolgen könnte, wurde bei
Bernsdorf B. und Woditsch W. (2014) beschrieben.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
3.4
Herausforderungen
Es gilt herauszufinden, ob konkret umgesetzte Beispiele von Fernerkundungsdienstleistungen
den klaren Mehrwert gegenüber herkömmlichen Verfahren haben. Bevor es zur Implementierung eines Monitoring-Konzeptes kommen kann, muss eine Validierung der Methoden stattfinden. Dazu ist der Einsatz unter realen Standortbedingungen zwingend notwendig. Störfälle
müssen simuliert werden, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der verwendeten Methode
bewerten zu können. Ein pilothaftes Demonstrationsprojekt könnte hier als Wegbereiter für eine breitere Nutzung fungieren. Da die meisten wissenschaftlichen Ergebnisse auf Untersuchungen mit boden- oder flugzeuggestützten Fernerkundungssystemen basieren, stellt sich die Frage, welche der Gase mit Hilfe von satellitengestützten Fernerkundungsmethoden erfasst werden können. Gerade bei den sehr flüchtigen Gasen gilt es zu untersuchen, ob die zurzeit existierenden Systeme oder auch geplante neuere Systeme eine Detektion ermöglichen.
Eine weitere Herausforderung besteht in der technischen Integration der Fernerkundungsdaten
in bestehende Gefahrenmanagement- oder Anlageninformationssysteme. Dabei gibt es spezielle Anforderungen an die Datenbereitstellung in Fast-Echtzeit. Es muss eine Datenbankstruktur
entwickelt werden, die die Fernerkundungsdaten schnell und effizient abspeichern und logisch
verknüpft wieder abrufen kann. In der Praxis bedeutet dies einen mehrdimensionalen, komplexen Datenstrom abzuspeichern und zu analysieren und anschließend möglichst in Echtzeit auch
darzustellen. Insbesondere die Fast-Echtzeit-Darstellung ist entscheidend für den Erfolg der
Methode.
Was den Einsatz hyperspektraler Daten angeht, muss erwähnt werden, dass diese durch einen
hohen Anteil an Pixeln gekennzeichnet sind, die spektrale Mischungen verschiedener Stoffe
darstellen. Es ist daher sehr wichtig, Auswertemethoden zu verwenden entwickeln bzw. zu
verwenden, die eine vollständige spektrale Entmischung gewährleisten, um Gase identifizieren
zu können. Diese Auswertung wird unterstützt durch Spektralbibliotheken, die die Zuordnung
spektraler Signale zu einzelnen Gasen ermöglichen. Ihre sichere Bestimmung ist entscheidend
für die Qualität der Ergebnisse.
4
Zusammenfassung
Eine bestmögliche Vermeidung von Störfällen ist sowohl im Hinblick auf eventuelle Beeinträchtigungen für Mensch, Umwelt und Infrastruktur als auch zur Vermeidung von Produktionsausfällen und den damit verbundenen finanziellen Kosten notwendig. Geodaten und GISTechnologien kommen bereits seit vielen Jahren bei der Werkdokumentation und in Gefahrenmanagementsystemen zum Einsatz (Bestandsdokumentation, Störfallmanagement, Instandhaltung, Wartung). Während Multikopter im Bereich der Werkdokumentation bereits zur
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
kleinräumlichen Überwachung und Kontrolle der Infrastruktur (Detektion von Rissen an Leitungen, Türmen etc.) eingesetzt werden und damit für erhebliche Kosteneinsparungen gesorgt haben, finden sich keine Ansätze für ein großräumliches, automatisiertes und regelmäßiges Monitoring ganzer Chemieparks oder sonstiger Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie (Kavernenspeicher, Pipelines, etc.).
Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass Fernerkundungsdaten ergänzende Informationen zur
Anlagen- und Pipelineüberwachung liefern können. Sie können Gefahrenmanagementsysteme
im Zuge eines kontinuierlichen Monitoring unterstützen und „Unregelmäßigkeiten“ frühzeitig
erfassen, bevor es zu einem größeren Störfall kommt. Die technische Implementierung und
praktische Integration der Produkte in bestehende Monitoring-Systeme resultiert in einem genaueren und aktuelleren Monitoring-Zustand. Ziel muss es sein, mit Hilfe der operationell verfügbaren Satellitensysteme im Bereich des nahen Infrarots spektrale Veränderungen oder
Anomalien in Vegetation oder Böden zu detektieren, um Rückschlüsse auf eventuelle Gas- oder
Ölkontaminationen ziehen zu können. Insbesondere der Einsatz moderner Hyperspektralsensoren wie des EnMAP mit ihrer Vielzahl schmalbandiger Kanäle erlaubt sowohl die direkte Detektion einiger Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel CH4 und C02 als auch die Detektion kleinster
boden- und pflanzenphysiologischer Veränderungen. Bei einer regelmäßigen Überwachung unterirdischer Gaspipelines oder großer Industrieanlagen über einen längeren Zeitraum hinweg
und dem Vergleich dieser Daten („Change detection“) könnten diese Veränderungen Hinweise
auf eventuelle Öl- und Gasleckagen geben. Die Entwicklung automatisierter und auf den Informationsgehalt der Fernerkundungsdaten angepasster Auswertemethoden stellt die Voraussetzung für eine effektive und regelmäßige Erfassung dieser Parameter dar. Von der Generierung
und Verortung von Informationen zu raumrelevanten Daten bis hin zur Programmierung standardisierter und passgenauer Algorithmen und der Ergebnisdokumentation kann die GeoITBranche einen wertvollen Beitrag zur Optimierung unternehmerischer Prozesse leisten. Modernste dreidimensionale Geoinformationstechnologie erlaubt eine genaue Verknüpfung, Analyse und Darstellung raumbezogener Geoinformationen.
Es wurde allerdings auch deutlich, dass es noch einige Herausforderungen bei der Erfassung
von Gasen mit satellitengetragenen Sensoren gibt. Einige der in Kapitel 2.2 angesprochenen detektionsrelevanten Stoffe lassen sich zur Zeit nur über zusätzliche Messungen mit flugzeuggestützten Hyperspektralsensoren erfassen, da diese Systeme auch Daten im mittleren oder
langwelligen Infrarot aufnehmen und die notwendige räumliche Auflösung besitzen.
Trotz dieser Einschränkung könnte die Integration zusätzlicher fernerkundungsbasierter Geoinformationen zu einer Optimierung von Gefahrenmanagementsystemen der chemischen und
petrochemischen Industrie beitragen. Diese Branche muss sehr viel schneller auf Störfälle reagieren, nicht nur um hohe Produktionsausfälle, sondern auch um eine Gefahr für Mensch und
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
Umwelt durch die Freisetzung teils gefährlicher Gase und Schadstoffe zu vermeiden. Jede zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, die dies vermeiden kann, sollte daher willkommen sein. Im
Hinblick auf Forderungen nach mehr Transparenz und verbesserter, webbasierter Zugriffsmöglichkeit auf die erhobenen Monitoring-Daten durch Kommunen oder die Öffentlichkeit könnten
die Ergebnisse in einem „Monitoring-Kataster“ zusammengefasst werden. Je nachdem wie
sicherheitsrelevant die Daten für das Unternehmen sind, könnte die Weiternutzung als Web
Map Client (WMC) über OGC-konforme Web Services erfolgen.
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
5
5.1
Literatur und Quellen
Fachbücher, Zeitschriftenartikel und Vorträge
Arbeck (2013): Mono, Multi and Hyperspectral Cube and corresponding spectral signatures.
Wikimedia Commons.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mono,_Multi_and_Hyperspectral_Cube_and_corresponding_S
pectral_Signatures.svg?uselang=de
Bernsdorf B. und Woditsch S. (2014): Geoinformation in der Chemischen Industrie. Der Einsatz
von Raumbezug in Geschäftsprozessen der Werkdokumentation und den Gefahrguttransports.
Online Publikation des AIR e.V. (Hrsg.). 95 Seiten.
http://www.air-verband.de/uploads/media/Geoinformation_Chemische_Industrie_v1.1.pdf
BMUB (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit)(2013):
Zwölfte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (StörfallVerordnung - 12. BImSchV). 26 Seiten.
http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/bimschv_12_2000/gesamt.pdf
BMJV (Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz) (2013): BundesImmissionsschutzgesetz – BimSchG. Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen
durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge. 50 Seiten.
http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/bimschg/gesamt.pdf
Clark R. N. et. al. (2010): A method for quantitative mapping of thick oil spills using imaging
spectroscopy. U.S. Geological Survey Open File Report 2010-1167. 51 Seiten.
