Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine hochpräzise Technologie verbessert, mit der die Emissionen von Methan, einem kritischen Treibhausgas, und anderen Spurengasen auch unter rauen Feldbedingungen überwacht werden können. Die Messung der Methanemissionen und die Bestimmung ihrer Quelle ist ein wichtiger Schritt zu ihrer Reduzierung – das Ziel des Global Methane Pledge, das kürzlich von mehr als 150 Nationen auf der UN-Klimakonferenz 2023 unterzeichnet wurde.
Die verbesserte Emissionsüberwachungstechnologie des NIST ermöglichte es dem Forschungsteam, zwei Monate lang die Methanemissionen in einem etwa 855 Quadratkilometer großen Gebiet im Norden Colorados abzuschätzen. Eine Studie, die ihre Arbeit beschreibt, ist veröffentlicht im Tagebuch Geophysikalische Forschungsbriefe.
Die Studie, die Emissionen aus zwei Hauptquellen untersuchte – Landwirtschaft sowie Öl- und Gasförderung – brachte zwei unerwartete Ergebnisse. Erstens waren die Methanemissionen aus konzentrierten Tierfütterungsbetrieben (CAFOs) höher als vorhergesagt. Zweitens scheinen die Gesamtemissionen aus der Öl- und Gasförderung im Untersuchungsgebiet in den letzten Jahren trotz steigender Produktion ein Plateau erreicht zu haben.
„Das Sammeln dieser Art von Daten ist für politische Entscheidungsträger nützlich, um zu sehen, wie sich die Emissionen im Laufe der Zeit verändern, damit sie die Vorschriften entsprechend anpassen können“, sagte Kevin Cossel, NIST-Forscher und Mitautor der Studie.
Methan hat über einen Zeitraum von 100 Jahren ein etwa 30-mal größeres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid. Eine erhebliche Reduzierung der Methanemissionen kann dazu beitragen, die Risiken des Klimawandels zu verringern. Aber um Methanemissionen zu kontrollieren, müssen Sie sie messen, was viele technische Herausforderungen mit sich bringt.
Traditionelle Methoden zur Verfolgung von Methanemissionen basieren auf der Wirtschaftsaktivität. Beispielsweise könnte man die Emissionen eines CAFO berechnen, indem man die Anzahl der Tiere dort mit einer Schätzung multipliziert, wie viel Methan jedes Tier ausstößt. Die NIST-Methode hingegen schätzt Emissionen durch direkte Messung der Variation von Methan und anderen Gasen in der Atmosphäre.
Präzise Emissionsmessung mit Spektroskopie
Der NIST-Aufbau verwendet Frequenzkämme, einen speziellen Lasertyp mit einem breiten Farb- oder Wellenlängenspektrum, um Gaskonzentrationen entlang eines Pfades in der Luft zu messen. Methan und andere Gase absorbieren bestimmte Wellenlängen dieses Lichts, das dann nach der Reflexion an einem nahegelegenen Spiegel zum Aufbau zurückfließt. Ein zweiter Frequenzkamm misst präzise, wie viel Licht bei diesen Wellenlängen absorbiert wird, um die Konzentration dieser Gase zu bestimmen und dabei zu helfen, genau zu bestimmen, welche Art von Quelle die Emission erzeugt hat.
Frühere Versionen dieses Frequenzkammspektrometers sind seit mehreren Jahren im Einsatz, aber die neueste Version zeichnet sich durch verbesserte Robustheit, Tragbarkeit und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Klimazonen aus.
„Wir hatten eine frühe Version dieses Systems, die wir in die Praxis umgesetzt haben, aber wenn man sich die Daten ansieht, gibt es viele Ausfallzeiten, wenn das System nicht funktionierte“, sagte Cossel. „Wir haben das System umgebaut, um es temperaturstabiler zu machen und den Datenerfassungsprozess zu verbessern.“
Griffin Mead, NIST-Forscher und Mitautor des Artikels, betonte die Widerstandsfähigkeit des Systems unter rauen Bedingungen im Vergleich zu den Einschränkungen der Vorgängerversion. „Wir haben diese Messungen nicht im Frühjahr oder Herbst durchgeführt, wenn das Wetter schön ist“, teilte Mead mit. „Das war im Winter in Colorado; es schneite, Graupelschauer, Hagel und Minustemperaturen draußen. Aber dieses neue System funktionierte bei solch extremen Wetterbedingungen wunderbar, während die Vorgängerversion unter diesen Bedingungen nicht hätte funktionieren können.“
Das Herzstück dieses Systems, Frequenzkämme aus Faserlasern, die in der Telekommunikationsindustrie eingesetzt werden, ist bereits im Handel erhältlich und eröffnet Unternehmen und Laboren die Möglichkeit, dieses System landesweit zu reproduzieren.
Jenseits von Methan
Das neue System misst nicht nur Methan, sondern auch andere Gase wie Ethan und Ammoniak. Durch die gleichzeitige Messung und Analyse der Korrelationen zwischen mehreren Gasen zielte die Studie darauf ab, Beiträge aus dem Öl- und Gassektor sowie der Landwirtschaft zu unterscheiden, die dann zur Verbesserung der Emissionsschätzungen genutzt wurden. Dies kann zu einem umfassenderen Verständnis der Quellen und Auswirkungen dieser Schadstoffe führen.
Die Zukunft der Emissionsüberwachung sieht rosig aus, da Mead und Cossel planen, auch andere Gase zu messen, beispielsweise Lachgasemissionen aus Kläranlagen. „Unser Ziel ist es, die Empfindlichkeit und Präzision des Systems weiter zu verfeinern und unser Forschungsgebiet zu erweitern. Wir werden in den nächsten Jahren Studien in der Nähe von Salt Lake City durchführen, die für einige regionale Unterschiede sorgen werden“, sagte Cossel.
Da sich die Weltgemeinschaft zunehmend auf die Reduzierung von Methan konzentriert, könnte diese Technologie eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung genauer und umsetzbarer Informationen für Wissenschaftler, Branchenführer und politische Entscheidungsträger spielen.
Mehr Informationen:
Griffin J. Mead et al., Aufteilung und Bestandsoptimierung von Methanemissionen aus der Landwirtschaft und dem Energiesektor mithilfe mehrmonatiger Spurengasmessungen in Nord-Colorado, Geophysikalische Forschungsbriefe (2024). DOI: 10.1029/2023GL105973