Projekt 27046/01

Entwicklung eines einfachen Verfahrens zur Ermittlung von Emissionsraten von klimarelevanten Gasen aus Flächenquellen

Projektträger

Ingenieurbüro Lohmeyer GmbH & Co. KG
An der Roßweid 3
76229 Karlsruhe
Telefon: 07 21/6 25 10 21

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer praxistauglichen Software zur Berechnung der Emissionsraten von klimarelevanten Gasen aus diffusen Flächenquellen auf der Basis von Laser-Absorptions-Langstreckenmessungen (TDLAS). Ein Bedarf für Emissionsraten kleinräumiger Quellen besteht immer dort, wo aus Gründen der gesetzlich vorgeschriebenen Berichterstattung oder Maßnahmen zum Klimaschutz genauere Werte als die derzeit durch theoretische Abschätzungen oder eher qualitative Messun-gen verfügbaren Frachten benötigt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie im Rahmen des Projektes entwickelte Software besteht aus einem Prä- und Postprozessor mit grafischer Benutzeroberfläche für Eingabe- bzw. Ausgabedaten des Lagrangeschen Ausbreitungsmodells LASAT. Dieses Modellsystem verfügt über ein diagnostisches Windfeldmodell, das eine naturgetreue Simulation der Strömungsverhältnisse ermöglicht. Die bei den Konzentrationsmessungen zeitgleich mit einem zeitlich hochauflösenden Ultraschallanemometer erfassten Wind- und Turbulenzverhältnisse können direkt in das Modell übernommen werden. Das Simulationsmodell ordnet jeder zeitlichen meteorologischen Situation das entsprechende dreidimensionale Strömungs- und Turbulenzfeld zu. Die Software unterstützt den Anwender beim Import der gemessenen Winddaten, und sie berechnet aus dem Ergebnis der Konzentrationsmessungen und der Ausbreitungsrechnungen die Methan-Quellstärke der Flächenquelle.
Die Konzentrationsmessungen erfolgten als linienintegrierende Open-Path-Messungen auf Basis von TDLAS mit Messstrecken bis über 100 m in verschiedenen horizontalen bzw. leicht geneigten Lagen. Über einen Zeitraum von 21 Monaten fanden 18 Methan-Messkampagnen auf einem abgedeckten Deponieabschnitt (8.000 m²) der Kreismülldeponie Dorfweiher statt, Betreiber ist das Landratsamt Konstanz. Diese Methan-Flächenquelle eignet sich zur Verifizierung besonders gut, da hier die Emissionsraten aufgrund einer laufenden Sanierungsmaßnahme in gewissen Grenzen variiert werden können und auch durch mehrere alternative Methoden bestimmt werden können. Diese reichen von eher traditionellen Verfahren wie FID-Begehungen bis hin zu neuen Entwicklungen wie den im Rahmen dieses Projekts weiterentwickelten Haubenmessungen.


Ergebnisse und Diskussion

Eine vorgeschaltete, umfangreiche Sensitivitätsstudie lieferte wichtige Vorgaben und Eingangsparameter sowohl für die Versuchsanordnung der Konzentrations- und Windmessungen vor Ort als auch für die Ausbreitungsrechnung. Beispielsweise sollte die Konzentrationsmessung immer möglichst quer zum Wind entlang einer möglichst langen Messstrecke erfolgen, möglichst im echten Lee der Quelle.

Die Ergebnisse der neuen Methode sind plausibel, auch im Vergleich zu den Alternativmethoden. Die modellierten Quellstärken lagen eher im oberen Bereich der durch die Alternativmethoden gesetzten Schwankungsbreite, mit teils deutlichen Unterschieden zwischen den einzelnen Messungen. Es wurden z. T. starke Abhängigkeiten der gemessenen Konzentrationen und damit auch der berechneten Quellstärken von meteorologischen Randbedingungen festgestellt. Die Ergebnisse lassen sich am besten mit einem multivariaten System mit mehreren, je nach Umgebungsbedingungen konkurrierenden Abhängigkeiten erklären. Demnach können u. a. Windgeschwindigkeit, Drucktendenz und Boden- bzw. Quelltemperatur die Methanemission teils deutlich beeinflussen.

Diese Ergebnisse stellen die gängige Herangehensweise in Frage, repräsentative Messungen zur Bestimmung der Jahresemission bei möglichst ungestörten Bedingungen, z. B. bei möglichst geringen Windgeschwindigkeiten durchzuführen. Außerdem deuten die Abhängigkeiten auch auf eine möglicherweise systematische Unterschätzung der Quellstärken durch bisherige Alternativmethoden hin, die den Einfluss solcher externer Parameter teilweise nicht berücksichtigen. Beispielsweise schirmen Hauben-messungen den Windeinfluss weitgehend ab und bilden diesen, für die Jahresemission möglicherweise bedeutenden Prozess gar nicht ab.

Die beobachteten Abhängigkeiten der berechneten Quellstärke von externen meteorologischen Einflussfaktoren wie z. B. Drucktendenz und Windgeschwindigkeit werfen die Frage nach einer geeigneten Strategie zur repräsentativen Bestimmung bzw. Hochrechnung der Jahresemission auf Basis von gezielten Messungen und von Jahresstatistiken der Einflussfaktoren auf. Die Frage der Hochrechnung konnte auf Basis der vorliegenden Daten noch nicht beantwortet werden. Es wurden jedoch Strategien entwickelt, wie mit Hilfe der neu entwickelten Methode und gezielter zusätzlicher Messungen der Nachweis solcher Abhängigkeiten geführt werden könnte. Dies würde zukünftig eine genauere Hochrechnung der Jahresemission und damit auch eine genauere Quantifizierung des Erfolgs von Emissionsminderungsmaßnahmen erlauben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Messungen und der Modellierung wurden vorgestellt auf folgenden Konferenzen:
Organic Resources in the Carbon Economy (Orbit 2010), 29.6.-3.7.2010, Iraklio, Griechenland,
Doktorandenschule Abfall 2010, 5.-8.9.2010, Manigod, Frankreich,
I. Wissenschaftskongress Abfall- und Ressourcenwirtschaft (DGAW 2011), 29.-30.3.2011, Straubing.


Fazit

Die im Rahmen dieses Projekts erstellte Software ist einsatzbereit, sie unterstützt den Anwender bei der Ausbreitungsrechnung mit LASAT und sie berechnet aus dem Ergebnis der Konzentrationsmessungen und der Ausbreitungsrechnungen die Methan-Quellstärke der Flächenquelle.

Die Vorzüge der neuen Methode sind die vergleichsweise leichte Anwendbarkeit bei diffusen Quellen, die traditionellen Methoden nur schwer oder gar nicht zugänglich sind, z. B. Deponien, Stauseen, Reisfelder oder Sümpfe. Dank der Fernmessung wird das Emissionsverhalten der Quelle durch die Messung selbst nicht gestört.

Aus praktischer Sicht ist ein besseres Verständnis der zeitlichen Variabilität der gemessenen Konzentrationen und der Quellstärken wünschenswert, denn dies würde zukünftig eine genauere Hochrechnung der Jahresemission und damit auch eine genauere Quantifizierung des Erfolgs von Emissionsminderungsmaßnahmen erlauben. Es wurden Strategien entwickelt, wie mit Hilfe der neu entwickelten Methode und gezielter zusätzlicher Messungen der Nachweis solcher Abhängigkeiten geführt werden könnte.