Klimaforschung: Treibhausgase CH4 und CO2 im Fokus europaweiter Forschungsflüge

Klimaforschung

Messflüge reichen von Finnland bis nach Nordafrika

Köln, 1. Juni 2018: Ehrgeizige Ziele zur Begrenzung der Treibhausgasemissionen benötigen eine effektive Überwachung der klimarelevanten Gase. Zudem müssen für zuverlässige Klimaprognosen die Quellen und Senken der Treibhausgase möglichst genau erforscht werden. Von Mitte Mai bis Mitte Juni 2018 fügt eine fluggestützte Messkampagne unter Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) diesen internationalen Bemühungen einen Baustein hinzu. Das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) des DLR nimmt die zwei wichtigsten Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) ins Visier.
Neuartige Instrumente für die Erfassung der Treibhausgase werden erprobt, die dabei Daten über ganz Europa bis nach Nordafrika sammeln. Im Rahmen der Mission CoMet (Carbon dioxide and methane mission for HALO) sind zudem jeweils eine Cessna des DLR und eine der Freien Universität Berlin mit hochgenauen Messinstrumenten der Universität Bremen im Einsatz, ebenso wie die DLR Do-228 D-CFFU und das Forschungsflugzeug Falcon 20 der französischen Partner SAFIRE, CNRS und CNES. Messflüge finden unter anderem über Berlin, dem Kohlerevier der Lausitz und den polnischen Bergbauregionen statt.
“Mindestens 63 Flugstunden sind für die HALO Flüge über europäischen Ballungszentren, Bodenmessstationen und Kohlegruben bis Mitte Juni geplant”, sagt der Leiter des Projekts Dr. Andreas Fix vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. Zusätzlich kommen noch bis zu 80 Flugstunden auf den drei kleineren Flugzeuge hinzu. Das Forschungsflugzeug HALO ist mit insgesamt sieben Instrumenten ausgestattet, um die Treibhausgase sowie weitere meteorologische Messgrößen zu erfassen und auch Luftproben zu sammeln. “Wir wollen mit unabhängigen Messungen die Quellen und Senken der Treibhausgase im Detail nachvollziehen. Methan-Emissionen stammen beispielsweise aus der Kohleförderung, der Erdöl- und Erdgasindustrie, von Mülldeponien sowie der Viehwirtschaft und dem Reisanbau. Daneben gibt es aber auch natürliche Quellen wie Feuchtgebiete oder Permafrostböden.”, so Fix weiter. “Um den Einfluss des von Menschen verursachten Methans auf den Klimawandel quantifizieren zu können, müssen neben den menschengemachten auch die natürlichen Quellen genau untersucht und die zu Grunde liegenden Prozesse verstanden werden. Hier herrscht gegenwärtig noch ein großes Forschungsdefizit.”
 

Messungen im Spiralflug

Das Forschungsflugzeug HALO startet jeweils von Oberpfaffenhofen bei München für die Messflüge in die Zielregionen, die von Finnland bis nach Nordafrika reichen. Damit die Forscher mit Hilfe der Fernerkundungsinstrumente ein genaues Bild der Verteilung der Treibhausgase bekommen, ist HALO zunächst in rund 8 bis 15 Kilometern Höhe im Mess-einsatz. An ausgewählten Orten werden dann Spiralen bis nahe zum Erdboden geflogen, um zusätzlich hochgenaue Informationen über die Höhenverteilung der Treibhausgase zu erhalten. In die Lufteinlässe strömende Luft wird dabei mit den Instrumenten an Bord kontinuierlich analysiert. Zusätzlich sammeln die Forscher bis zu 12 Luftproben pro Flug, die sie später im Labor noch genauer auf verschiedene Bestandteile untersuchen.
“Die Durchführung derartiger Flugzeugmissionen – besonders im verkehrsreichen Luftraum über Europa – erfordert ein hohes Maß an Koordination mit den verschiedenen Flugsicherungen der überflogenen Länder”, sagt Forschungspilot Dr. Marc Puskeiler “Die Absprache mit den Flugsicherungen muss mehrere Tage im Voraus erfolgen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Wettervorhersage und die Flugplanung, denn die Forscher benötigen möglichst wolkenfreie Messbedingungen”, ergänzt Frank Probst von der DLR-Einrichtung Flugexperimente, der den Betrieb der DLR-Flugzeuge während der CoMet-Mission leitet.

