Messung der Treibhausgasemissionen in der Großstadt
Bisher unbekannte Methanquellen in Hamburg identifiziert
Methan ist nach Kohlendioxid das am zweithäufigste vom Menschen verursachte Treibhausgas und hat über 20 Jahre gerechnet eine 84-mal stärkere Treibhauswirkung als Kohlendioxid. Die größten bekannten Quellen sind dabei Mülldeponien und das Abwassersystem sowie die Landwirtschaft. Während die Lebensdauer von Kohlendioxid bei mehreren hundert Jahren liegt, beträgt diese bei Methan nur zwölf Jahre. Dadurch bietet die Reduktion des Methanausstoßes ein großes Potenzial, um auf kurze und mittlere Sicht Treibhausgase einzusparen.
Methanausstoß in Städten
Ein erheblicher Teil des weltweit ausgestoßenen Methans entsteht in Städten. Dabei gibt es viele verschiedene Stellen, an denen Methan absichtlich oder unabsichtlich freigesetzt wird. Das Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) wählte Hamburg, um Methanlecks und weitere bisher unbekannte Quellen aufzuspüren. Hamburg ist der Bevölkerung nach nicht nur die zweitgrößte Stadt Deutschlands, sondern gleichzeitig Hafen- und Industriestadt. Damit bietet sie durch die vielen verschiedenen Methanquellen die optimalen Bedingungen für das Vorhaben.
Zahlreiche Methanquellen in Hamburg entdeckt
Das Team konnte durch ihre Studie zahlreiche bisher unbekannte Methanquellen in Hamburg entdecken. Neben natürlichen Quellen wie der Elbe, ist der größte Anteil durch Menschen verursacht. Etwa die Hälfte dieser Emissionen stammt aus Gasleitungen oder aus der unvollständigen Verbrennung von Gas bei Endverbraucher:innen wie bei Gasöfen oder -heizungen. Die mobilen Messungen machten es außerdem möglich, einzelne besonders starke Methanquellen zu identifizieren. Hierbei zeigte sich, dass etwa zwei Prozent des gesamten durch Menschen verursachten Methanausstoßes in Hamburg aus den leckenden Leitungen einer Ölraffinerie und aus einer Rinderfarm in der Nähe stammen.
Aktualisierung bisheriger Messdaten
Die Forschenden griffen zunächst auf eine Karte der niederländischen Forschungseinrichtung „TNO“ zurück. Diese stellt die Treibhausgase in Hamburg auf Grundlage der deutschen Gesamtemissionen in Kombination mit lokalen Charakteristika räumlich dar. Um die angegebenen Werte dieser Karte zu überprüfen und zu aktualisieren, wählte das Team zwei Herangehensweisen:
„Zum einen führten wir mobile Messungen durch mithilfe eines Autos, das mit Sensoren ausgestattet ist. Hierfür fuhren wir die Gebiete ab, in denen wir Methanemissionen erwarteten, um die räumliche Verteilung besser zu verstehen. Zum anderen nutzten wir unser Sensornetzwerk, um die gesamte Emission der Stadt zu bestimmen. Dieses besteht aus vier an unterschiedlichen Stellen platzierten Messgeräten, die wir bereits in vorherigen Studien zur Messung der Treibhausgasemissionen in München einsetzten“, sagt Jia Chen, Professorin für Umweltsensorik und Modellierung. „Unser Sensornetzwerk nutzt die Sonne als Lichtquelle. Da jedes Molekül in der Atmosphäre nur einen ganz bestimmten Teil des Sonnenlichts absorbiert, können wir die Konzentration der verschiedenen Treibhausgase in der Luftsäule zwischen unseren Messgeräten und der Sonne erfassen.“
Messungen in und um Hamburg
Um herauszufinden, wie viele Treibhausgase innerhalb Hamburgs entstehen, stellten die Forschenden ein Messgerät im Zentrum der Stadt auf, die anderen verteilten sie am östlichen, südlichen und westlichen Stadtrand.
„Durch dieses Prinzip steht immer ein Sensor in Windrichtung vor der Stadt und ein Sensor in Windrichtung hinter der Stadt. Liegt der Wert der zweiten Messung über dem ersten, können wir daraus in Kombination mit komplexen Wind-Modellen bestimmen, wie viele Treibhausgase in der Stadt freigesetzt werden. Zu diesem Zweck werden Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenzen durch das optische Verfahren Wind-LiDAR gemessen“, sagt Andreas Forstmaier, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur für Umweltsensorik und Modellierung.
Zukünftiger Einsatz der Messtechnik
Die für Städte konzipierte Methode soll zukünftig durch den Einsatz von Satelliten auch um globale Messungen erweitert werden. Dadurch wollen die Forschenden einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis und zur Verlangsamung der Klimaerwärmung leisten.
Forstmaier, A., Chen, J., Dietrich, F., Bettinelli, J., Maazallahi, H., Schneider, C., Winkler, D., Zhao, X., Jones, T., van der Veen, C., Wildmann, N., Makowski, M., Uzun, A., Klappenbach, F., Denier van der Gon, H., Schwietzke, S., and Röckmann, T.: Quantification of methane emissions in Hamburg using a network of FTIR spectrometers and an inverse modeling approach, Atmos. Chem. Phys., 23, 6897–6922, doi.org/10.5194/acp-23-6897-2023, 2023.
- Neben der TUM waren an der Studie die Universität Utrecht, die Universität Hamburg, das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), die Universität Heidelberg, TNO sowie der Environmental Defense Fund beteiligt. Das Video wurde uns zur Verfügung gestellt von Hossein Maazallahi (Universität Utrecht) und Andreas Forstmaier (TUM).
- Prof. Jia Chen leitet seit 2015 die Professur für Umweltsensorik und Modellierung. Dabei forscht sie an Themen rund um den Klimawandel und die städtische Luftverschmutzung. Sie entwickelt Sensoren und mathematische Modelle, um Treibhausgasemissionen sowie Luftqualitätsparameter exakt zu bestimmen. Mithilfe der so gewonnenen Daten können neue Klimaschutzmaßnahmen entwickelt und bereits existierende Maßnahmen bewertet werden. Ihre Forschung wird unter anderem durch das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP), das EU-Projekt "ICOS Cities“ und einen ERC Consolidator Grant unterstützt. Weitere Informationen finden Sie unter: Professur für Umweltsensorik und Modellierung
- Außerdem ist Prof. Jia Chen Leiterin des Innovationsbereiches Umwelt im Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI). Mit dem MIRMI hat die TUM ein integratives Forschungszentrum geschaffen, in dem inzwischen über 70 Professor:innen der TUM und ihre Teams mithilfe von Robotik und künstlicher Intelligenz neue Lösungsansätze etwa in der Medizin, in Fabriken und in der Pflege erforschen. Weitere Informationen finden Sie unter https://www.mirmi.tum.de/.
Technische Universität München
Corporate Communications Center
- Julia Rinner
- julia.rinner@tum.de
- presse@tum.de
- Teamwebsite
Kontakte zum Artikel:
Prof. Jia Chen
Technische Universität München
Professur für Umweltsensorik und Modellierung
jia.chen@tum.de
