Entwicklung eines Kalibrierverfahrens zur Ermittlung von Ammoniakemissionen nach Ausbringung mineralischer Düngemittel unter Praxisbedingungen (NH3-KV)
Projektdurchführung
Hochschule Osnabrück Vizepräsident für Forschung, Transfer und NachwuchsförderungAlbrechtstr. 30
49076 Osnabrück
Zielsetzung
Die Ausbringung von stickstoffhaltigen Düngemitteln ist eine der Hauptquellen für die nationalen und weltweiten Ammoniak-Emissionen. Allein deshalb ist es zwingend notwendig, möglichst einfache, kostengünstige und vor allem genau arbeitende Messverfahren zur Verfügung zu haben, um repräsentative Daten für eine Vielzahl von Regionen, Kulturen und Anbauspezifika zu erhalten. Aus diesen müssen dann robuste Emissionsfaktoren abgeleitet werden.
Ziel des Vorhabens ist die Überprüfung der „Richtigkeit“ der sogenannten „Integrated Horizontal Flux“-Methode (IHF-Methode) zur Erfassung von Ammoniak-Emissionen unter verschiedensten praxisnahen Bedingungen um dieses Messverfahren als Referenzmethode zu etablieren. Sie wird auf sogenannten „Makroplots“ eingesetzt und hat den Vorteil, dass mit betriebsüblicher Ausbringtechnik unter Praxisbedingungen gearbeitet werden kann. Sie ist als Standardmethode für vergleichende Messungen aufgrund des theoretischen Modells anerkannt, ohne dass bisher der wissenschaftlich abgesicherte Nachweis für die Richtigkeit der so ermittelten Ammoniak-Emissionen erbracht wurde. Falls dies gelingt, könnten mit der IHF-Methode die Ergebnisse anderer Messverfahren validiert und vergleichbare, sowie belastbare Ammoniak-Emissionsdaten für Deutschland erhoben werden.
Arbeitsschritte
Zunächst wurden umfangreiche Tests zur Verlässlichkeit und Genauigkeit der Messtechnik (Durchflussmesser, Waschflaschen und Windsensoren) durchgeführt. Außerdem wurden die verlustfreie Herstellung und analytische Quantifizierung der in den Freilandversuchen eingesetzten Ammoniak-Quelle evaluiert, sowie Einflussgrößen, die die Stärke der Emissionen aus den aufzustellenden Ammoniak-Quellgefäßen beeinflussen, überprüft.
Um die Zielstellung des Projekts (d.h. die methodische Richtigkeit der IHF-Methode unter verschiedenen Freilandbedingungen zu überprüfen), zu erreichen, wurden insgesamt 4 Feldversuche auf Praxisflächen durchgeführt. Dazu wurde jeweils ein Halbkreis mit insgesamt 628 Ammoniak-Quellgefäßen ausgelegt. Zu Versuchsbeginn wurden darin Ammoniaklösungen eingefüllt. Das aus diesen Gefäßen emittierende Ammoniak wurde mit Waschflaschen, die in fünf verschiedenen Höhen an einem Messmast angebracht waren, mittels angesäuerten Lösungen absorbiert. Anhand der absorbierten Ammoniak-Mengen zusammen mit den entsprechenden Windgeschwindigkeiten in den jeweiligen Höhen kann mit Hilfe des IHF-Algorithmus die Gesamtemission kalkuliert werden. Diese Gesamtemission wurde dann mit den aus den Ammoniak-Quellgefäßen ermittelten Ammoniak-Emission verglichen und eine Wiederfindungsrate berechnet.
Ergebnisse
Die Überprüfung der Messtechnik ergab geringfügige Ungenauigkeiten, sodass hier technische Korrekturen notwendig waren. Als problematisch muss die Erfassung der Windgeschwindigkeiten mittels Flügelradanemometer eingestuft werden. Dieses Beispiel zeigt, dass alle Komponenten bei der Messung regelmäßig validiert und kalibriert werden sollten.
Die Überprüfung zum Herstellungsverfahren der Ammoniak-Quelle hat gezeigt, dass dies ohne nennenswerte Verluste möglich ist und reproduzierbare Ergebnisse unter Feldbedingungen erzielt werden. Dabei hat die Größe der Schalen (also die emittierende Oberfläche) und die Form (kreisförmig versus rechteckig) einen großen Einfluss auf die Emissionsstärke. Unebenheiten bei der Aufstellung der Schalen, die zu einer Schrägstellung führen, ergeben daher größere Varianzen bei den Ammoniak-Emissionsraten. Die Wahl der Schalen sollte also gut überlegt sein.
Der erste Feldversuch konnte aufgrund des böigen Windes und der sehr niedrigen Emissionsrate nicht ausgewertet werden. Die Ammoniak-Emissionen waren sehr gering und die Ammoniak-Konzentrationen in den Waschflaschen lagen unterhalb der Labornachweisgrenze und konnten deshalb nicht quantifiziert werden. Bei den folgenden drei Feldversuchen konnten die Ammoniak-Emissionen aus den Schalen erfasst werden. Die ermittelten Wiederfindungsraten lagen dabei im Versuch 1 bei nur 55 %, im Versuch 2 bei nur 64 % und im Versuch 3 bei nur 46 %.
Da nach einer Überprüfung der Ergebnisse der diesem Versuch zugrundeliegenden experimentellen Arbeiten an der Humboldt Universität die dort ermittelte Wiederfindungsrate von 95 % auf 57 % korrigiert werden musste, liegen die in den Feldversuchen 2 – 4 ermittelten Wiederfindungsraten im vergleichbaren Bereich.
Der zusätzliche Einsatz von elektrochemischen Sensoren zur Messung der Ammoniak-Luftkonzentration zeigte vielversprechende Ansätze zur Verbesserung der IHF-Methode.
Öffentlichkeitsarbeit
Beim NH3-Workshop des staatlichen Gewerbeaufsichtsamtes in Hildesheim im Dezember 2023 wurden im Rahmen eines Vortrags die Methodik und erste Ergebnisse vorgestellt und mit den anwesenden Experten (Thünen-Institut, Umweltbundesamt, Universität Hohenheim, TNO Netherlands etc.) diskutiert.
Fazit
Die in diesem Projekt eingesetzte Methode zur Validierung der IHF-Methode führte zu reproduzierbaren Ergebnissen. Aufgrund der Ergebnisse aus den Feldversuchen ist also davon auszugehen, dass die IHF-Methode die tatsächlichen Ammoniak-Emissionen eher unterschätzt. Dies müsste in weiteren Versuchen geklärt werden. Dazu wäre es sinnvoll, wenn die in diesem Projekt eingesetzte Methode zur Validierung der IHF-Methode von anderen Arbeitsgruppen eingesetzt wird.