 

Oberschlesisches Kohlerevier: Europas größte Methanquelle

Während HALO hauptsächlich Messungen in Höhen bis zu 15 Kilometern durchführt, erkunden die zwei Cessnas die Verteilung des Treibhausgases im unteren Bereich der Atmosphäre bis auf eine Höhe von drei Kilometern. Dabei schrauben sie sich ebenfalls teilweise auf einem spiralförmigen Flugweg nach oben, um Messwerte bis zur geplanten Gipfel-Höhe zu erfassen. “Die gemeinsamen HALO-Flüge mit den Cessnas werden sich auf zwei wissenschaftlich besonders interessante Gebiete konzentrieren: das oberschlesische Kohlerevier, das aufgrund des emittierten Grubengases der vielen Anthrazitminen mit die größte europäische Methanquelle darstellt, sowie der Berliner Raum, der aufgrund seiner “Insellage” umgeben von dünnbesiedelten Regionen ein interessantes Messgebiet ist, um die Treibhausgasflüsse einer Metropole zu erforschen”, erklärt Fix. In Oberschlesien wird das Projekt dabei von den polnischen Partnern der AGH Universität in Krakau unterstützt. Während eines experimentellen Messfluges nach Polen begleitet sogar ein viertes Flugzeug, die DLR Do-228 die CoMet Mission. Sie ist dabei mit einem Hyperspektralsensor ausgerüstet. Dabei testen die Forscher, ob dieses eigentlich für die Erdoberfläche genutzte Fernerkundungs-Instrument auch in der Lage ist, starke Methanquellen aus der Luft sichtbar zu machen.
 

Methan: Treibhausgas mit starker Wirkung

CO2 ist allgemein als das wichtigste vom Menschen auf der Erde emittierte Treibhausgas bekannt. “Weniger bekannt hingegen ist, das Methan trotz der etwa 200-fach geringeren Konzentration in der Atmosphäre gegenüber CO2 ein sehr großes Treibhausgaspotential hat. Denn laut Bericht des Weltklimarates aus dem Jahr 2013 ist ein ausgestoßenes Methanmolekül über die ersten 20 Jahre 86-mal so klimawirksam wie ein CO2-Molekül. Für 100 Jahre sinkt dieser Wert auf die immer noch beachtliche 28-fache Klimawirksamkeit, da Methan schneller in der Atmosphäre abgebaut wird”, erläutert Fix.
Insgesamt beträgt der Anteil an der Klimaerwärmung von CO2 seit Beginn der industriellen Revolution etwa 65 Prozent, der von Methan etwa 18 Prozent bezogen auf alle vom Menschen emittierten Treibhausgase. Dabei hat sich die Methankonzentration in der Atmosphäre seit dem Jahr 1750 sogar mehr als verdoppelt während CO2 im gleichen Zeitraum ‘nur’ um etwa 44 Prozent angestiegen ist. “Ein besseres Verständnis der Konzentrationen von Methan in der Atmosphäre und Strategien zur kurzfristigen Verringerung von Methan-Emissionen können signifikant dazu beitragen das 2-Grad-Ziel zu erreichen”, so Fix weiter.
 

