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Monitoring von CO2 und Methan Abgas-Spuren in der Umwelt sichtbar machen

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC)

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Was kommt wirklich aus den Schornsteinen der Industrie? Wie viel Treibhausgase entlassen die Schlote in die Umwelt? Und wo treibt der Wind sie hin? Diese Fragen soll ein Projekt mehrerer Umweltinstitute klären. Mit Modellen und satellitengestützten Daten haben die Forscher z. B. schon die Abgasfahne der Lecks in Nordstream 1 und 2 nachverfolgt.

Braunkohlekraftwerk Jänschwalde in der Niederlausitz, Brandenburg
Braunkohlekraftwerk Jänschwalde in der Niederlausitz, Brandenburg
(Bild: Andreas Fix, DLR)

Die Quellen und Senken von Treibhausgasen in Deutschland sollen zukünftig besser erfasst und überwacht werden. Dazu können nun die Quellen (Freisetzung) und Senken (Aufnahme) von Treibhausgasen auf Beobachtungen basierend, unabhängig ermittelt werden: Auf Grundlage der gemessenen Konzentrationen in der Atmosphäre und mittels aktueller Modellierung der Quellen- und Senkenprozesse sowie des meteorologischen Transports werden neue Berechnungen mit einer hohen Zuverlässigkeit ermöglicht. Gerade vertrauenswürdige Daten sind für eine faktenbasierte Politik zur Eindämmung des Klimawandels, für die Steuerung des Handels mit CO2-Zertifikaten und den Weg zu einer klimaneutralen Wirtschaft von besonderer Relevanz. Diese soll das Integrierte Treibhausgas-Monitoringsystem (ITMS) für Deutschland liefern, das im Oktober 2022 am Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena gestartet wurde.

Zum offiziellen Projektstart am MPI-BGC trafen sich die beteiligten Forschungspartner mit einem erweiterten Kreis interessierter Forschungsgruppen, um die konkreten Pläne für die erste vierjährige Projektphase abzustimmen. Dazu erklärt Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger: „Die Bewältigung des Klimawandels ist eine Menschheitsaufgabe, die uns nur mit Forschung und Innovationen gelingen wird. Mit dem Integrierten Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland können erstmals Treibhausgasquellen und -senken direkt überwacht werden. Dadurch erhalten wir ein genaueres Lagebild für einen besseren Klimaschutz und können Klimaschutzmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit hin überprüfen.“

Quellen und Senken von Treibhausgasen aufspüren

Quellen und Senken von Treibhausgasen sowie deren Herkunft an der Oberfläche unserer Erde können mithilfe der „inversen Modellierung“ ermittelt werden. Dieses Verfahren nutzt echte Beobachtungsdaten von atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen und unter Zuhilfenahme eines Modells lässt sich auf die räumliche Verteilung sowie die Stärke der Quellen und Senken rückschließen. „Die erste Projektphase wird es ermöglichen, existierende Beobachtungsdaten der atmosphärischen Treibhausgase vom Boden, aus der Luft sowie aus dem Weltraum mit der operationellen Wettervorhersage zusammenzubringen“, sagt Dr. Christoph Gerbig vom MPI für Biogeochemie. „In weiteren Projektphasen werden Änderungen der Treibhausgasemissionen verschiedener Sektoren, wie der Energieerzeugung, der Landwirtschaft oder dem Verkehr in Zeiträumen von Monaten bis mehrere Jahre und Jahrzehnte bestimmt werden.“

Die von Gerbig geleitete Forschungsgruppe wird zusammen mit dem Referat Emissionsverifikation Treibhausgase des Deutschen Wetterdienstes (DWD) die inverse Treibhausgas-Modellierung für Deutschland entwickeln. „Beim DWD werden wir die inverse Modellierung in den operationellen Betrieb überführen und so die Politikberatung zum Treibhausgas-Monitoring verstetigen“, sagt Tobias Fuchs, DWD Vorstand Klima und Umwelt.

