Messungen von Methanemissionen auf Deponien und Biofiltern

Lehrstuhl für Abfallwirtschaft und Abluft

Arbeitsbereich Emissionen - EMS

Emissionen, Gerüche, Lasergestützte Verfahren, Methanemissionen

Wenn es anderen stinkt, dann sind die Leute dieses Arbeitsbereichs in ihrem Element!

Im Arbeitsbereich „Emissionen“ kümmert man sich um fast alles Gasförmige, das irgendwo austritt. Bevorzugt bei Abfallbehandlungsanlagen, Deponien und Kläranlagen, aber auch sonstige Emissionen sind „willkommen“.

Die Themen „Akzeptanz“ und „gasförmige Emissionen“ sind bei Abfallbehandlungsanlagen oft stark miteinander gekoppelt. Dabei geht es einerseits um die Vermeidung von Belästigungen oder das Einhalten von Grenzwerten aber andererseits auch um Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit. So ist die Minimierung von Emissionen  limarelevanter Gase bei der Entsorgung und Verwertung von Abfällen nach wie vor ein wichtiges Forschungsgebiet.

Im Arbeitsbereich EMS bilden die Vermeidung der Methan-Entstehung und das Methan-Monitoring derzeit einen wichtigen Schwerpunkt. Anwendung finden diese Forschungen bei Arbeiten zur Nachsorgeverkürzung von Abfalldeponien, Minderung von Emissionen bei der MBA und in der Weiterentwicklung von Messmethoden für Methan.

Bei der Zusammenarbeit mit Unternehmen und Behörden werden die vorhandenen Möglichkeiten zur  Gasanalytik häufig nachgefragt.

Die Palette der zur Verfügung stehenden Geräte reicht von klassischen Verfahren wie Gaschromatographie mit Massenspektrometer und Flammenionisationsdetektoren bis zu „ausgefalleneren“ Methoden wie Olfaktometrie, Laser-Absorptionsspektrometrie und „Sniffing-Port“ (GCMS-o). Unsere Arbeit ist sowohl in den naturwissenschaftlich-technischen als auch in den ökonomischen Kontext eingebettet. Unsere Erfahrungen fließen in die nationale und internationale Regelsetzung ein.

Forschungsschwerpunkte:

  • Aerobisierung von Abfalldeponien
  • Neue Methoden zur Quantifizierung von Methanemissionen
  • Untersuchung von Emissionen aus Abfallbehandlungsanlagen
  • Analytik von Gerüchen und Geruchsstoffen mittels Olfaktometrie und
    gaschromatographischen Methoden („Schnüffel-Port (GC-MS-o)“)

Laufende Forschungsprojekte

Aus der Abfalldeponierung stammen jährlich 11.000 Gg CO2-Äquivalente. Eine Reduktion dieser Emissionen um 500-2.500 Gg CO2-Äquivalente pro Jahr durch Deponiebelüftung ist ein erklärtes Ziel der Bundesrepublik Deutschland. Bisher ist der zentrale Punkt für die Ermittlung der Deponiegasemissionen eine Berechnung, die auf verschiedenen Annahmen, wie eingelagerte Abfallmenge, Abbaubarkeit des eingelagerten Abfalls, Methangehalt des abgesaugten Deponiegases, Alter der Ablagerung und Erfassungsgrad des verwendeten Deponiegasfassungssystems beruht. Das Projekt Müdse umfasst drei Messszenarien an zwei Deponien im Landkreis Waldshut. Bei jeder Messung werden alle drei Messmethoden zeitgleich an beiden Deponien angewandt.

Diese sind:

  • Inverse Dispersionsmethode (TDLAS-Messung, Windfelderfassung und computerbasierte Modellierung)
  • CHARM (Helikopter gestütztes Gasdetektionssystem basierend auf Infrarot-Laser-Absorption)
  • FID-Begehung (Konzentrationserfassung unmittelbar an Deponieoberfläche)

Als erstes wird eine Nullmessung durchgeführt. Die zweite Messung dient zur Verifizierung der Messmethoden. Die dritte Messung zielt auf die Bewertung der installierten Klimaschutzmaßnahme ab. Ziel des Projekts ist es, die Wirksamkeit der von der NKI (Nationale Klimaschutzinitiative) geförderten Stabilisierungsmaßnahmen mit Hilfe der drei verschiedenen Messverfahren zu überprüfen und gegebenenfalls eine Optimierung zu erreichen.

