Überwachung von Treibhausgasen aus landwirtschaftlichen Nutzflächen

Globale Themen wie Klimawandel und Sicherheit der Energieversorgung haben zu einem rasanten Wachstum der erneuerbaren Energieerzeugung – Wind, Solar, Gezeiten, Geothermie, Hydro, Biokraftstoffe etc. getragen. Da durch jede dieser Methoden unterm Strich Treibhausgasemissionen reduziert werden sollen, sind Forscher in den Vereinigten Staaten dazu übergegangen, tragbare FTIR-Analysatoren zur Untersuchung von Produktionsprozessen für Biomasse einzusetzen. „Es wäre zwecklos Biokraftstoffe herzustellen, um den Klimawandel zu mildern, wenn der Produktionsprozess mehr Treibhausgasemissionen schafft, als mit Biokraftstoffen anstelle von fossilen Brennstoffen eingespart wurden“, erklärt Dr. Joe Storlien von der Texas A & M University Department of Soil & Crop Sciences.

Beim Anbau von Bioenergie-Pflanzen entweichen durch natürliche und verwaltete biogeochemische Prozesse aus dem Boden Treibhausgase wie Kohlendioxid, Stickoxide und Methan. Die Forscher können diese Gase in Feldstudien messen. Eine Messkammer mit bekanntem Volumen wird mit einem Band befestigt und ein Schlauch verbindet die Kammer mit einem Gasmet DX4030 Multiparameter-FTIR-Analysator, der den Anstieg der Gaskonzentration im Kopfraum der Kammer im Laufe der Zeit (GHG-Diffusion aus dem Boden) misst.

Zum Forscherteam gehörten Drs. Joseph Storlien, Frank Hons, Jason Wight und James Heilman.

Hintergrund

Die Forschung war Teil einer bedeutenden Initiative zur Ermittlung geeigneter Kulturen für die Produktion von Biokraftstoffen. Insbesondere für ertragreiche zellulosehaltige Pflanzen, die abgeerntet in hochmoderne Biokraftstoffe umgewandelt werden können. Bioenergie-Sorghum ist solch ein vielversprechender Rohstoff. Er ist kein Nahrungsmittel, kann jährlich abgeerntet werden, ist ertragreich (mehr als 10-15 Tonnen getrocknete Materei pro Morgen) bei minimalen Bodenanforderungen, besitzt als Biomasse eine für die Kraftstoff-Umwandlung geeignete chemische Zusammensetzung und erfordert relativ wenige Zugaben im Vergleich mit vielen anderen Bioenergie-Kulturen.

In den Vereinigten Staaten müssen Biokraftstoffe bestimmte Treibhausgas-Reduktionsziele nach einem Bundesmandat (Energy Independence and Security Act von 2007) erfüllen. Danach müssen Cellulose-Biokraftstoffe eine 60%ige Reduktion der Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Erdöl erreichen.

Biokraftstoff-GHG-Forschungsprojekt – Texas A & M Agrilife Research Farm

Agronomische Managementpraktiken (Düngung, Fruchtfolge, organisches Rückstandsmanagement usw.) können die Menge und Art der Treibhausgasemissionen, die dem Boden entweichen, beeinflussen. Die Forscher untersuchten daher Management-Szenarien zur Herstellung von Bioenergiepflanzen, um festzustellen, welche Szenarien die größten nachhaltigen langfristigen Erträge liefern und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen minimieren. Die Studie analysierte sowohl direkte Treibhausgasemissionen (aus dem Feldversuch selbst) als auch indirekte Treibhausgasemissionen (aus Produktion und anfallenden Arbeiten wie Bodenbearbeitung, Anpflanzung, Befruchtung, Bewässerung etc.), Kohlenstoff-Sequestration bis 3 Fußtiefe im Boden und theoretische Biokraftstofferträge aus acht verschiedenen Sorghum-Produktionsszenarien.

Die höchsten CO2- und N2O-Emissionen wurden während der Vegetationsperiode beobachtet und folgten gewöhnlich Stickstoffdüngung und / oder Niederschlags- / Bewässerungsereignissen. Allerdings beeinflusste die Fruchtfolge die kumulativen CO2- oder N2O-Emissionen nicht signifikant, während die Zurücklassung der Hälfte der Sorghum-Biomasse auf dem Feld, als organische Ergänzung, die CO2-Emissionen konsequent erhöhte.

