Projekt 34765/01

Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur Methangaselimination aus wasserwirtschaftlichen Stauräumen bei der Umlagerung von Sedimenten

Projektdurchführung

D-Sediment GmbH
Weberstr. 10
59368 Werne

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Stauanlagen schränken den natürlichen Sedimenttransport in Gewässern ein. Im Gewässer transportierte Sedimente lagern sich in Stauseen ab, sodass diese langfristig verlanden. So wird nicht nur die Nutzung der Stauanlagen eingeschränkt, es kommt vermehrt auch zur Emission von im Stauseesediment produzierten Methan in die Atmosphäre. Ziel dieses Vorhabens ist es, einen Prototyp zur Methanernte während einer Sedimentremobilisierung im Zuge einer Sedimentmanagementmaßnahme zu entwickeln und zu testen. Gleichzeitig wird an einem Modellgewässer ein langfristiges Emissionsmonitoring etabliert, mit dem ermittelt wird, wie langfristig die Methanemissionen aus einem Stausee mithilfe einer gezielten Gasernte verringert werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde als Modellgewässer die Wupper-Vorsperre in Hückeswagen festgelegt. Im Anschluss wurde das Emissionsmonitoring am Gewässer etabliert, die Bathymetrie ermittelt und Sedimentanalysen durchgeführt. Zwei Oberflächensedimentproben wurden chemisch analysiert, während entnommene Sedimentkerne im Labor der Universität Koblenz-Landau inkubiert wurden, um die potentielle Methanproduktion zu ermitteln. Neben automatisierten und optischen Blasenfallen wurden Temperatur- und Sauerstoff-Logger sowie ein Strömungsmessgerät im Gewässer installiert. In der Nähe des Gewässers wurde eine Wetterstation zur Aufzeichnung der meteorologischen Daten aufgestellt. Zeitgleich wurde der Prototyp im Labor für Wasser und Umwelt der TH Köln montiert und getestet.
Im Sommer 2020 und 2021 sowie im Herbst 2021 wurde die Modellanlage auf der Wupper-Vorsperre errichtet und getestet. Während des Tests wurden unter anderem die verlagerte Sedimentmenge, das entnommene Gasvolumen, sowie die Gaszusammensetzung aufgezeichnet. Außerdem wurden regelmäßig Proben aus dem Sediment-Wasser-Förderstrom sowie dem Gasförderstrom entnommen und analysiert.


Ergebnisse und Diskussion

Die bisherigen Messungen des Emissionsmonitorings an der Wupper-Vorsperre zeigen diffusive Methanemissionen von 4 bis 50 mg CH4/m²/d sowie Emissionen als Gasblasen von 16 bis 54 mg CH4/m²/d. Am Damm wurden Emissionen von 16 bis 23 mg CH4/m²/d gemessen. Die Inkubationen der Sedimentkerne im Labor haben eine potentielle Methanproduktionsrate von 20 mg CH4/l/d in den oberen 20 cm des Sedimentes ergeben. In tieferen Sedimentschichten wurde keine nennenswerte Methanproduktion im Sediment gemessen. Die weiteren erhobenen Daten werden derzeit noch ausgewertet.
Der Test der Modellanlage auf der Wupper-Vorsperre verlief erfolgreich. Insgesamt konnten in 9 Betriebsstunden 960 kg Sediment mit einem Volumen von 2,15 m³ verlagert und 410 l Gas entnommen werden. Die Messungen im Zuge des Emissionsmonitorings haben einen mittleren Methangehalt im Gas von 63,4 % ergeben. Es konnten insgesamt also 266 l Methangas entnommen werden. Dies entspricht einer Masse von 167 g Methan.
Beim Betrieb der Modellanlage haben sich verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der gesamten Anlage gezeigt. Vor allem der Saugkopf bietet in Bezug auf seine Geometrie großes Optimierungspotenzial. Die Förderpumpe im Saugkopf ist auf einer Seite platziert, sodass die Gewichtsverteilung im Saugkopf nicht gleichmäßig ist und er nicht horizontal ins Wasser gelassen werden kann. Durch die Positionierung der Pumpe war eine effiziente Sedimentverlagerung nur bei Befahrung des Sees in eine Richtung möglich. Die Platzierung der Pumpe wurde deshalb optimiert. Problematisch war außerdem, dass mithilfe des Saugkopfs nicht das gesamte aus dem Sediment entweichende Gas aufgefangen werden konnten. Größere Mengen Gas stiegen vor und hinter dem Saugkopf aus dem Wasser auf. Hier wurde die Saugkopf-Geometrie optimiert.
Durch die Optimierung des Saugkopfs konnte bei der zweiten Modellmaßnahme im Sommer 2021 eine deutlich verbesserte Methanernte festgestellt werden. Bei einer Betriebszeit von ca. 24 Stunden wurden 3100 kg Sediment mit einem Volumen von 7 m³ verlagert, dabei wurden 2360 l Gas gefördert, was mehr als einer Verdopplung der Gasförderstroms entspricht. Der mittlere Methangehalt während der Modellmaßnahme belief sich 55,7 %. Insgesamt konnte eine Methanmenge von 1322 l entnommen werden, was einer Masse von 850 g entspricht.
Die Wupper-Vorsperre ist etwa 200.000 m² groß. Ausgehend von dieser Fläche sowie einer für die Methanproduktion relevanten Sedimentschicht von 20 cm Mächtigkeit, ergibt sich ein für die Methanemissionen potenziell relevantes Sedimentvolumen von 40.000 m³. Wird das Erntepotential von 850 g Methangas aus 7 m³ verlagertem Sediment auf das potentiell relevante Sedimentvolumen extrapoliert, ergibt sich eine potentiell mögliche Methanernte von 4.850 kg Methan bzw. 417.100 kg CO2-Äquivalenten für die Wupper-Vorsperre (für eine Zeitspanne von 20 Jahren betrachtet).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Offermann, M.; Backes, L.; Marcon, L (2021): Entwicklung eines Verfahrens zur Methangaselminiation aus Stauräumen (Abstract eingereicht bei der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Limnologie e.V.; Tagung 27.09.21 – 01.10.21)
Büllesbach, S. (06. April 2020): „Hückeswagen als Versuchsobjekt – Wupper-Vorsperre ist jetzt ein Forschungsprojekt“. RP online; https://rp-online.de/nrw/staedte/hueckeswagen/hueckeswagen-wupper-vorsperre-ist-jetzt-ein-forschungsprojekt_aid-49878177 (lokaler Zeitungsartikel)
Instagram und Facebook Account der TH Köln: https://www.instagram.com/p/CEtOq3al7YC/


Fazit

Der Test der Modellanlage auf dem Modellgewässer verlief positiv. Es konnte gezeigt werden, dass eine Methanernte während einer Sedimentremobilisierung möglich ist. Der Prototyp konnte die 86-fache Gasmenge ernten, die pro Tag und Quadratmeter durchschnittlich aus der Wupper-Vorsperre emittiert werden. Der eingesetzte Prototyp bietet aber noch weiters Optimierungspotenzial.
Mit den durchgeführten Messungen konnten keine Veränderungen der Gasproduktion im Sediment nach einer Verlagerung festgestellt werden. Aufgrund der Optimierung des Prototyps sind die Ergebnisse der Modellversuche schlecht vergleichbar, daher ist eine Aussage zu einer möglichen Veränderung der Gasspeicherung im Sediment nicht möglich.