Die leichte Drohne kann mithilfe eines aufmontierten Quantenkaskaden-Lasers mobil die Methan-Emissionen auf Öl- und Gasfeldern messen.

Bild: Empa / Video: Empa

Emissionen von Öl- und Gasfeldern Drohne spürt Methan-Lecks auf

09.07.2020

Methan ist einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung. In einem Projekt sind 20 Forschungsgruppen deshalb auf der Suche nach den Quellen des Gases. Eine Drohne mit moderner Messtechnik war dafür bereits auf einem rumänischen Öl- und Gasfeld im Einsatz.

Dass Methan (CH4) maßgeblich zur Erderwärmung beiträgt, ist bekannt – der Beitrag der einzelnen Methan-Quellen allerdings nicht. Eine solche Quantifizierung wäre aber dringend nötig, um Maßnahmen für die Klimaziele der Vereinten Nationen (UN) ergreifen zu können.

Im Rahmen des Horizon2020-Projektes Memo2 fokussieren sich deshalb Forschende aus insgesamt sieben Ländern auf die Ermittlung dieser Quellen und die Quantifizierung von deren Emissionen mittels mobiler Analysegeräte. Einen besonderen Fokus legen sie dabei auf Rumänien.

Methan-Messungen in Rumänien

Mit seinen zahlreichen Öl- und Gasfeldern ist Rumänien eine der Hauptquellen der europäischen Methan-Emissionen. Methan tritt über die Bohrschächte der Felder an die Oberfläche und entweicht teilweise in die Atmosphäre.

Bislang ließen sich genaue Methan-Messungen hier nur mit stationären Messgeräten durchführen. Diese werden zwar manchmal in Fahrzeuge eingebaut, können dann aber nur genau entlang der Straße eingesetzt werden – ein aufwendiges und unbefriedigendes Unterfangen.

Empa-Forschenden gelang es nun jedoch, ein präzises und leichtes Messgerät zu entwickeln, das auf eine Drohne montiert werden. Es misst die CH4-Konzentrationen und bestimmt damit die Emissionen. „Das neue Spektrometer ist ein Durchbruch in der Analytik von Spurengasen bezüglich Messgenauigkeit, Größe und Gewicht“, sagt Lukas Emmenegger, Leiter der Empa-Abteilung Luftfremdstoffe / Umwelttechnik.

Um das Methan zu quantifizieren, nutzen Emmenegger und sein Team einen Quantenkaskaden-Laser (QCL). Mithilfe des auf der Drohne montierten Spektrometers lässt sich so die dreidimensionale Verteilung von Methan in der Umgebung einer Quelle bestimmen. Kombiniert mit Windmessungen können die Forschenden aus den Daten dann die Emission einer Quelle berechnen.

Die Drohne hat zudem den Vorteil, dass sie Messungen an Orten erlaubt, die vom Boden aus nur schwer zugänglich sind. So lassen sich mit der Drohne etwa größere Quellen oder Teile von Ölfeldern überfliegen, um daraus zu bestimmen, an welchen Orten Methan in welchen Mengen an die Oberfläche gelangt.

Mit den detaillierten Messungen sollen sich künftig konkrete Maßnahmen treffen und überprüfen lassen, um die Methan-Emissionen weiter einzudämmen. Daran ist auch die Industrie interessiert, wie Emmenegger bestätigt: „Unsere neue Messtechnik hat schon zu zahlreichen Anfragen aus Industrie und Forschung geführt. Daraus ergeben sich viele spannende Projekte im Bereich der natürlichen und vom Menschen verursachten Methan-Quellen.“

Für weitere Schadstoffe geeignet

Doch nicht nur Methan steht auf der Liste der Umweltschadstoffe: Auch Kohlenstoffdioxid (CO2), Ozon (O3) und Ammoniak (NH3) zählen dazu. Instrumente, die diese Gase messen können, sind jedoch komplex, teuer und benötigen viel Energie. Denn bislang muss jedes Gas mit einer separaten Methode gemessen werden.

Die beiden ehemaligen Empa-Forschenden Morten Hundt und Oleg Aseev haben ein QCL-Spektrometer entwickelt, das zehn Umweltgase gleichzeitig detektieren kann. Vor Kurzem gründeten sie damit das Empa-Spin-off Miro Analytical Technologies und konnten bereits diverse Erfolge verbuchen.

Unter anderem erhielten sie Anfang 2020 im Rahmen des Accelerator-Programms des „European Innovation Council“ 1,25 Millionen Euro Fördergeld. Zudem sind sie seit Januar 2019 Teil des Business-Inkubators der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA, da ihr High-Tech-Sensor als wichtige Referenz für die Beobachtung von Umweltgasen mittels Satelliten dienen kann.

CO2-Quellen per Satellit finden

Die ESA setzt bei den Vorbereitungen für die CO2M-Satelliten-Mission ebenfalls auf die Empa-Technologie. Ab 2025 sollen die ersten CO2M-Satelliten in den Orbit geschickt werden, die mithilfe von spektroskopischen Messungen globale Karten der CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre erstellen. So lässt sich bestimmen, wo wie viel CO2 von Industrieanlagen, Städten und Ländern emittiert wird.

„Wir konnten der ESA verschiedene Empfehlungen für die analytische Ausstattung der Satelliten geben“, berichtet Empa-Forscher Gerrit Kuhlmann. So muss der Satellit etwa in der Lage sein, die vom Mensch erzeugte CO2-Emission von den Signalen der Biosphäre, also dem natürlich vorkommenden CO2, zu unterscheiden. Die Idee dahinter: ein kombiniertes Messgerät, das Kohlenstoffdioxid, aber auch zusätzlich Stickstoffdioxid (NO2) detektiert.

„Bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas entsteht nämlich nicht nur CO2, sondern auch große Mengen an Stickoxiden, nicht jedoch bei der natürlichen ‚Atmung‘ der Biosphäre, die ausschließlich CO2 produziert“, erklärt Kuhlmann. Ein zusätzliches NO2-Instrument sollte also in der Lage sein, anthropogene und biosphärische CO2-Signale voneinander zu trennen.

Um diese Idee zu überprüfen, simulierten Kuhlmann und sein Team die Verteilung der CO2- und der NO2-Konzentrationen für das Jahr 2015. Die aufwendigen Simulationen wurden auf dem schnellstem Hochleistungsrechner Europas durchgeführt, dem „Piz Daint“ am Schweizer Rechenzentrum CSCS in Lugano. Dabei konnten die Empa-Forscher zeigen, dass eine Kombination der Messungen von CO2 und NO2 bessere und verlässlichere Resultate liefert, als wenn nur ein CO2-Messgerät auf dem Satelliten verbaut wäre.

Die Empfehlung für den Einbau eines zusätzlichen NO2-Messinstruments wurde von der ESA bereits in die Planung der neuen Satelliten übernommen.

Bildergalerie

  • In Rumänien, einem der Hauptemittenten von Methan, kam die Drohne bereits zum Einsatz.

    Bild: Empa

  • Satellitenbilder aus den Empa-Simulationen: Das Bild links zeigt die Messungen des CO2-Instruments, das Bild rechts des NO2-Instruments des Satelliten. Deutlich zu erkennen sind die Emissionen der Stadt Berlin sowie mehrerer Kohlekraftwerke.

    Bild: Empa

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