Obwohl Restmenge und Stickstoffdüngung die geringste Treibhausgasminderung zur Folge hatten, haben die Forscher vorgeschlagen, diese als notwendige Managementpraktiken beizubehalten. Denn dadurch bleiben langfristige ökonomische Erträge und die Bodenqualität erhalten. Zur Bewertung einer optimalen Stickstoff- und Restbiomasse, bei der bei minimalen Emissionen gleichzeitig langfristig maximale Erträge erzielt werden, sind daher weitere Forschungen erforderlich.

Schlussfolgerungen, die bisher aufgezeichnet wurden. Dr. Storlien: „Die Unbefruchtete Monokultur Sorghum, bei der die Hälfte der Ernte als Pflanzennährstoffe und organische Substanzen zurückgelassen wurde, bietet die größte Gesamtproduktion der Biokraftstoffe aus der Perspektive von Nettoeinsparungen bei Treibhausgasemissionen. Um den Schädlingsbefall zu minimieren und langfristig gute Ernteerträge zu erhalten sind jedoch Fruchtfolge und Befruchtung zu empfehlen.“

FTIR Gasanalyse

In den frühen Stadien des Projektes wurde eine Gasdetektionstechnologie mit einer begrenzten Anzahl von Messgrößen eingesetzt. Nach dem Erwerb eines FTIR- Analysators wurde es jedoch auch möglich, fast jeden Parameter gleichzeitig zu messen. Zum Beispiel wurde Ammoniak in die Liste der gemessenen Verbindungen aufgenommen, um einen besseren Einblick in den Stickstoffkreislauf zu bekommen. Der für diese Arbeit ausgewählte FTIR-Analysator, der DX4030, hergestellt und geliefert von Gasmet Technologies, ist ein tragbares, batteriebetriebenes Instrument.

In der Beschreibung der Gasüberwachungsmethode erklärt Dr. Storlien: „Wir verwenden die Daten aus dem DX4030, um die Ausströmung der Treibhausgase aus dem Boden im Laufe der Zeit zu messen. Die Messungen im Feld erfolgen in etwa wöchentlich während der Vegetationsperiode und dann alle 2-3 Wochen während der Brachzeit. Am Ende eines jeden Jahres bestimmen wir die individuelle und kumulative Masse von Treibhausgasen, die aus jeder Fläche entwichen ist.“

„Alle einzelnen GHG-Messungen werden in CO2-Äquivalente umgewandelt (z. B. N2O wird mit 298 multipliziert, ihr globales Erwärmungspotential im Vergleich zu CO2), so dass wir für alle Flächen eine gleichmäßige Bewertung des gesamten globalen Erwärmungspotentials durchführen. Wir können dann die Ernteerträge durch die gesamten Treibhausgasemissionen (direkt + indirekt) teilen, um die verschiedenen Produktionsszenarien zu vergleichen und zu bewerten.“

„Neben der GHG / Nachhaltigkeitsmessung helfen uns auch die Emissionsdaten aus dem FTIR-Analysator, die Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe innerhalb der Anbausysteme besser zu verstehen.“

Der Gasmet DX4030 verwendet ein FTIR-Spektrometer, um Infrarotspektren aus jeder Gasprobe zu erhalten, indem zunächst ein Interferogramm des Probensignals mit einem Interferometer aufgenommen wird, das alle Infrarotfrequenzen gleichzeitig misst und ein Spektrum erzeugt, aus dem qualitative und quantitative Daten erstellt werden. Im Laufe der Jahre hat Gasmet eine umfangreiche Bibliothek von FTIR-Referenzspektren etabliert. Dadurch können Benutzer der Gasmet FTIR-Analysatoren diejenigen Verbindungen angeben, die sie überwachen möchten, sodass das Instrument gleichzeitig nahezu Echtzeit-Messwerte liefert. Es ist auch möglich, mit der PC-basierten Software (Calcmet) des Instruments schon erzeugte Spektren erneut zu analysieren und dabei unbekannte Gase zu identifizieren.

