Mesures de flux de CH4/CO2/H2O par eddy covariance depuis un drone

Quantification of CH4/CO2/H2O fluxes with eddy covariance method based on UAV measurements

• Auteur / Autrice : Ngoc minh Hoang
• Direction : Lilian Joly, Thomas Lauvaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 05/09/2023
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) - UMR CNRS 7331 (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe Aéronomie-GSMA

Mots clés

Mots clés libres

Eddy Covariance

Uav

Gaz à effet de serre

Mesures de flux

Eddy Covariance

Uav

Greenhouse gases

Flux measurements

Résumé

Le réchauffement climatique est depuis quelques décennies le problème environnemental le plus préoccupant pour tous les pays dans le monde à cause de ses impacts négatifs sur les écosystèmes naturels et les activités humaines. L'augmentation sans cesse des émissions de gaz à effet de serre (GES) est la cause principale de cette évolution de la température moyenne globale. D'après les hypothèses médianes dans le rapport AR6 du Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC), il y a une très forte probabilité que la concentration en dioxyde de carbone (CO2) soit doublée avant la fin de ce siècle alors que la concentration du méthane (CH4), un autre gaz à effet de serre au pouvoir radiatif supérieur à celui du CO2, continue à s'augmenter. La barre +1,5°C de réchauffement sera atteinte inévitablement, même dépassée, en 2040. Par conséquent, les phénomènes météorologiques extrêmes comme les précipitations entrainant les inondations, les sécheresses, les feux de forêt, etc. seront plus fréquentes et violentes. Le GIEC estime donc que pour avoir deux chances sur trois de limiter le seuil de réchauffement à + 1,5 °C, les émissions mondiales de gaz à effet de serre devraient être divisées par deux d'ici 2030 et ramenées à zéro avant 2050. Face à cette situation alarmante, il est indispensable d'avoir des solutions urgentes afin de bien surveiller et quantifier des émissions des puits/sources des différents types d'écosystèmes industriels et naturels (forêts, tourbières, mangroves, sols, etc.). Par exemple, la quantification de flux de GES permet à TotalEnergies de contrôler ses installations de production, d'évaluer le potentiel de stockage de carbone de milieux naturels, de garantir l'efficacité de la chaîne de capture et de stockage du carbone et de soutenir les activités liées au biogaz et au gaz naturel en tant qu'énergie de transition vers un monde sans carbone. Pour répondre à besoin de la communauté industrielle en particulier et de la communauté scientifique en général, la chaire ATMOSFERE lance un projet concernant des solutions innovantes pour mesurer les flux de GES à différentes échelles spatio-temporelles. Dans le cadre de ce projet, la méthode de référence utilisée est la technique eddy covariance (EC) dont le flux vertical mesuré est présenté comme une covariance de la mesure rapide (10-50Hz) de la vitesse verticale du vent et du scalaire de l'entité d'intérêt, dans notre cas de figure, la concentration de CO2, CH4, H2O. En règle générale, cette technique est mise en œuvre sur des tours fixes à différentes hauteurs donc elle est limitée en terme spatial. L'utilisation des avions peut répondre à la question d'échelle spatiale mais elle est coûteuse et présente des contraintes de sécurité pour les vols à basse altitude. L'utilisation de drones devient prometteuse, mais jusqu'à présent, aucun système léger n'a été développé pour mesurer les flux de CO2, H2O et CH4 par EC sur un drone. En début d'année 2021, Sun et al. ont montré des résultats préliminaires de flux de CO2 et H2O avec une instrumentation embarquée (utilisation de capteurs commercialisés) de l'ordre de 10 kg, ce qui est sensiblement trop lourd pour des applications industrielles et des logistiques simplifiées. Ainsi, l'objectif de la thèse est donc de mettre en place un système EC léger sur un drone à voilure fixe de type VTOL (Vertical Take-off and Landing) afin de permettre d'avoir des mesures précises des émissions de GES sur des surfaces étendues. Le système est constitué d'un capteur de vent 3D et d'un spectromètre diode laser dédié à la mesure de concentration de CH4, CO2, H2O. Le senseur de concentration de gaz à effet de serre appelé AMULSE « Atmospheric Measurements by Ultra Light SpEctrometer », développé depuis 2014 par le Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA), est léger (< 3 kg), précis (< 0.5%) et rapide (20 Hz). Ce senseur, installé sur un drone, a montré sa performance pendant le cadre du projet AUSEA en collaboration avec le Laboratoire de Qualité de l'Air (LQA) de TotalEnergies afin de détecter les émissions du CH4. La première étape de la thèse consiste à installer et valider le fonctionnement d'un capteur de vent 3D sur le VTOL. Dans un premier temps, le capteur de vent 3D sera installé, avec d'autres anémomètres certifiés, sur un banc de test sur une voiture en déplacement. Une inter-comparaison des mesures de vent des anémomètres sera réalisée afin de vérifier la qualité du capteur de vent 3D. Dans un second temps, une inter-comparaison des mesures de vent 3D et du flux vertical de la quantité de mouvement avec deux systèmes différents: le VTOL (équipé du capteur de vent 3D) et une tour fixe (équipé d'un anémomètre sonique). Une fois que les mesures de vent 3D sur le VTOL sont validées, on passe à la deuxième étape de la thèse: intégrer des capteurs de concentrations de CH4, CO2, H2O sur le VTOL, développer des calculs de flux par EC depuis un système mobile basse altitude et comparer des mesures de flux de CH4, CO2, H2O depuis un VTOL avec celles issues d'une tour fixe.