Laserradar-Erprobung für Weltraummission MERLIN

Die auf Initiative des DLR, des Max-Planck-Institutes für Biogeochemie und der Universitäten in Bremen und Heidelberg ins Leben gerufene Mission CoMet wird neben anderen Instrumenten das im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre neu entwickelte laserbasierte LIDAR-Messgerät ‘CHARM-F’ (CH4 Atmospheric Remote Monitoring) zur hochaufgelösten Methandetektion einsetzen. “Die neue Technik erlaubt es, CH4 und CO2 unabhängig vom Sonnenlicht aus großer Entfernung und mit hoher Genauigkeit zu messen”, unterstreicht Fix. Ein solches Lidar-Instrument soll ab 2023 an Bord der deutsch-französischen Satellitenmission MERLIN (Methane Remote Sensing Mission) regionale und globale Emissionen des Treibhausgases Methan aus dem All bestimmen. Dies ist eine ideale Ergänzung zu den COPERNICUS Satelliten Sentinel-5 Precursor und Sentinel-5. Zur Erprobung der MERLIN-Technologie ist das französische Forschungsflugzeug Falcon 20 an einem der Messflüge beteiligt.
Es trägt ein in-situ Treibhausgasinstrument für Vergleichsmessungen während die Forscher an Bord von HALO die LIDAR-Technologie erproben, die später auf MERLIN eingesetzt werden soll. Der gemeinsame Messflug wird mit Bodenstationen und Ballonaufstiegen koordiniert und erfordert wolkenlosen Himmel über dem größten Teil Frankreichs.
Neben dem Laserradar (Lidar) ‘CHARM-F’ trägt HALO ein Cavity-Ringdown-Spektrometer des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie Jena, mit dem die wichtigsten Treibhausgase in-situ gemessen werden, sowie einen Probensammler zur Bestimmung weiterer Gase in Laboranalysen der gesammelten Luftproben. Mit einem optischen Spektrometer der Universität Heidelberg an Bord von HALO werden gleichzeitig mit den Treibhausgasen emittierte Luftschadstoffe gemessen.
Die beiden kleineren Forschungsflugzeuge der Mission sind ebenfalls mit hochwertigen Instrumenten ausgestattet. Die Cessna Grand Caravan des DLR unterstützt die Mission mit in-situ Treibhausgas- und Windmessungen in der Grenzschicht, dem untersten Teil der Atmosphäre und ist unter anderem mit einem state-of-the-art Quantenkaskadenlasersystem ausgestattet. “Der untere Teil des Treibhausgasprofils dominiert gerade in der Nähe von relevanten Methanquellen wie in Oberschlesien oftmals die Gesamtverteilung nach der Höhe und weist zudem die größte Variabilität auf. Wir tragen mit unseren Messungen dazu bei Emissionen ausgewählter Quellen im Detail zu charakterisieren” sagt Dr. Anke Roiger, Leiterin der DLR Cessna Mission vom Institut für Physik der Atmosphäre. Zudem trägt die Cessna 207 der Freien Universität Berlin ein passives optisches Spektrometersystem (MAMAP) der Universität Bremen zur flächenhaften Erfassung der Treibhausgasverteilungen von CO2 und Methan.
Für die Forschungsflüge haben die Forscher mehrere Prognose-Modelle entwickelt, die Ihnen vorhersagen, wo erhöhte Konzentrationen der Treibhausgase bei bestimmten Wetterlagen zu erwarten sind. Anhand dieser Modelle erfolgt die Flugplanung. “Unser Ziel ist eine optimale Messstrategie für die CoMet-Mission, um die Datenlücken über Europa möglichst effektiv zu schließen und die Modelle zu trainieren”, so Fix.
 

Projektpartner und Förderung

Wissenschaftliche Projektpartner sind neben dem DLR das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, die Universitäten Bremen, Heidelberg und die Freie Universität Berlin. Darüber hinaus sind Forschungsinstitute aus acht verschiedenen Ländern sowie internationalen Messnetzverbünde und Weltraumagenturen beteiligt, die von dieser besonderen Flugzeugmission profitieren. Das Forschungsprojekt CoMet (Carbon dioxide and methane mission for HALO) wird mit rund einer Million Euro von den Partnerinstituten und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Zudem wird die Auswertung der Messergebnisse der aktuell stattfindenden Flugversuche, sowie die Weiterentwicklung und Nutzung der Instrumente und Modelle im Rahmen des Projekts AIRSPACE (Aircraft Remote Sensing of Greenhouse Gases with combined Passive and Active instruments) durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 3,9 Millionen Euro gefördert. 

Forschungsflugzeug HALO

Das Forschungsflugzeug HALO basiert auf einer zweistrahligen Gulfstream G550 und ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. HALO wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaftund der Max-Planck -Gesellschaft beschafft. Der Betrieb von HALO wird von der DFG, der Max-Planck -Gesellschaft, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.
Klimaforschung

Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen, das auf einer zweistrahligen Gulfstream G550 basierende Forschungsflugzeug HALO des DLR

Quelle: DLR


 

EE-Strom im (Luft-)Verkehr

Power-to-Liquid

MITTEL- UND LANGFRISTIGE POTENZIALE VON PTL- UND H2-IMPORTEN AUS INTERNATIONALEN EE-VORZUGSREGIONEN

Die Bundesregierung hat sich völkerrechtlich verbindliche Klimaziele gesetzt, die bis 2050 ein weitgehend treibhausgasneutrales Deutschland vorsehen. Doch welche Antworten kann es hierbei für ein stetig steigendes Verkehrsaufkommen geben, das insbesondere im Flug- und Seeverkehr nicht mit heute absehbaren Lösungen durch die Elektromobilität gedeckt werden kann? Ist die Herstellung von strombasierten Kraftstoffen im Ausland ein Lösungsweg?