Weitere GHG-Anwendungen mit FTIR in der Forschung

Die Flexibilität des DX4030 war für Dr. Storlien und seine Kollegen ein erheblicher Vorteil und das Instrument wurde auch in zwei weiteren, auf Bioenergie bezogene Projekte, eingesetzt. Beide nutzten FTIR zur Messung von Treibhausgasen aus dem Boden bei Experimenten im Gewächshaus.

In einem Projekt aus der Produktion von Algenkraftstoff (Extraktion von Lipiden aus Aquakultur-Algen zur Herstellung von flüssigen Biokraftstoffen) suchen Forscher der Texas A & M University nach Möglichkeiten, das übrig gebliebene Nebenprodukt als organischen Dünger zu verwenden, da das Trockenalgen-Kupfer noch wertvolle Nährstoffe enthält. Ein Teil des Projekts war ein Gewächshaus-Experiment mit PVC-Bodensäulen, die mit ausgewählten Anteilen des Algen-Nebenprodukts und Weizenstroh gemischt wurden. In dieser Anwendung nutzten die Forscher den DX4030, um zu bewerten, wie die Zugabe des Nebenproduktes die Treibhausgasemissionen im Laufe der Zeit beeinflusst.

Der DX4030 wurde auch in einem Projekt verwendet, um festzustellen, ob ein kommerzieller Nitrifikationsinhibitor (durch reduzierte N2O-Emissionen) die Treibhausgasemissionen in Bioenergie-Sorghum-Kulturen reduzieren könnte. Eine Treibhausstudie (ähnlich der Algenstudie) diente dazu, den Nitrifikationsinhibitor mit Böden mit Stickstoffdünger und zurückgelassenem Sorghum zu testen.

Die Vorteile von Feldinstrumenten

Durch weitreichende Erfahrungen kann Dr. Storlien bestätigen, dass die tragbaren, batteriebetriebenen Instrumente, wie das DX4030, viele Vorteile bieten.

Die Fähigkeit, eine Reihe von Verbindungen gleichzeitig zu überwachen, ist ein Vorteil, der eine breite Forschungsgemeinschaft anspricht. Der Zugriff auf Live-Messungen bietet die Möglichkeit zu überprüfen, ob die Überwachung korrekt abläuft. Im Falle des DX4030 können Daten auf einem PDA, der drahtlos mit dem Gerät über Bluetooth verbunden ist, eingesehen werden. Es kann aber auch an ein Notebook/Computer angeschlossen werden.

Idealerweise sollten Feldinstrumente klein und leicht sein. Obwohl die DX4030 etwa 12 kg wiegt, benutzten die Forscher in Texas einen Wagen für den Transport auf dem Feld. Die Studien im Gewächshaus zeigten auch, wie das Instrument auf einem Tisch stehen und an die Stromversorgung für Laborstudien angeschlossen werden kann. In Texas war auch nur eine Person zur Gasüberwachung notwendig, vorher waren es zwei.

Ergebnisse an Ort und Stelle erübrigen das Sammeln von Proben und den Transport zu einem Labor für weitere Analysen. Die Texas-Forscher haben zum Beispiel alle 20 Sekunden über eine neue Messung verfügt, wodurch die Einsatzzeit halbiert und erhebliche Kosten gespart wurden.

Empfindlichkeit und Genauigkeit sind bei Gasuntersuchungen offensichtlich wichtig und diese müssen gegenüber den Gerätekosten abgewogen werden. Die Texas-Arbeiter fanden heraus, dass die Umstellung nach FTIR, sowohl hinsichtlich der Leistung, als auch der Kosten, vorteilhaft war.

Der Einsatz eines tragbaren FTIR-Instruments war eindeutig ein bedeutender Vorteil für das Projektteam in Texas. Zusammenfassend sagt Dr. Storlien: „Aufgrund der Vielseitigkeit der Gasmet FTIR glauben wir, dass es in Zukunft zahlreiche Projekte geben wird, die von dieser Technologie profitieren werden. Ich glaube wirklich, dass das Mobile-FTIR bei Forschern sehr beliebt wird. Es leistet eine hervorragedne Arbeit und hilft uns zu verstehen, wie menschliches Verhalten den Klimawandel beeinflusst. Das ist von essenzieller Bedeutung und ein wachsendes Forschungsgebiet.“