Nordstream-Leckagen zeigen die Bedeutung echter Messungen

Mit ICON-Art modellierte Abluftfahne des Methans aus den Nordstream-Lecks.  Auch solche Methanwolken können mit dem ITMS detektiert werden.
Mit ICON-Art modellierte Abluftfahne des Methans aus den Nordstream-Lecks. Auch solche Methanwolken können mit dem ITMS detektiert werden.
(Bild: DWD)

Wie wichtig reale Messungen sind, zeigen jüngst die Lecks von Nordstream 1 und 2, aus denen große Mengen von Methan (CH4) in die Atmosphäre gelangten. Treibhausgase sind nicht sichtbar, werden aber unter anderem von Messtationen des Integrated Carbon Observation System (ICOS) am Boden und von Satelliten aus erfasst. „Mithilfe des auf unserem Wettervorhersagesystem ICON aufbauenden atmosphärischen Transportmodells ICON-ART konnten wir den Weg der Abluftfahne über Nordeuropa unmittelbar nachverfolgen“, sagt DWD-Vorstadt Fuchs.

Satellitendaten und Modellrechnungen

Zu den wichtigsten Fortschritten des ITMS gehört die Verbesserung des Datenflusses von den verschiedenen Beobachtungssystemen, die Messungen am Boden, von Flugzeugen und von Satelliten umfassen. Hierbei werden insbesondere die neuen Satellitendaten wichtige Beiträge leisten. „Hochaufgelöste Satellitenmessungen der atmosphärischen Konzentration erlauben es, die Emissionsstärke von lokalen CO2- und CH4- Quellen vom Weltall aus zu quantifizieren“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann von der Universität Bremen. Für die neuen Satellitensysteme wie Copernicus CO2M und Merlin haben die Forscher dies anhand von flugzeug-gestützten Messungen demonstriert.

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CO<sub>2</sub>-Abluftfahne des Braunkohlekraftwerks Jänschwalde vom Flugzeug aus aufgenommen im Sommer 2021 mit dem neuen bildgebenden Treibhausgassensor MAMAP2D Light der Universität Bremen (orange-rot: erhöhtes CO<sub>2</sub>). Aus der gemessenen CO<sub>2</sub>-Abluftfahne lassen sich die CO<sub>2</sub>-Emissionen bestimmen. Diese Technik kommt auch bei Satellitendaten zum Einsatz.
CO2-Abluftfahne des Braunkohlekraftwerks Jänschwalde vom Flugzeug aus aufgenommen im Sommer 2021 mit dem neuen bildgebenden Treibhausgassensor MAMAP2D Light der Universität Bremen (orange-rot: erhöhtes CO2). Aus der gemessenen CO2-Abluftfahne lassen sich die CO2-Emissionen bestimmen. Diese Technik kommt auch bei Satellitendaten zum Einsatz.
(Bild: Andreas Fix, DLR; Karte CO2-Abluftfahne: Universität Bremen, Institut für Umweltphysik)

Aber auch das Wissen über einzelne Emissionsprozesse wird im ITMS weiterentwickelt und für das Modellsystem verfügbar gemacht. „Es ist unabdingbar, die Quellen von Treibhausgasemissionen räumlich und zeitlich im Detail besser aufzulösen“, sagt Dr. Ralf Kiese vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Um Quellen, und Senken biologischen Ursprungs zu berechnen, verwendet sein Team prozessbasierte Simulationsmodelle. In Zusammenspiel mit Schätzungen zu Emissionen aus Verkehr und Industrie wird es zukünftig möglich sein, zwischen Emissionen aus fossilen Quellen, der Land- und Forstwirtschaft sowie natürlichen Quellen wie Feuchtgebieten zu unterscheiden. „Damit können mit ITMS konkrete Maßnahmen zur Senkung lokaler Emissionen bewertet werden.“

Projektpartner: Von Wetterdienst bis Raumfahrtzentrum

Im Rahmen des ITMS fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Forschungsprojekte zu Kernkomponenten in den Bereichen Atmosphärische Modellierung, Beobachtungsdaten sowie Quellen und Senken. Auf diese Kernprojekte werden weitere Beiträge zum ITMS aufbauen. Zu den federführenden Partnern gehören das Max-Planck-Institut für Biogeochemie, der Deutsche Wetterdienst (DWD), das Institut für Umweltphysik der Universität Bremen, das Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie das Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Des Weiteren sind auch das Umweltbundesamt sowie das Thünen-Institut für Agrarklimaschutz beteiligt, die beide eine zentrale Rolle in der nationalen Berichterstattung spielen.

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