Präzises mobiles Spurenlesen zur Emissionsminderung

Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, die Methan-Emissionen in den Sektoren Landwirtschaft, Abfall und Energie besser zu erfassen und weiter zu reduzieren. In diesem Zusammenhang riefen unter Koordination der DBI – Gas- und Umwelttechnik das Fraunhofer Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM, Micro-Hybrid Electronic und fiberware ein Forschungsprojekt zur hohlleiterbasierten Spurengasanalyse von Methan ins Leben. Dabei soll ein mobiles Kompakthandgerät entstehen, das Methanemissionen mit einer bislang nicht möglichen Präzision ermittelt. Das Projekt wird im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme KMU-innovativ: Ressourceneffizienz und Klimaschutz (kurz: HLSG-CH4) über drei Jahre hinweg gefördert.

In der Methanstrategie kündigt die Europäische Kommission neben Vorschriften zur Messung und Berichterstattung von Methan-Emissionen auch Maßnahmen zur besseren Erkennung und Reparatur von Leckagen in der Gasinfrastruktur an. Daher werden die Partner des Projekts HLSG-CH4 ein hohlleiterbasiertes Verfahren und ein Sensorsystem entwickeln, das die Erfassung kleiner Methanlecks und flächiger anthropogener Methangasemissionen ermöglicht. Dieses neue Messsystem soll sicher und selektiv Änderungen der Methankonzentration in der Atmosphäre im Spurenbereich ab 100 Teile pro Milliarde detektieren. Die Innovation unseres Forschungsprojekts liegt in dem integrativen Ansatz, einen Hohlleiter und Resonator geometrisch und messtechnisch so zu adaptieren, dass ein mobiles kompaktes Messsystem entsteht, so Projektleiter Dr. Robert Manig der DBI Gruppe. Anwendung soll diese Messtechnik im Kontext der Emissionsminderung in der aktuellen Erdgastechnik und im wachsenden Biomethanmarkt finden. Dr. Tobias Baselt, der die Forschungsgruppe des Fraunhofer AZOM anleitet, fügt hinzu: Das System soll es zeitaufgelöst ermöglichen, Methan-Spurengasemissionen zu erfassen, um Quellen zu charakterisieren und Prioritäten für gezielte Maßnahmen der Emissionsminderung setzen zu können.

Hintergrund der Spurengasanalyse: Neben Kohlenstoffdioxid ist Methan das bedeutsamste Treibhausgas, dessen Konzentration in der Atmosphäre jährlich mit zuletzt wachsender Dynamik ansteigt. Vor allem die Landwirtschaft, der Bergbau sowie die Öl- und Gasförderung setzen Methan frei. Ebenso können Biogasanlagen ungewollte Emissionen verursachen. Im Gegensatz zu großen Flächen, auf denen Methan als Spurengas austritt, lassen sich Methankonzentrationen nahe der Explosionsschwelle mit verschiedenen Messsystemen mit herkömmlichen Sensoren selektiv mobil erfassen. Es ist absehbar, dass ab 2023 Gasversorger europaweit gesetzlich bedingt zu Emissionsmessungen an Gasanlagen verpflichtet werden. Insbesondere Verdichter oder Kompressoren sind hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens bisher nur mit extrem hohem Aufwand kontrollierbar. Dazu sind Messungen unterhalb von einem Teil pro Million notwendig. Bislang fehlt es jedoch an passenden technischen Geräten.

Aufgaben der Projektpartner:

DBI – Gas- und Umwelttechnik GmbH: Projektleitung und Koordination, Definition von gerätetechnischen Anforderungen aus Anwendersicht, Messtechnische Begleitung der Geräteentwicklung sowie Prototypentest im Feldeinsatz bei der Wartung von Gasanlagen im Biogassektor und Validierung des neuartigen Messkonzeptes im akkreditierten Prüflabor.

Das Fraunhofer AZOM: Hohlleitercharakterisierung, Cavity-Ring-Down Technologien, Kopplungsmechanismen zwischen Hohlfaser und Strahlquellen sowie -empfänger und Mechanische Konstruktion des Gesamtsystems.

Micro-Hybrid Electronic GmbH: Entwicklung, Charakterisierung, Anbindung und Steuerung der IR-Lichtquellen sowie der IR-Detektoren, Optoelektronik, Kalibrierung des Systems und Gesamtsystemelektronik.

fiberware – Generalunternehmen für Nachrichtentechnik GmbH: Entwicklung des Hohlwellenleiters und Unterstützung des Verbundes bei der Integration des Hohlleiters in das Gesamtsystem.

https://www.iws.fraunhofer.de/