Überwachung eines Wasserkraftwerks gibt neue Einblicke in die Kohlenstoffemissionen

Die Kariba-Talsperre staut den größten künstlichen Stausee der Welt und erzeugt Strom für Millionen von Menschen in Sambia und Simbabwe. Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung an der Talsperre zeigte, wie sie die Freisetzung von Treibhausgasemissionen im Stausee und flussabwärts beeinflusst. Durch den Einsatz der YSI EXO2 Multiparameter-Sonde von Xylem zur kontinuierlichen Überwachung gewannen die Forscher neue Erkenntnisse darüber, wie Wasserkraftwerke optimiert werden können, um die Kohlenstoffemissionen zu verringern.

Die Kariba-Talsperre ist ein beeindruckendes Bauwerk. Sie befindet sich an der Grenze zwischen Sambia und Simbabwe und überspannt den Sambesi, eine der größten Wasserstraßen Afrikas. Die Talsperre ist 579 m breit, 128 m hoch und 24 m dick und bildet den Kariba-See, ein 223 km langes Wasserreservoir.

Obwohl Wasserkraft als „saubere“ Energiequelle gilt, können Wasserkraftwerke durch die Zersetzung organischer Stoffe Treibhausgasemissionen erzeugen. Wie hoch die Emissionen sind und wie sie schwanken, wurde bisher jedoch kaum untersucht.

Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) unter der Leitung von Elisa Calamita und Studienleiter Bernhard Wehrli hat sich kürzlich daran gemacht, die Treibhausgasemissionen der Kariba-Talsperre und deren Schwankungen zu messen.

„Es ist allgemein bekannt, dass Seen und Stauseen Emissionen verursachen und dass Wasserkraftwerke zu Emissionen führen können“, erklärt Scott Winton, Forscher an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien, der als Postdoc an der ETH mit Elisa Calamita zusammenarbeitete. „Es ist eine ziemliche Herausforderung, die gesamte saisonale Dynamik zu erfassen, um diese Emissionen genau abzuschätzen.“

Wissenschaftler Dr. Scott Winton

Durch kontinuierliche Überwachung anstelle von Stichproben fand das Team heraus, dass das Wasserkraftwerk der Kariba-Talsperre pro Jahr 18.000 bis 35.000 Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid freisetzt. Das Team der ETH Zürich stellte zudem enorme saisonale und sogar tägliche Schwankungen der Kohlendioxidemissionen fest. Hätte das Team nur Stichproben statt einer kontinuierlichen Überwachung verwendet, hätten ihre Berechnungen die Kohlendioxidemissionen um bis zu 30 % über- oder um bis zu 90 % unterschätzen können.

Wie kommt es zu Schwankungen bei den CO2-Emissionen?

Laut Winton zersetzt sich organisches Material, wenn es auf den Grund tiefer Seen und Stauseen sinkt, wobei Kohlendioxid (und unter anoxischen Bedingungen Methan) freigesetzt wird. Wenn das Kohlendioxid (CO2) zur Oberfläche des Sees aufsteigt, wird es in die Atmosphäre freigesetzt. Ein großer Teil bleibt jedoch in den kalten, tieferen Schichten des Gewässers gelöst.

Dieses gelöste CO2 in den kälteren, tieferen Schichten des Stausees und der flussabwärts gelegenen Wasserstraßen trägt zu den Schwankungen der Emissionen bei. Wenn sich die Temperaturen jahreszeitlich ändern, vermischen sich die Wasserschichten des Stausees, was zu enormen, kurzzeitigen Emissionen dieses lange gelösten CO2 führen kann. Wenn die Turbinen Wasser aus diesen tieferen Bereichen entnehmen, ist es zudem stärker mit gelöstem CO2 belastet.

Schwankungen können auch durch Schwankungen bei der Nachfrage verursacht werden. An der Kariba-Talsperre ist die Nachfrage der Kunden nach Strom Morgens und am späten Nachmittag am höchsten. Wenn mehr Wasser vom Stausee abgelassen wird, um die Nachfrage zu decken, können auch die Kohlenstoffemissionen steigen.

Dringender Bedarf an einer genauen Messung der Emissionen

Die Herausforderung für die meisten Forscher besteht darin, dass sie sich auf einige wenige Messungen beschränken und die Emissionen daraus extrapolieren müssen.

