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10. Januar 2023

Stausee

Methanemissionen aus Stauseen reduzieren

In Stauseen lagern sich nicht nur vermehrt Sedimentschichten aus Materialien wie Kies oder Sand, sondern auch aus organischen Bestandteilen wie Blättern an. Durch den Abbau dieser organischen Stoffe entstehen teils erhebliche Mengen des Treibhausgases Methan. Damit dieses nicht in die Atmosphäre entweicht und dem Klima schadet, haben die TH Köln, die Universität Koblenz-Landau und die D-Sediment GmbH einen Prototyp zur Methangasernte weiterentwickelt. Mit Hilfe des optimierten Verfahrens lässt sich nun mehr als doppelt so viel Methan aus Stauseen entnehmen wie bisher und gleichzeitig die Stauraumverlandung beheben.

«Stauseen sind nicht nur fĂŒr die Trink- und Brauchwasserversorgung relevant, sondern dienen auch dem Hochwasserschutz sowie der Energieerzeugung und stellen wichtige LebensrĂ€ume dar», sagt Prof. Dr. Christian Jokiel vom Labor fĂŒr Wasser und Umwelt der TH Köln. «Das Absperren von FliessgewĂ€ssern unterbindet jedoch den natĂŒrlichen Transport des Sediments und es kommt zur sogenannten Stauraumverlandung: Sedimente lagern sich vor Absperrbauwerken ab. Dadurch verringert sich nicht nur das Stauvolumen, durch den Abbau von organischem Material im sich anhĂ€ufenden Sediment entsteht zudem das Treibhausgas Methan, das bis zu 80-mal so klimaschĂ€dlich ist wie Kohlenstoffdioxid.»

Um die Verlandung und die Methanemissionen zu reduzieren, hat das Projektteam die Wupper-Vorsperre nördlich von HĂŒckeswagen untersucht und dort einen Prototyp zur Gasernte getestet. «Die Vorsperre mit ihrem Volumen von 307 000 Kubikmetern gibt jĂ€hrlich so viele klimaschĂ€dliche Treibhausgase ab wie ein Pkw auf anderthalb Millionen Fahrkilometern», erklĂ€rt Mara Offermann, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Labor fĂŒr Wasser und Umwelt der TH Köln. Zudem habe die Analyse ergeben, dass bei höheren Temperaturen deutlich mehr Methan freigesetzt werde. Mit Blick auf steigende Temperaturen durch den Klimawandel sei daher in Zukunft mit vermehrten Methangasemissionen aus StaurĂ€umen zu rechnen.

 

Neuer Saugkopf und 3D-gedrucktes Schwimmerventil

Bei der Entwicklung des Prototyps konnte das Team auf Ergebnisse aus dem VorgĂ€ngerprojekt MELIST zurĂŒckgreifen. Dabei ist ein Hochdrucksauger entstanden, der an einer schwimmenden Plattform installiert ist – der sogenannte Saugkopf. Dieser löst die Sedimente, wodurch Methangas freigesetzt, aufgefangen und abgesaugt wird. Das Wasser-Sediment-Gas-Gemisch wird auf der Plattform getrennt und das Gas durch eine Vakuumpumpe abgesaugt. Anschliessend kann das Sediment dem FliessgewĂ€sser unterhalb des Staudamms wieder zugefĂŒhrt werden.

«Diesen Ansatz, der schon in MELIST zu guten Ergebnissen gefĂŒhrt hat, konnten wir nun weiter verbessern», so Offermann. «Dazu haben wir das bereits bestehende System um einen neuen Saugkopf, der die Sedimentverlagerung erleichtert und das Gas effektiver aufnimmt, sowie ein 3D-gedrucktes Schwimmerventil ergĂ€nzt. Das Ventil ermöglicht in Kombination mit einem Überlauf, dass sich das System selbst reguliert, wodurch der Strombedarf reduziert wird.» DarĂŒber hinaus seien weitere Bestandteile wie Pumpen und die Steuerung optimiert worden.

Methanernte pro Betriebsstunde mehr als verdoppelt

Durch die Umbauten sei der Prototyp jetzt deutlich effizienter, sagt Offermann: «Wir haben insgesamt drei Modellmassnahmen an der Wupper-Vorsperre durchgefĂŒhrt, in denen wir den Prototyp jeweils zwei bis drei Wochen getestet haben. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten wir durch unsere Verbesserungen am Prototyp die Gasernte pro Betriebsstunde von 41 Litern auf ein Gasvolumen von 96 Liter pro Stunde steigern.»

In zwei weiteren aktuell laufenden Forschungsprojekten arbeitet das Team des Labors fĂŒr Umwelt und Wasser der TH Köln derzeit an Lösungen zur Gasspeicherung und -verwertung sowie der Automatisierung der Plattform. Damit soll zum einen Methan als Ressource zur Stromversorgung zugĂ€nglich und zum anderen der Prototyp selbst energiesparender und damit effektiver gemacht werden.

Über die Projekte

Die Projekte «Analyse des Emissionsminderungspotenzials des modifizierten ,RemoGas‘-Verfahrens zur Methanernte wĂ€hrend der Sedimentremobilisierung in wasserwirtschaftlichen StaurĂ€umen» und «Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur Methangaselimination aus wasserwirtschaftlichen StaurĂ€umen bei der Umlagerung von Sedimenten» wurden von Prof. Dr. Christian Jokiel vom Labor fĂŒr Wasser und Umwelt der TH Köln geleitet. Projektpartner waren das Institut fĂŒr Umweltwissenschaften der UniversitĂ€t Koblenz-Landau und die D-Sediment GmbH. Die Projekte wurden von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit rund 470 000 Euro gefördert.

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