Mittelgeber:
Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Projektleitung:
Dr.-Ing. Martin Reiser

Sachbearbeitung:
Imke Wessel, M.Sc.

Projektlaufzeit:
04/2018 – 05/2020

Das EvEmBi-Projekt zielt darauf ab, verschiedene Biogasanlagenkonzepte in Europa hinsichtlich ihrer Methanemissionsfaktoren zu bewerten. Basierend auf den gesammelten Emissionsdaten werden repräsentative Emissionsfaktoren für verschiedene Anlagenkonzepte des Biogassektors für den Einsatz in den nationalen Treibhausgasinventaren entwickelt. Nach der Quantifizierung der Methanemissionen sowie der Identifizierung der Hauptquellen werden Emissionsminderungsstrategien für ausgewählte Biogasanlagen entwickelt, implementiert und überprüft. Dies trägt zur Entwicklung von Positionspapieren zu Treibhausgasemissionen und Emissionsminderungsstrategien auf nationaler und europäischer Ebene bei. Das gewonnene Wissen wird in den, im Rahmen des Projektes erarbeiteten, Schulungsworkshops an den europäischen Biogassektor vermittelt.

Mittelgeber:
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert

Sachbearbeitung:
Dipl.-Met. Angela Vesenmaier, M.Sc.
Dr.-Ing. Martin Reiser

Projektpartner:

  • Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ)
  • Fachverband Biogas (FvB)
  • Institut für Abfallwirtschaft, Universität für Bodenkultur Wien (BOKU)
  • BIOENERGY 2020+ GmbH (BE2020+)
  • Kompost & Biogas Verband Österreich (KBVÖ)
  • AAT Biogas Technology (AAT)
  • Berner Fachhochschule (FHB)
  • Genossenschaft Ökostrom Schweiz (ÖS-CH)           
  • Oester Messtechnik GmbH (Oester)           
  • Research Institutes of Sweden AB (RISE)
  • Avfall Sverige (AVS)
  • Svenskt Vatten (SV)
  • Technical University of Denmark (DTU)
  • European Biogas Association (EBA)

Projektlaufzeit:
04/2018 – 03/2021

Weltweit werden die Bereiche Landwirtschaft, Abwasserentsorgung und Abfallwirtschaft zumeist isoliert betrieben, was zu dauerhaften Nährstoffverlusten und großen Mengen an Treibhausgasemissionen aufgrund eines unzureichenden oder übermäßigen Düngemitteleinsatzes führt. Das Hauptziel des Projekts MasuceGEI ist die Entwicklung einer innovativen Methode zur Messung der Auswirkungen einer verbesserten und nachhaltigen Behandlung von Nebenprodukten aus der Kaffeeproduktion, durch die Herstellung von hochwertigen Kompost für den Einsatz auf Kaffeeplantagen in Costa Rica. Weiterhin soll der Zusammenhang zwischen der Art und Freisetzung der auf Kaffeeplantagen gebildeten klimarelevanten Emissionen untersucht werden, wobei der Schwerpunkt auf den Lachgasemissionen (N2O) liegt, da Lachgas das relevanteste Treibhausgas (GHG) in diesem Sektor ist. Heute werden die Kaffeenebenprodukte ohne Vorbehandlung auf den Plantagen ausgebracht oder auf Halden aufgeschüttet. Im Vergleich zu den, beim bisherigen Umgang mit den Nebenprodukten entstehenden Treibhausgasemissionen und anderen umweltschädlichen Auswirkungen, sollen diese reduziert werden.