http://pubs.usgs.gov/of/2010/1167/downloads/pdf/OF10-1167.pdf
Cocks T. et al. (1998): The HyMAP Airborne Hyperspectral Sensor: The system, calibration and
performance. Vortrag beim 1. EARSeL Workshop on Imaging Spectroscopy in Zürich, Oktober
1998. 6 Seiten. http://www.aigllc.com/pdf/EARSEL98_HyMap.pdf
Dennison P. E. et al. (2013): High spatial resolution mapping of elevated atmospheric carbon
dioxide using airborne imaging spectroscopy: Radiative transfer modelling and power plant
plume detection. Remote Sensing of Environment 139, S. 116-129.
http://www.geog.ucsb.edu/~akthorpe/documents/Dennison_Andrew_K_Thorpe_2013_RSE.pdf
EnMAP Core Science Team (Hrsg.): Environmental Mapping and Analysis Program. Wissenschaftliche Anwendungspotentiale und Nutzungsvorbereitung. 27 Seiten.
http://www.enmap.org/sites/default/files/pdf/pub/EnMAP_Internet_l_Magazin.pdf
ESA (2010): GMES Sentinel-2 Mission Requirements Document. 42 Seiten.
http://esamultimedia.esa.int/docs/GMES/Sentinel-2_MRD.pdf
Seite 38 von 43
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
EU (1999): COUNCIL DIRECTIVE 1999/13/EC of 11 March 1999 on the limitation of emissions of
volatile organic compounds due to the use of organic solvents in certain activities and installations. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:1999L0013:20090112:EN:PDF
Harig R. (2012): Hyperspektralsensor zur schnellen automatischen Ferndetektion von Gefahrstoffen (HYGAS). Vortrag vom 18.04.2012 beim Bundesministerium für Bildung und Forschung.
http://www.bmbf.de/pubRD/B1-II_Harig_Roland_Praesentation_2012.pdf
Harig R., Matz G., Rusch P. (2006): Infrarot-Fernerkundungssystem für die Chemische Gefahrenabwehr. Zivilschutzforschung Neue Folgen. Band 58. 135 Seiten.
http://www.bbk.bund.de/SharedDocs/Downloads/BBK/DE/Publikationen/PublikationenForschung/Band
58.pdf;jsessionid=05B0374F5C234B584EA338EE67517E92.1_cid330?__blob=publicationFile
Martimort P. et al. (2007): Sentinel-2. The Optical High-Resolution Mission for GMES Operational Services. Directorate of Earth Observation Programmes ESTEC, Noordwijk, The Netherlands. ESA Bulletin 131, S. 19-23.
http://www.esa.int/esapub/bulletin/bulletin131/bul131b_martimort.pdf
Noomen, M. F. (2007): Hyperspectral reflectance of vegetation affected by underground hydrocarbon gas seepage. ITC Dissertation 145. International Institute for Geo-information Science & Earth Observation. 167 Seiten. http://www.itc.nl/library/papers_2007/phd/noomen.pdf
Rieks H.-J. & Schmalkuche K. (2006): Standortdokumentation und Geoinformation im Bayer
Chemiepark. In: Géomatique Suisse 2/2006, S. 76–78.
http://www.geomatik.ch/fileadmin/redaktion/download/2006/Fach/FA_2_2006_6.pdf
Seeley J.A. und Richardson J.M. (2007): Early Warning Chemical Sensing. Lincoln Laboratory
Journal Volume 17. No. 1, S. 85-99.
Umweltbundesamt (Hrsg.) (2012): Jahresbericht 2010. Zentrale Melde- und Auswertestelle für
Störfälle und Störungen in verfahrenstechnischen Anlagen (ZEMA). 96 Seiten.
http://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/zemajahresbericht_2010_0.pdf
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GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
5.2
Internetquellen
Hinweis:
Die folgenden Internetquellen wurden zwischen Juni und September 2014 besucht und überprüft. Ein
dauerhaftes Fortbestehen kann durch den Herausgeber oder Autor nicht sichergestellt werden.
