Globale Satelliten zur Methanüberwachung: Entwicklung und Anwendungsfälle

Methanüberwachungstechnologien basieren im Allgemeinen auf optischen, chemischen und akustischen Prinzipien und umfassen vor allem hyperspektrale Infrarot-Bildgebungsspektrometer, Wärmebildkameras, Photoionisationsdetektoren und Ultraschalldetektoren. Diese Geräte können direkt an Produktions- und Transportanlagen zur Online-Überwachung installiert oder auf mobilen Fahrzeugen wie Autos, Flugzeugen in niedriger Flughöhe oder Drohnen zur Probenahme und Analyse in einem bestimmten Gebiet montiert werden. Traditionelle Überwachungstechnologien stoßen jedoch aufgrund von Faktoren wie Personalaufwand, Kosten, Zeitaufwand und Platzbedarf an ihre Grenzen. Dadurch ist es unmöglich, kontinuierliche und nachvollziehbare Methanemissionsdaten über große Gebiete zu erfassen und großflächige Methanlecks zu erkennen. Dank der Fortschritte in der Satellitenfernerkundungstechnologie, insbesondere der hyperspektralen Bildgebung, beschleunigen Industrieländer die Forschung und Anwendung dieser Technologie zur Methanüberwachung mit dem Ziel, ein globales Methanüberwachungssystem aufzubauen.

△Zusammenfassung der Leistung der CH4-Satelliten, die ihre Mission abgeschlossen haben oder sich noch im Orbit befinden

Entwicklung globaler Methanüberwachungssatelliten

Mit der Vertiefung der Forschung zum globalen Klimawandel und der Weiterentwicklung von Technologien zur weltraumgestützten Treibhausgasmessung stieg die Anzahl der CH4-Detektionssatelliten ab 2017 rasant an. Der Start mehrerer CH4-Detektionssatelliten im kurzwelligen Infrarotbereich förderte die schnelle Entwicklung der globalen CH4-Detektion und der zugehörigen Anwendungsforschung. Nach der Unterzeichnung des Pariser Abkommens erlebte die Methan-Satellitenüberwachung eine Phase rasanter Entwicklung. Offizielle Raumfahrtagenturen wie die Europäische Weltraumorganisation (ESA), die Japanische Raumfahrtagentur (JAXA) und die Italienische Raumfahrtagentur (ASI) starteten die Satelliten Sentinel-5P, GOSAT-2 bzw. VEGA mit ihren jeweils entwickelten Spektrometern Tropomi, FTS-2 und PRISMA zur globalen Überwachung von Methanemissionen. Hinsichtlich der Leistungsindikatoren erzielten diese drei Agenturen signifikante Fortschritte bei den Schwellenwerten für die Methanemissionsüberwachung. Das italienische PRISMA-Spektrometer erreichte zudem eine deutliche Verbesserung der räumlichen Auflösung mit einer Bodenmessgenauigkeit von bis zu 30 Metern.

△Vergleichstabelle der Leistungsfähigkeit wichtiger globaler Methanüberwachungssatelliten

Fortschritte des Methanüberwachungssatelliten meines Landes

China hat zudem eine Reihe von Satelliten zur Messung von atmosphärischem Methan (CH4) gestartet. Das Treibhausgas-Überwachungsinstrument (GMI) an Bord des Satelliten Gaofen-5 (GF-5) nutzt die räumliche Heterodyn-Spektroskopie (SHS) zur Erfassung spektraler Signale im Nahinfrarot- bis Kurzwellen-Infrarotbereich (759–2058 nm). Es zeichnet sich durch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und den spiegellosen Betrieb aus. Der Spektralbereich von GMI ist vergleichbar mit dem von SCIAMACHY, und seine spektrale Auflösung entspricht der von TANSO-FTS. Dadurch kann es Konzentrationsinformationen von Treibhausgasen wie CH4 und CO2 erfassen und so Daten für die Quellen-Senken-Analyse von Treibhausgasen liefern. Der hyperspektrale Treibhausgasmonitor (GAS) an Bord des Fengyun-3D-Satelliten nutzt interferometrische Spektroskopie, um hochauflösende Spektren in vier Bandfenstern im Bereich vom nahen Infrarot bis zum kurzwelligen Infrarot zu erfassen. Diese Spektren werden verwendet, um Konzentrationsinformationen über atmosphärische Komponenten wie CH4 und CO2 zu erhalten und so die quantitative Abschätzung der Treibhausgasflüsse an der Oberfläche auf regionaler Ebene zu verbessern.