Climate change has been the most concerning environmental issue for decades because of its negative impact on natural ecosystems and human activities worldwide. The drastical evolution in greenhouse gases (GHG) emissions is the primary driver of the global average temperature increase. According to the AR6 report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), there is a very high probability that carbon dioxide (CO2) concentrations will be doubled before the end of this century. Additionally, methane (CH4), another potent GHG which is more dangerous than CO2, continues to raise significantly. The +1.5°C warming threshold will inevitably be reached, possibly even surpassed, by 2040. As a result, extreme natural disasters such as heavy precipitation leading to floods, droughts, wildfires, etc., will become more frequent and brutal. The IPCC estimates that to have a chance of limiting the warming to 1.5°C, global GHG emissions must be halved by 2030 and reduced to zero by 2050. Confronting this alarming situation, it is very crucial and urgent to survey and quantify emissions from different types of sources or sinks of industrial and natural ecosystems (forests, peatlands, mangroves, soils, etc.). For instance, GHG fluxes measurements allow TotalEnergies to monitor the production of their facilities, assess the carbon storage potential of natural environments, ensure the efficiency of carbon capture and storage chains, and support activities related to biogas and natural gas as transition energies towards a carbon-free world. To deal with the needs of both the industrial and scientific communities, the ATMOSFERE chair is launching a project focused on innovative solutions for measuring GHG fluxes at various spatio-temporal scales. In the context this project, the reference method used is the eddy covariance (EC) technique, which can yield the vertical flux as a covariance of high-frequency measurements (10-50Hz) of vertical wind velocity and scalar of entity of interest, such as CO2, CH4, and H2O concentrations in this case. Generally, this technique is implemented on ground-based stations/towers at different heights, which is limited in term of spatial representation. While the use of aircraft can address spatial scale problems, it is costly and low-altitude flights are very restricted. So the flux measurements based on Unmanned Aerial Vehicle (UAV) become more promising, but until now, no lightweight system has been developed to measure CO2, H2O, and CH4 fluxes with EC method based on UAV. In early 2021, Sun et al. demonstrated preliminary results of CO2 and H2O fluxes using commercial sensors, but their weight (around 10 kg) is unsuitable for industrial applications and simplified logistics. Therefore, the objective of this thesis is to implement a lightweight EC system on a fixed-wing Vertical Take-off and Landing (VTOL) to achieve precise GHG emission measurements on a regional scale. The system consists of a 3D wind sensor and a diode laser spectrometer dedicated for measuring CH4, CO2 and H2O density. The optical gas analyzer, known as ''AMULSE'' (Atmospheric Measurements by Ultra Light SpEctrometer), developed by the Molecular and Atmospheric Spectrometry Group (GSMA) since 2014, is lightweight (<3 kg), accurate (<0.5%), and fast (20 Hz). This open-path gas analyzer, installed on a drone, has shown its performance during the AUSEA project in collaboration with the Air Quality Laboratory (LQA) of TotalEnergies to detect CH4 emissions. The first step of the thesis involves the installaton and evaluation of the 3D wind sensor. Initially, the 3D wind sensor will be installed, along with other certified anemometers, on a moving test bench , which is a car. An inter-comparison of wind measurements from every anemometer will be carried out to verify the quality of the 3D wind sensor. Subsequently, an inter-comparison between an airborne measurements and a ground-based measurements of 3D wind and vertical momentum flux will be conducted. Once the 3D wind measurements on the VTOL are validated, the second step of the thesis will focus on integrating CH4, CO2, and H2O sensors on the VTOL, developing an algorithm to calculte EC fluxes from a low-altitude flight, and in the end comparing CH4, CO2, and H2O flux measurements from a UAV with those from a ground-based station.