[1] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Wikipedia.de. Stichwort Petrochemie. http://de.wikipedia.org/wiki/Petrochemie
[2] WAZ online (2012): 25 Arbeiter bei Unfall in Chemiepark Dormagen verletzt. Pressemitteilung vom 10.09.2012. http://www.derwesten.de/region/25-arbeiter-bei-unfall-in-chemieparkdormagen-verletzt-id7084477.html
[3] Onlineportal von PROCESS – Chemie | Pharma | Verfahrenstechnik (2014): Explosion und
Brand in Shell-Raffinerie in Köln-Godorf. Pressemitteilung vom 14.01.2014.
http://www.process.vogel.de/sicherheit_ex_schutz/sicherheitstechnik/articles/429518/
[4] Online-Portal vom Kölner Stadt-Anzeiger (2012): Grundwasser mit Kerosin verseucht. Pressemitteilung vom 31.08.2012. http://www.ksta.de/wesseling/shell-raffinerie-grundwasser-mitkerosin-verseucht,15189192,17016144.html
[5] Baldenhöfer, Kurt G. (Hrsg.): Lexikon der Fernerkundung. Stichwort Monitoring.
http://www.fe-lexikon.info/index.htm
[6] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Wikipedia.de. Stichwort Hyperspektral. http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperspektral
[7] DLR (Hrsg.): EnMAP – der deutsche Hyperspektralsatellit zur Erdbeobachtung.
http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10379/567_read-421/#/gallery/2671
[8] Gibbs, D. (1996): Use of FT-IR and UV spectrometers for monitoring multiple pollutants in
the lower troposphere. In: Geoscience and Remote Sensing Symposium 1996. IGARSS '96. Vol.
3, S. 1541 – 1543. http://www.grss-ieee.org/technical-resources-2/iruv-spectrometry-for-air-pollutionmonitoring/
[9] Siemens Aktiengesellschaft (Hrsg.) (2010): Wie kann ich meine Chemieparks und Raffinerien optimal sichern? Produktprospekt Branchenkonzepte Chemieparks- und Raffinerien.
http://www.hqs.sbt.siemens.com/gip/general/dlc/data/assets/de/Wie-kann-ich-meine-Chemieparksund-Raffinerien-optimal-sichern-_A6V10323402_de-de.pdf
[10] Bruker (Hrsg.): EM 27 Open Path Spectrometer. Produktinformation auf FirmenHomepage.
Seite 40 von 43
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
http://www.bruker.com/products/infrared-near-infrared-and-raman-spectroscopy/remotesensing/em27/overview.html
[11] ProzessNet Fachgemeinschaft (Hrsg.) (2013): Laserscanning und Virtuelle Realität. Ein Impuls für die Zukunft von 3D. Positionspapier der DECHEMA und VDI. 8 Seiten.
www.processnet.org/processnet_media/Pos_AK_VRLS-p-5000.pdf
[12] SYSWE Firmenhomepage. Produktinformation zu Gas-Thermografiekamera FLIR GF 320.
http://www.syswe.de/industrie/gasanlagen.html
[13] SphereOptics: Firmenhomepage. Produktinformation zu HySpex Hyperspektralkameras.
http://www.sphereoptics.de/de/spektrometer/neo-hyperspektral-kameras.php
[14] ProcessNet: Deutsche Plattform für Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen und Technische Chemie. Eine Initiative von DECHEMA und VDI-GVC.
http://www.processnet.org/ProcessNet.html
[15] Hugo Lavoie H., Jean-Marc Thériault J.-M., Bouffard F., Puckrin E. and Dubé D. : Chemical
Pollutant detection and identification by passive LWIR hyperspectral imaging. 11 Seiten.
http://www.foi.se/Global/V%C3%A5ra%20tj%C3%A4nster/Konferenser%20och%20seminarier/CBW%20
symposium/Proceedings/Lavoie.pdf
[16] Process (2014): Explosion und Brand in Shell-Raffinerie in Köln-Godorf. Pressemitteilung
vom 14.01.2014. Online Fachportal für Chemie- und Pharmaindustrie und Anlagenbau.
http://www.process.vogel.de/sicherheit_ex_schutz/sicherheitstechnik/articles/429518/
[17] DLR Earth Observation Centre: Stichwort Spektrometrie.
http://www.dlr.de/eoc/de/desktopdefault.aspx/tabid-5335/8945_read-23139/
[18] Siemens AG (Hrsg.) (2010): Wie kann ich meine Chemieparks und Raffinerien optimal sichern? Dokumentation Branchenkonzept für Chemieparks- und Raffinerien. 10 Seiten.