△GHGSat-Satellitenfernerkundung überwacht Methanemissionen von Öl- und Gasanlagen.

Kommerzielle Methanüberwachungssatelliten machen weiterhin Fortschritte.

Kommerzielle Satelliten zielen primär auf lokale Emissionsgebiete der Öl- und Gasindustrie ab und schätzen Emissionen durch die Erfassung hochauflösender Bilddaten. Die Entwicklung kommerzieller Satelliten hat zudem hervorragende Voraussetzungen für die lokale Überwachung von Methanemissionen geschaffen und ergänzt die globalen satellitengestützten Methan-Detektionsmöglichkeiten. Von 2016 bis 2021 startete das kanadische Unternehmen GHGSat, ein Anbieter von Treibhausgassatelliten, die Satelliten GHGSat-D, GHGSat-C1 und GHGSat-C2 und vervollständigte damit sein Netzwerk. Dadurch wurden die Nachweisgrenze für Methanemissionen und die räumliche Auflösung auf 100 kg/h bzw. 25 Meter angehoben. Dies ermöglicht die präzise Überwachung von Methanemissionsquellen wie einzelnen bodengebundenen Öl- und Gasförderanlagen und Erdgasleitungen.

Anwendungsfälle von Methanüberwachungssatelliten

Die Abschätzung globaler und regionaler Methanbilanzen trägt zu einem besseren Verständnis der Methanquellen- und -senkenverteilung bei und liefert eine Grundlage für die Bewältigung des zukünftigen Klimawandels. GOSAT-Daten werden derzeit häufig zur Abschätzung von Methanflüssen an der Erdoberfläche verwendet und unterstützen die Analyse der Methanquellen- und -senkenverteilung sowie ihrer Veränderungen auf globaler und regionaler Ebene. Sie liefern verlässliche Daten zur Bewertung der Beiträge verschiedener Sektoren zu den Methanemissionen und ermöglichen ein tieferes Verständnis der Veränderungen in der Methanquellen- und -senkenverteilung und ihrer Auswirkungen auf das Klima. TROPOMI, mit seiner höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung und dem deutlich größeren und genaueren Datenvolumen im Vergleich zu GOSAT, eignet sich hervorragend für die hochauflösende Abschätzung von Flüssen. Diese Erkenntnisse liefern wissenschaftliche Datengrundlagen für die globale Methanbilanzierung und ein besseres Verständnis der Veränderungen in der Methanquellen- und -senkenverteilung.

Satellitenbasierte CH4-Datenprodukte mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung können anthropogene CH4-Emissionsprozesse direkt abbilden. TROPOMI hat seine Vorteile bei der kontinuierlichen räumlichen und zeitlichen Erfassung für die Überwachung und Abschätzung von CH4-Emissionen unter Beweis gestellt. Seine hochpräzisen Detektionsfähigkeiten schaffen zudem die Voraussetzungen für die Überwachung und Quantifizierung regionaler CH4-Emissionen aus Flächenquellen. In Kombination mit synchron erfassten atmosphärischen CO-Konzentrationsdaten lässt sich die Stabilität lokaler CH4-Emissionen unabhängig von atmosphärischen Transportmodellen beurteilen. Die kommerziellen Satelliten der GHGSat-Serie mit hoher räumlicher Auflösung sind für die Erfassung von CH4-Punktquellenemissionen aus der industriellen Produktion konzipiert. Durch die Identifizierung feinskaliger CH4-Emissionsfahnen werden sie häufig für die lokale Emissionsüberwachung und -abschätzung eingesetzt.