„Wenn man sich auf einen manuellen Prozess verlässt – und bei Gasflussmessungen sind wir darauf angewiesen – besteht das Risiko, diese Schwankungen zu übersehen“, erklärt Winton. „Was bei der langfristigen, automatisierten Datenerfassung so wichtig ist, ist die Tatsache, dass man damit saisonale Diskrepanzen und sogar tägliche Zyklen im Zusammenhang mit dem Betrieb erfassen kann, wie wir es beim Kariba-See feststellen konnten.“

Das Team warnt in Proceedings of the National Academy of Sciences vor dem potenziellen Risiko großer Ungenauigkeiten bei der Schätzung der Kohlenstofffreisetzung durch Wasserkraftwerke. Der Bericht unterstreicht den dringenden Bedarf an genaueren Bewertungen, da es weltweit mehr als 58.000 Staudämme gibt, die 5 m oder höher sind, sowie fast 3.700 Wasserkraftwerke, die derzeit gebaut werden oder sich in der Planung befinden.

Stündliche Datenerfassung mit YSI EXO2 Multiparameter-Sonden

Laut Winton war das wichtigste Instrument zur Erkennung und Quantifizierung der Emissionsschwankungen die YSI EXO2-Multiparameter-Sonden. des Teams. Fast ein Jahr lang wurden mit den Sonden stündlich Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert und gelöster Sauerstoff gemessen.

Die EXO2-Multiparameter-Sonde von YSI

„Wir hätten diese Studie ohne diese Hochfrequenzdaten nicht durchführen können“, fährt Winton fort. „Mit einem Sensor, der stündlich über einen sehr langen Zeitraum misst, kann man eine ganze Reihe von Fragen beantworten, die man sonst nicht beantworten könnte. Vor allem wenn man sich für Wasserkraft interessiert, stellen sich viele dieser Fragen mit einer sehr hohen Häufigkeit, von Stunde zu Stunde.“

Die ETH-Wissenschaftler maßen den Kohlendioxidgehalt an 17 Stellen im Sambesi, seinen Nebenflüssen und im Kariba-See. Sie entnahmen auch Wasserproben, um sie im Labor in der Schweiz auf Kohlendioxid und Methan zu analysieren. Außerdem verwendeten sie YSI-Handmessgeräte zur Messung von Temperatur, gelöstem Sauerstoff, Leitfähigkeit und pH-Wert, um den Einfluss der Nebenflüsse zu untersuchen, die Bedingungen in der Tiefe des Sees zu messen und die EXO2-Daten zu validieren.

Verhinderung der Verlagerung von CO2-Emissionen von Wasserkraftwerksdämmen

Die langfristige In-situ-Überwachung der Wasserqualität könnte ein wichtiges Instrument sein, um ein hohes Maß der Verlagerung von CO2-Emissionen aus künftigen Staudämmen zu verhindern. Laut Winton könnten Ansaugsysteme, die Wasser aus verschiedenen Schichten eines Stausees entnehmen können, eine hilfreiche Strategie zur Reduktion von CO2-Emissionen sein. Das Verständnis der Thermokline eines Stausees – der Übergangsschicht zwischen flachem, warmem Wasser und kalten, tiefen Wasserschichten – ist ein wichtiger Bestandteil dieser Strategie.

„Bei einem neuen Staudamm oder bei der Nachrüstung eines bestehenden Staudamms kann man zum Beispiel festlegen, woher das Wasser kommt“, erklärt er. „Wenn man eine Infrastruktur hat, mit der man den Sauerstoffgehalt im Tiefenwasser und im Flachwasser messen sowie die Höhe der Thermokline verfolgen kann, und wenn man dann ein Einlasssystem hat, bei dem man die Tiefe wählen kann, aus der das Wasser bezogen wird, könnte man viele dieser Probleme vermeiden.“

Die wichtigste Einsicht für Winton waren die Erkenntnisse, die man gewinnen kann, wenn man einem multidisziplinären Forschungsteam komplexe Fragen stellt.

„Wir sind nach Sambia gereist, um die Frage zu klären, wie es um die Wasserqualität in diesem Einzugsgebiet bestellt ist, welche Bedrohungen es gibt und welche Rolle die Dämme hierbei spielen“, erklärt Winton.

Die Antwort hat enorme Auswirkungen auf das Verständnis dessen, was in den Stauseen hinter Tausenden von Staudämmen geschieht, und darauf, wie Entscheidungsträger die Auswirkungen der Wasserkraft besser einschätzen können.

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Text Steve Werblow. Fotos Scott Winton und ATEC-3D Ltd.