Quelle: Universität Bremen 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Deutschland investiert derzeit Milliardensummen, um den Ausstoß von Treibhausgasen durch Stahlwerke deutlich zu reduzieren. Dies soll vor allem durch die Umstellung auf den Wasserstoffbetrieb passieren. Aber wie misst man überhaupt die Menge an Treibhausgasen, die beim Produktionsprozess entstehen? „Bisher war man weitgehend auf Angaben und Berechnungen der Stahlhersteller angewiesen“, sagt Dr. Heinrich Bovensmann vom Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Bremen. „Nun haben wir ein Verfahren entwickelt, mit dem man diese Freisetzungen auch unabhängig messen und berechnen kann – mit Satellitendaten zur Zusammensetzung der Atmosphäre.“

Bei der Herstellung von Stahl entstehen große Mengen an Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Kohlenstoffmonoxid (CO). 2022 betrugen beispielsweise die deutschen CO₂-Emissionen der Roheisen- und Stahlerzeugung nach Angaben des Umweltbundesamtes rund 23,5 Millionen Tonnen. Dass diese Emissionen auch aus dem Weltraum feststellbar sind, wissen die IUP-Forschenden spätestens seit dem großen Moorbrand im Emsland im September und Oktober 2018: „Das war kein offenes Feuer, sondern eins, das im Boden schwelte“, so Heinrich Bovensmann. „Solch ein Brand erzeugt besonders viel Kohlenstoffmonoxid, was wir dann auch mit den hochgenauen Bildern des 2017 gestarteten Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-5P sichtbar gemacht haben.“ Was aber auch zu sehen war, war eine Kohlenstoffmonoxid-Abgasfahne aus dem Ruhrgebiet – die des größten deutschen Stahlstandortes in Duisburg.

Dem Kohlenstoffmonoxid mit Satelliten auf der Spur
Postdoktorand Oliver Schneising aus dem IUP-Team interessierte sich fortan für diese Emissionen und untersuchte Satellitendaten auch im Hinblick auf weitere deutsche Stahlstandorte mit integrierten Hüttenwerken. Hier wies er die Kohlenstoffmonoxid-Freisetzungen in Duisburg, Dillingen,Salzgitter Bremen und Eisenhüttenstadt zweifelsfrei nach. „Die primäre Stahlerzeugung erfolgt weltweit überwiegend mit dem sogenannten Linz-Donawitz-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff auf kohlenstoffreiches Roheisen aufgeblasen, um den Kohlenstoffgehalt mittels Oxidation zu minimieren und so hochwertigen kohlenstoffarmen Stahl zu erhalten“, erläutert der Bremer Wissenschaftler. „Das dabei freigesetzte Kohlenstoffmonoxid – CO – lässt sich mit der neuen Generation von Satellitensensoren vom Weltraum aus besser bestimmen als das Treibhausgas CO₂ selbst.“

Um aus den Erdfernerkundungsmessungen die CO-Emissionen zu bestimmen, sahen sich die Bremer Forschenden um Schneising die meteorologischen Verhältnisse – insbesondere den Wind – zu den Messzeitpunkten genau an. „Wir haben die CO-Emissionen der oben genannten Stahlstandorte bestimmt und zu den CO₂-Emissionen ins Verhältnis gesetzt, die von den Stahlherstellern für dieselbe Zeitperiode berichtet wurden“, sagt Schneising. „Diese Analyse ergibt standortübergreifend eine sehr hohe Korrelation von CO mit CO₂. Dies rechtfertigt es, aus den CO-Beobachtungen auch die CO₂-Emissionen zu bestimmen.“ Das von der IUP-Forschungsgruppe entwickelte Verfahren wurde inzwischen nach fachlicher Begutachtung in einer renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland in der Entwicklung
Die Arbeiten des Instituts für Umweltphysik zu diesem Thema finden im Rahmen einer umfangreichen Forschungsinitiative statt, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert. Sie hat den Titel „Integriertes Treibhausgas-Monitoringsystem für Deutschland“ (ITMS) und wird vom Deutschen Wetterdienst sowie dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie geleitet. „Das ITMS-Projekt zielt auf die Entwicklung und Umsetzung eines Systems ab, das atmosphärische Beobachtungen vom Boden, aus der Luft und aus dem Weltraum mit hochauflösende Emissionsinventaren und hochauflösenden atmosphärischen Modellen kombiniert und zur Überwachung und Dokumentation von Treibhausgas-Quellen und -Senken nutzt“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann vom IUP, welches die Bremer Beteiligung für das Institut koordiniert. „Die Universität Bremen ist dabei für einen großen Teil der Aktivitäten mitverantwortlich. Sie stimmt die Aktivitäten im Bereich der Beobachtungsdaten ab, wobei kontinuierlich erhobene Beobachtungen aus Messnetzwerken und von Satelliten eine wichtige Rolle spielen.“

Die Forschungsgruppe des Instituts für Umweltphysik hat ihre Ergebnisse mittlerweile im angesehenen Fachmagazin „Atmospheric Chemistry and Physics“ der European Geosciences Union publiziert: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/
pdf: https://acp.copernicus.org/articles/24/7609/2024/acp-24-7609-2024.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Biogeochemie 20. Oktober 2022.

20. Okober 2022 – Das ITMS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und soll der Bundesregierung und der Öffentlichkeit gesicherte Informationen zu Stand und Entwicklung der Treibhausgasflüsse zur Verfügung stellen.

Neu daran ist, dass die Quellen (Freisetzung) und Senken (Aufnahme) von Treibhausgasen, nun auf Beobachtungen basierend, unabhängig ermittelt werden können: Auf der 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 (NetZero) von besonderer Relevanz.

Zum Kick-Off Meeting vom 18. bis 20. Oktober 2022 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.“

Inverse Modellierung findet Quellen und Senken
Quellen und Senken von Treibhausgasen sowie deren Herkunft an der Oberfläche unserer Erde können mit Hilfe 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. In weiteren Projektphasen werden Änderungen der Treibhausgasemissionen verschiedener Sektoren, wie z.B. der Energieerzeugung, der Landwirtschaft oder dem Verkehr in Zeiträumen von Monaten bis mehrere Jahre und Jahrzehnte bestimmt werden“, so Dr. Christoph Gerbig vom MPI für Biogeochemie. Die von ihm 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
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“, so Tobias Fuchs weiter.

Satellitendaten sind ein bedeutender Baustein
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, dies haben wir mit Flugzeugmessungen demonstriert“, erläutert Dr. Heinrich Bovensmann von der Universität Bremen. Für die neuen Satellitensysteme wie z.B. Copernicus CO2M und MERLIN konnte dies anhand von flugzeug-gestützten Messungen demonstriert werden.

Den Ursprung zu kennen, ist die Voraussetzung für erfolgreiche Maßnahmen
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“, so 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.“

Im Rahmen des ITMS fördert das 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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