Dazu finden umfangreiche Kompostierungsversuche statt, im Rahmen derer die thermophilen Abbauprozesse von Nebenprodukten aus der Kaffeeproduktion sowie beigemischter anderer organischer Abfälle untersucht und optimiert werden sollen. Dabei wird das Ziel verfolgt einen nährstoffreichen Kompost zu erzeugen, der auf Kaffeeplantagen als Bodenverbesserer eingesetzt werden kann. Parallel soll eine Modellierung der Lachgas-Emissionsraten durchgeführt werden, um die Bildung und das Verhalten dieses Gases während der Düngeperiode mit Kompost im Vergleich zu Stickstoffdüngern aufzuklären und Emissionsfaktoren (EF) zu ermitteln.

Durch den Einsatz von hochwertigem Kompost aus Nebenprodukten der Kaffeeproduktion als Düngemittel wird eine Reduzierung der N2O-, CH4- und CO2-Emissionen erwartet.  Die Verwendung von hochwertigem Kompost kann zu einer nachhaltigen Praxis für den Kaffeesektor werden, was zu einer Reduzierung des Einsatzes von Mineral- und Stickstoffdüngern führen kann. Mit diesem Ansatz kann das Recycling von Kaffeenebenprodukten zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen führen.

Mittelgeber:
Cooperativa de Caficultores y Servicios Múltiples de Tarrazú R.L. (Coope Tarrazú)

Projektleitung:
Dr.-Ing. Martin Reiser

Sachbearbeitung:
Macarena San Martin Ruiz, M.Sc.

Projektpartner:

  • Coffee Institute of Costa Rica (Icafe)
  • Coope Tarrazú, Costa Rica

Projektlaufzeit:
08/2018 – 06/2021

 

Ausbreitung von Emission auf einer Fläche (c)
Ausbreitung von Emission auf einer Fläche

Abgeschlossene Forschungsprojekte

Biogasanlagen emittieren Methan, hauptsächlich durch Leckagen, Über-/Unterdrucksicherungen, Gasleitungen oder offene Gärrestlager. Um aktiv zum Klimaschutz beitragen zu können, ist es essentiell notwendig die Treibhausgasemissionen dieser Quellen zu quantifizieren. Derzeit gibt es keine europaweit einheitliche Methode um die Gesamtemissionen von Biogasanlagen zu bestimmen. Ziel des Projektes ist es, die jeweiligen nationalen Versuche zur Quantifizierung der Emissionen zu einem allgemein geläufigen Verfahren zu harmonisieren.
In Europa gibt es keine Emissionsregulierung für diffuse Methanemissionen. Methan ist allerdings ein wirkungsvolles Treibhausgas, dessen Emission sich auf den Klimawandel auswirken kann. Für Lebenszyklusanalysen (LZA) werden üblicherweise geschätzte Standardwerte verwendet. Es gibt nationale Versuche um die totalen Methanemissionen an Biogasanlagen zu ermitteln. Die genaue Quantifizierung der Emissionen an Biogasanlagen ist eine beachtliche Herausforderung, da die Emissionen sehr heterogen und zeitabhängig auftreten können.
Man unterscheidet in drei Hauptquellen: Leckagen, Flächenquellen (offene Gärrestlager) und Abgas/Abluft. Vor Ort (Onsite) Messungen legen den Fokus meist auf eine dieser Quellen, während Fernerkundungsmessungen die Gesamtemissionen abdecken. Die verschiedenen Messmethoden in Europa sind noch nicht standardisiert. Die Methanverluste sind direkt mit der ökonomischen und ökologischen Anlagenbilanz gekoppelt, die nur durch eine verifizierbare Quantifizierung gefestigt werden können. Darüber hinaus gibt die Evaluation der Umwelteinflüsse von Biogasanlagen die Möglichkeit das Ansehen von Bioenergie in der Öffentlichkeit zu erhöhen, vor allem da Energiepflanzen als Substrat eingesetzt werden.
Mithilfe simultaner Versuchsdurchführungen aller Messteams aus dem Konsortium wurden in zwei Messkampagnen die verschiedenen Messmethoden evaluiert und anschließend harmonisiert. Anhand eines Leitfadens sollen zukünftig Methanemissionen aus Biogasanlagen europaweit vergleichbar quantifiziert werden können.