Ergebnisse der globalen Verteilung der △CH4-Säulenkonzentration (XCH4)

Anwendungsfälle von Methanüberwachungssatelliten

Anthropogene CH4-Emissionen tragen maßgeblich zur globalen Erwärmung bei, und die genaue regionale CH4-Messung ist von großer Bedeutung für die Überwachung und Kontrolle anthropogener Emissionsprozesse. Die Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben mithilfe des Gaofen-5-Satelliten-GMI Informationen zum CH4-Absorptionsspektrum im 1,65-µm-Kanal gewonnen und globale Verteilungsergebnisse der CH4-Säulenkonzentration (XCH4) ermittelt, die mit denen vergleichbarer internationaler Instrumente übereinstimmen.

Das Zentrum für Satellitenanwendungen im Umweltbereich des Ministeriums für Ökologie und Umwelt führte im Herbst 2022 (1. Juli bis 30. September) mithilfe eines hyperspektralen integrierten Beobachtungssatelliten ein globales atmosphärisches CH4-Monitoring durch. Die Ergebnisse zeigten deutliche Breitengrad-Verteilungsmerkmale, und die Genauigkeit der CH4-Inversion lag im Vergleich zu den Messdaten der TCCON-Station bei unter 20 ppm. Das Leck in der Erdgasleitung Nord Stream im September 2022 erregte international große Aufmerksamkeit. Um die Entwicklung des Vorfalls zu verfolgen, setzte das Zentrum für Satellitenanwendungen im Umweltbereich des Ministeriums am 30. September den Satelliten für ein Notfallmonitoring entlang der Nord-Stream-Pipeline ein. In Zusammenarbeit mit der Universität Wuhan, der Universität Nanjing und anderen Institutionen wurden mittels Fernerkundung CH4-Emissionsanomalien identifiziert und quantifiziert. Dabei wurde eine relativ deutliche CH4-Emissionsanomalie in der Nord-Stream-2-Pipeline östlich der dänischen Insel Bornholm mit einer geschätzten Emission von etwa 70 t/h entdeckt.

△ Überwachung von CH4-Emissionsanomalien entlang der Nord-Stream-Erdgaspipeline mittels hyperspektraler integrierter Beobachtungssatelliten

Nach jahrelangem Aufbau und Entwicklung hat die Treibhausgasbeobachtung in meinem Land vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der integrierten, raum-, luft- und bodengestützten Datenerfassung gezeigt. Dies liefert nicht nur Daten und technische Unterstützung für die Luftreinhaltung und Luftqualitätsvorhersage in meinem Land, sondern trägt auch zum Aufbau einer globalen, satellitengestützten Treibhausgasbeobachtungsplattform bei. Im Zeitraum des 14. Fünfjahresplans wird mein Land seine Anstrengungen in der Forschung und Entwicklung neuer Satelliten und im Aufbau von Anwendungssystemen weiter verstärken, um seine Fernerkundungskapazitäten für die wichtigsten globalen Treibhausgase und Luftschadstoffe weiter auszubauen und Fernerkundungsdaten zur Erreichung der nationalen strategischen Ziele im Bereich der Klimaneutralität und des Klimawandels bereitzustellen.

Einige der Referenzmaterialien stammen von:

Bau der Treibhausgasbeobachtungssatelliten meines Landes und Anwendung typischer Daten

Analyse des aktuellen Status und der Entwicklungstrends von atmosphärischen Methanbeobachtungssatelliten mit dem Ziel der Klimaneutralität und der Reduzierung des CO₂-Ausstoßes in meinem Land