http://www.hqs.sbt.siemens.com/gip/general/dlc/data/assets/de/Wie-kann-ich-meine-Chemieparksund-Raffinerien-optimal-sichern-_A6V10323402_de-de.pdf
[19] SpiegelOnline (2013): Leck in Chemiefabrik: Stinkende Gaswolke zieht über Nordfrankreich. Online-Artikel vom 22.01.2013. http://www.spiegel.de/panorama/stinkende-gaswolke-ziehtaus-leck-in-chemiefabrik-ueber-nordfrankreich-a-879014.html
[20] Airbus Defence and Space: Auflösung und Spektralmodi von SPOT Datenprodukten.
http://www.astrium-geo.com/de/821-auflosung-und-spektralmodi
[21] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Wikipedia.de. Stichwort Spektrometer. http://de.wikipedia.org/wiki/Spektrometer
[22] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Wikipedia.de. Stichwort FTIR-Spektrometer. http://de.wikipedia.org/wiki/FTIR-Spektrometer
Seite 41 von 43
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
[23] Specim: Firmenhomepage. Produktinformationen zu AISA Hyperspektralsensoren.
http://www.specim.fi/index.php/products/airborne
[24] Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ: Skalenspezifische hyperspektrale Fernerkundung mit dem AIRBORNE IMAGING SPECTROMETER FOR APPLICATION (AISA). Webseite des
Instituts. http://www.ufz.de/index.php?de=17504
[25] Chemie.de Information Service GmbH: Online Plattform für Informationen der Branchen
Chemie, Life Sciences und Pharma. Lexikon IR-Spektroskopie. http://www.chemie.de/lexikon/IRSpektroskopie.html
[26] HammGas: Firmenhomepage. Informationen über den Einsatz von Helikopter-gestützten
Infrarotbefliegungen zur Gasdetektion. http://www.hammgas.de/aktuelles
[27] DLR-Portal: CHARM: Hubschraubergetragenes Lasersystem zur Erkennung von Erdgas.
http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-831/1330_read-2462/1330_page-2/
[28] European Commission (Hrsg.): Copernicus – The European Earth Observation Programme.
http://ec.europa.eu/enterprise/policies/space/copernicus/index_en.htm
[29] European Space Agency (Hrsg.): Copernicus – Observing the Earth. Sentinel- 2.
http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-2
[30] Bezirksregierung Köln, Abteilung GEObasis.nrw (Hrsg.): Geodatenportal TIM-online.
http://www.tim-online.nrw.de/tim-online/initParams.do
[31] European Commission (Hrsg.): Enterprise and Industry - Satellite Navigation. Galileo.
http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/index_en.htm
[32] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Stichwort GPS. http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
[33] Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen: Methane Airborne Mapper
MAMAP (Flugzeuggetragener Sensor zur flächenhaften Ermittlung von Methan- und CO2Emissionen).
http://www.iup.uni-bremen.de/optronics/projects/methaneairbornemappermamap/index.htm
[34] Jet Propulsion Laboratory (Hrsg.): AVIRIS – Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer. http://aviris.jpl.nasa.gov/
[35] Keudel av-Technik GmbH (Hrsg.): MEMPLEX-Homepage. MEMPLEX gefährliche Stoffe.
Website mit Produktbeschreibung. http://www.memplex.com/frames/frameset.htm
[36] Ingenieurbüro Janicke – Gesellschaft für Umweltphysik (Hrsg.) (2011): LASAT – Ein Programmsystem zur Berechnung von Schadstoffausbreitung in der Atmosphäre. Beschreibung
Software LASAT 3.2. http://www.janicke.de/data/lasat/lasat-3.2_de.pdf
Seite 42 von 43
GeoIT und Gas-Monitoring in der Chemischen und Petrochemischen Industrie
[37] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Stichwort LiDAR. http://de.wikipedia.org/wiki/Lidar
[38] Elowitz R. M. (Hrsg.): What is Imaging Spectroscopy (Hyperspectral Imaging)? Eigene
Homepage. http://www.markelowitz.com/Hyperspectral.html
[39] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Stichwort Open Geospatial Consortium. http://de.wikipedia.org/wiki/Open_Geospatial_Consortium
[40] Wikipedia Deutschland – Gesellschaft zur Förderung Freien Wissens e.V. (Hrsg.): Stichwort IKONOS. http://de.wikipedia.org/wiki/IKONOS
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