Eine aktuelle Untersuchung des Fraunhofer IWES in Kassel hat Gestehungskosten von synthetischen Flüssigkraftstoffen in Form von PtL (Power-to-Liquid) und LH2 (flüssiger Wasserstoff) an globalen Standorten bewertet. Dazu wurden umfassende Analysen verschiedener Standorte auf Basis räumlich-zeitlich hochaufgelöster EE-Erzeugungszeitreihen für Wind- und Sonnenenergie unternommen und eine kostenoptimale Systemauslegung für die einzelnen Standorte bestimmt. Zusätzlich wurde eine Flächenpotenzialermittlung für eine Bespielregion durchgeführt, um einen ersten Eindruck zum Flächenbedarf für die Flüssigkraftstoffproduktion aus EE zu erlangen.

EE-Vorzugsregionen

Im Vergleich zu einer nationalen oder europäischen Erzeugung hat sich ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil für die Nutzung internationaler EE-Vorzugsregionen gezeigt, trotz der zusätzlichen Aufwände für die Abscheidung von CO2 aus der Luft im PtL-Pfad.

Power-to-Liquid

Globale Kraftstoffgestehungskosten aus internationalen EE-Vorzugsregionen werden dabei um den Faktor 1,6 – 1,4 günstiger als europäische sein. Eine Kombination aus Windenergie- und PV-Anlagen führt zur kostenoptimalen Systemauslegung mit zum Teil über 6.000 Volllaststunden der Kraftstoffproduktionsanlagen. Die oftmals als Hemmnis diskutierte CO2-Abscheidung aus der Luft erscheint technisch und wirtschaftlich möglich (auch wenn Großanlagen noch ausstehen), da der vor allem thermisch anfallende Energieaufwand kostengünstig über Stromspitzen oder Wärmepumpen gedeckt werden kann. Standorte, die nicht über hohe Windressourcen verfügen erscheinen benachteiligt. Die Bandbreite für die Kraftstoffgestehungskosten im langfristigen Szenario liegt etwa zwischen 100 €/MWhPtL und 160 €/MWhPtL.

Kombination aus Wind und PV zielführend

Auch im Fall von flüssigem Wasserstoff (LH2) erscheint eine Kombination aus Wind und PV zielführend. Allerdings wurde nicht an allen Standorten ein ausgeglichenes Ausbauverhältnis von Windenergie- und PV-Anlagen identifiziert. Es erscheinen somit für Wasserstoff nicht ausschließlich Standorte mit sowohl hohen Wind- als auch Solarressourcen geeignet zu sein und infolgedessen ergibt sich global ein viel größeres Flächenpotenzial.

Erstaunlich ist, dass die Kostenunterschiede zwischen dem aufwändigeren PtL im Vergleich zu LH2 mit maximal 9% relativ gering sind. Denn die Aufwendungen für CO2-Abscheidung und Fischer-Tropsch-Synthese müssen den Aufwendungen für die Wasserstoffverflüssigung gegenüber gestellt werden. Je weiter die Produktion der Kraftstoffe von Deutschland entfernt ist, desto geringer fallen die Unterschiede ins Gewicht. Die Entscheidung zwischen einem PtL-basierten und einem Wasserstoff-basierten Technologiepfad müsste sich damit nicht über das Angebotspotenzial im Ausland, sondern notwendigerweise über Vorteile bei den Anwendungstechnologien in Deutschland unter Lösung der damit verbundenen infrastrukturellen Anforderungen entscheiden.

Durch die Untersuchung einer Beispielregion in Marokko wurde deutlich, dass ein hoher Flächenbedarf zur Flüssigkraftstoffproduktion benötigt wird. Zu hinterfragen ist auch, wie schnell ein solcher globaler Markt realistisch wachsen könnte. Dem muss die mögliche Nachfrage gegenübergestellt werden. So ist trotz Effizienzmaßnahmen im Flugsektor mit einem Anstieg des globalen Flugverkehr-Kraftstoffverbrauchs von heute ca. 2.400 TWh auf ca. 3.700 TWh in 2030 und auf 6.700 TWhPtL bis 2050 zu rechnen. Dies stellt mit einen jährlichen Anstieg von 100 bis 130 TWh/a und langfristig fast einer Verdreifachung der Kraftstoffnachfrage eine gewaltige Herausforderung für den globalen Klimaschutz dar. Es ist anzunehmen, dass die Nachfrage durch den starken Anstieg des globalen Luft- und Seeverkehrs einen möglichen Markthochlauf von PtL in internationalen EE-Vorzugsregionen bei weitem übersteigen würde.