Mittelgeber:
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft

Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert

Sachbearbeitung:
Dr.-Ing. Martin Reiser
Dipl.-Met. Angela Vesenmaier, M.Sc.

Projektpartner:              

  • Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ)
  • Institut für Abfallwirtschaft, Universität für Bodenkultur Wien (BOKU)
  • Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)
  • Energiforsk – Swedish Energy Research Centre (EF)
  • Research Institutes of Sweden (RISE)
  • JOANNEUM RESEARCH FORSCHUNGSGESELLSCHAFT MBH (JR)
  • Avfall Sverige (AS)
  • Technical University of Denmark (DTU)
  • Boreal Laser Inc. (Boreal)
  • Bioenergy 2020+ GmbH
  • National Physical Laboratory (NPL) (Unterauftrag)                       

Projektlaufzeit:
05/2017 - 02/2018

Etwa 40 % der jährlich anfallenden Menge an Hausmüll werden vor ihrer Deponierung in einer mechanisch-biologischen-Abfallbehandlungsanlage aufbereitet. Das bei der biologischen Behandlung entstehende Abgas ist schadstoffbelastet und muss die Anforderungen der 30. Bundes-Immissionsschutzverordnung erfüllen. Als Standardverfahren hat sich die regenerative-thermische Oxidation etabliert. Aufgrund dieses energieintensiven Verfahrens werden bis zu zwei Drittel des spezifischen Energiebedarfs nur für die Abgasreinigung aufgewendet. Im Rahmen der Forschungsvorhaben EnAB und EnAB II wurde das Ziel verfolgt den Energieverbrauch von mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen zu reduzieren. Im Zuge umfangreicher Monitoringphasen konnten die entstehenden Abgase charakterisiert werden. Die detaillierte Kenntnis der Abgaszusammensetzung ist wichtige Grundlage zur Optimierung der Abgasreinigungstechnologie.

Aus den Erkenntnissen wurde ein Leitfaden zur energieeffiziente Abluftbehandlung in mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen erstellt.

Mittelgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert

Sachbearbeitung:
Leonie Wittmann, M.Sc.
Dr.-Ing. Martin Reiser

Projektpartner:

  • Institut für Aufbereitung und Recycling (I.A.R.), RWTH Aachen
  • Materialkreislauf- und Kompostwirtschaft GmbH & Co KG (MKW), Großefehn
  • PlasmaAir AG, Weil der Stadt

Projektlaufzeit:
08/2012 - 07/2015
11/2015 – 02/2018

Energieeffiziente Abluftbehandlung

Ziel des Projekts war die Untersuchung der Möglichkeit der Verkürzung der kostenintensiven Nachsorgezeit. In der Regel muss eine stillgelegte Deponie jahrzehntelang überwacht werden. Auf einem Abschnitt der Deponie Dorfweiher im Landkreis Konstanz wurde über drei Jahre ein Verfahren der Universität Stuttgart zur Beschleunigung des biologischen Abbaus des abgelagerten Materials getestet. Im Rahmen der Untersuchung wurden über 90 Belüftungslanzen dem Deponiekörper Luftsauerstoff zugeführt. Dafür wurde ein seit 2003 stillgelegter Deponieabschnitt von 1,2 Hektar in bestimmten Intervallen belüftet und das Sickerwasser rückgeführt. Ein Oberflächenfilter zur Methanoxidation wurde auf die Deponie aufgebracht.

Mittelgeber:
Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Projektleitung:
Dr.-Ing. Martin Reiser

Sachbearbeitung:
Dr.-Ing. Martin Kieninger
Dr.-Ing. Daniel Laux
Dipl.-Ing. Matthias Rapf

Projektpartner:
Ingenieurgesellschaft Lhotzky und Partner, Braunschweig

Projektlaufzeit:
2009 - 2014

Kontakt

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Dr.-Ing.

Martin Reiser

Arbeitsbereichsleiter "Emissionen" (EMS)

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