Die detaillierten Ergebnisse finden Sie in der entsprechende Studie, die auf unserer PtL-download-area bereit steht (mit freundlicher Genehmigung von Fraunhofer IEE).

Quelle: Fraunhofer IEE https://www.iee.fraunhofer.de


 

Shell: Weltgrösste Wasserstoff-Elektrolyse entsteht in der Rheinland Raffinerie bis 2020

IASA: Nachhaltige Luftfahrt - Sustainable Aviation

Fortschrittliche Wasserstoff-Gewinnung als Beitrag zur Energiewende

Wesseling/Köln, 18. Januar 2018: Shell und ITM Power werden in der Raffinerie Rheinland, Werk Wesseling, die weltweit größte PEM-Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage errichten. Mit einer Kapazität von zehn Megawatt wird der Wasserstoff vor allemfür die Verarbeitung von Produkten der Raffinerie genutzt. Die Technologie wird zugleich für einen möglichen Einsatz in anderen Sektoren getestet.
Das europäische Konsortium von Shell, ITM Power, SINTEF, thinkstep und Element Energy hat eine entsprechende Vereinbarung unterzeichnet. Die Gesamtinvestition des Projekts, einschließlich der Integration in die Raffinerie, beläuft sich auf rund 20 Millionen Euro. Davon stellt die Europäische “Fuel Cell Hydrogen Joint Undertaking” zehn Millionen Euro zur Verfügung.
Nach dem offiziellen Startschuss beginnen die Experten nun mit dem detaillierten technischen Planungs- und Genehmigungsverfahren. Die Anlage mit dem Namen „Refhyne“ soll 2020 in Betrieb gehen. Es wird die erste großindustrielle Anwendung der so genannten Polymer-Elektrolyt-Membran-Technologie sein.
„Die neue Anlage ermöglicht es, Wasserstoff aus Strom statt aus Erdgas zu gewinnen. Darüber hinaus kann die geplante Anlage zur Stabilität des Stromnetzes beitragen und die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erleichtern”, erklärt Lori Ryerkerk, Executive Vice President Shell Manufacturing. „Wenn er als ‘grüner Wasserstoff’ mit erneuerbarer Elektrizität gewonnen wird, wird er dazu beitragen, die CO2-Intensität des Standorts zu reduzieren. Das ist für uns ein wichtiges Ziel“.
Die Rheinland Raffinerie benötigt jährlich rund 180.000 Tonnen Wasserstoff, der derzeit vor allem durch Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen wird. Die neue Anlage kann jährlich zusätzliche 1.300 Tonnen Wasserstoff produzieren, die vollständig in die Raffinerie-Prozesse integriert werden, beispielsweise für die Entschwefelung konventioneller Kraftstoffe.
Dr. Thomas Zengerly, Direktor der Shell Rheinland Raffinerie, betont: „Wir freuen uns, mit der Europäischen Union zusammenzuarbeiten und durch die Erprobung dieser Technologie am Standort Wesseling das künftige Energiesystem Europas mit zu entwickeln. Bei Erfolg besteht die Möglichkeit, dass diese Technologie in unserer Raffinerie erweitert und in anderen Produktionsstätten eingesetzt wird. Wir könnten dann auch Wasserstoff an Kunden außerhalb der Raffinerie liefern.“
Wasserstoff kann bei der Energiewende eine wichtige Rolle spielen. Heute wird Wasserstoff bereits bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen sowie in industriellen Anwendungen eingesetzt. Beim Transport kann Wasserstoff helfen, die Luftqualität vor Ort zu verbessern, da Brennstoffzellen-Fahrzeuge nur Wasserdampf ausstoßen. Wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, trägt er dazu bei, die CO2-Emissionen des Straßenverkehrs zu verringern. Shell beteiligt sich an mehreren Initiativen zum Aufbau eines Wasserstoff-Tankstellennetzes in einer Reihe von Märkten, so auch in Deutschland.
Das Projekt wird mit Mitteln der Fuell Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 779579 unterstützt. Dieses Unternehmen erhält Unterstützung aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union “Horizont 2020” und der Wasserstoff-Industrie und der Wasserstoff-Europa-Forschung.

Quelle: Shell


 

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