Spezielle Sensoren erfassen Methanwolken bei klarem Wetter nahezu lückenlos

Wie genau können Satelliten Methan aufspüren? Ein internationales Forschungsteam hat Messungen von Weltrauminstrumenten ausgewertet, die im Rahmen eines einjährigen, von der Stanford Universität geleiteten Experiments kontrollierte Methanausstöße erfassten. Die Ergebnisse können helfen, bedeutende Methanquellen zu identifizieren, Lecks zu schließen und die Emissionen des potenten Treibhausgases zu verringern.

Pressemitteilung der Stanford Universität mit einer Ergänzung des Max-Planck-Instituts für Chemie

• In einem einjährigen Test haben Forschende satellitengestützte Methan-Messsysteme auf die Probe gestellt. Als Vergleich dienten hunderte gezielt freigesetzte Gaswolken in der Sonora-Wüste in Arizona.
• Bei klarem Wetter entdeckten spezielle Methansensoren 92 bis100 Prozent der Testwolken. Umgerüstete Messinstrumente kamen auf Trefferquoten zwischen 62 und 88 Prozent, universelle Bodenscanner auf 29 bis 37 Prozent.
• KI-gestützte Auswertungen produzierten in der Studie 79 Prozent Fehlalarme. Die gewonnenen Daten könnten jedoch helfen, diese Technologien zukünftig zuverlässiger zu machen.

Forschende wiesen im bislang größten kontrollierten Test zur Methanüberwachung aus dem Weltraum nach, dass spezielle Sensoren Methanwolken bei klarem Wetter nahezu lückenlos erfassen. Die am 14. Oktober in Nature veröffentlichten Ergebnisse setzen einen Maßstab für Satellitensysteme, die von Aufsichtsbehörden, Umweltverbänden und Unternehmen zunehmend genutzt werden, um Lecks und große Methanquellen aufzuspüren.

„Jahrelang herrschte erhebliche Skepsis, ob sich Methan aus dem Weltraum überhaupt zuverlässig überwachen lässt. Das Gas per Satellit nachzuweisen, ist technisch äußerst anspruchsvoll", sagt Adam Brandt, leitender Autor der Studie und Professor für Energiewissenschaften und -technik an der Stanford Doerr School of Sustainability. „Unsere Ergebnisse sollten Aufsichtsbehörden, Politik, Methanproduzenten und der Bevölkerung Vertrauen in die Satellitenüberwachung geben.“

Überprüfung von Satellitenbeobachtungen und Algorithmen

Gemeinsam mit der Doktorandin und Erstautorin Frances Reuland führte das Team um Brandt 481 kontrollierte Methanausstöße an einem Forschungsstandort der Stanford Universität in Casa Grande in Arizona, USA, durch. Die Versuche waren zeitlich auf die Überflüge von elf staatlichen, gemeinnützigen und kommerziellen Satelliten im Jahr 2025 abgestimmt.

Die Beobachtungen wurden unabhängig voneinander von fünfzehn Forschungsteams aus Unternehmen, gemeinnützigen Organisationen, Regierungsbehörden und Hochschulen in neun Ländern ausgewertet. Sie prüften, ob auf dem jeweiligen Satellitenbild eine Methanwolke zu sehen war und schätzten, wenn ja, wie viel Methan ausgetreten war.

Die Studienautorinnen und -autoren verglichen die geschätzten Mengen anschließend mit den bekannten Emissionsmengen. Am besten schnitten Instrumente ab, die speziell für die Methanüberwachung entwickelt wurden. Sie erkannten 92 bis 100 Prozent der Testwolken korrekt.

Über- und unterschätzte Methan-Emissionen glichen sich weitgehend aus

Die meisten Schätzungen wichen zwar um bis zu 50 Prozent nach oben oder unten von den tatsächlichen Emissionsmengen ab. Im Durchschnitt glichen sich die Über- und Unterschätzungen jedoch weitgehend aus. Nach Meinung der Studienautorinnen und -autoren sind die Satellitendaten damit zuverlässig genug, um große Leckagen für weitere Untersuchungen zu kennzeichnen, die regionalen Treibhausgasinventare der Behörden zu ergänzen und die Emissionsintensität verschiedener Öl- und Gasregionen zu bewerten. Ein Treibhausgasinventar ist die systematische Erfassung und Bilanzierung aller Treibhausgasemissionen und -senken

Bei einem Ausstoß von rund 50–200 Kilogramm Methan pro Stunde und unter idealen Bedingungen, also bei geringer Bewölkung und mäßigem Wind, erkannten die Instrumente die Methanfahnen zuverlässig. Diese Emissionsrate liegt nahe an dem Schwellenwert von 100 Kilogramm pro Stunde, ab dem im Rahmen einiger bundesstaatlicher und nationaler Programme für „Großemittenten“ Überprüfungen ausgelöst werden.

Satellitengestützte Überwachungssysteme erkennen Methan mithilfe von Infrarotlicht, das von der Erdoberfläche reflektiert wird. Weil sie auf reflektiertes Sonnenlicht angewiesen sind, hatten selbst die Spezialinstrumente der Satelliten GHGSat und Tanager-1 Schwierigkeiten, Methanwolken durch Wolken hindurch zu erkennen.

In kalten, bewölkten Regionen stoßen die Methan-Analysesysteme an ihre Grenzen

In einigen Regionen, in denen Methan viel Methan freigesetzt wird, stellt das laut den Autoren ein Problem dar. Zu den Regionen zählen tropische Öl- und Gasförderländer wie Nigeria und Venezuela sowie Gebiete mit kaltem, bewölktem Klima wie Kanada und Russland. Es seien weitere Untersuchungen erforderlich, um zu verstehen, wie diese Satellitensysteme und Algorithmen über nicht-wüstenartigem Gelände, unter verschiedenen Wetterbedingungen und über offenem Wasser funktionieren.

Bei klarem Himmel über dem Testgelände in Casa Grande erkannten die für die Methanmessung umfunktionierten Instrumente, wie beispielsweise das deutsche Umweltüberwachungs- und Analyseprogramm EnMAP, 62 bis 88 Prozent der Methanwolken. Allzwecksysteme zur Landbeobachtung an Bord von US-amerikanischen und europäischen Regierungssatelliten erkannten lediglich 29 bis 37 Prozent. Besonders bei Emissionen unter 1.000 Kilogramm pro Stunde waren sie fehleranfällig.

Landbeobachtungssysteme hingegen erfassen nicht genug Spektraldaten, um Methan eindeutig zu erkennen. Die mit ihnen erzielte großflächige Abdeckung und die Archivdaten bleiben dennoch wertvoll, da sich daran langfristige Trends dokumentieren und große Leckagen erkennen lassen.

Chance zur Verbesserung der KI-gestützten Methanüberwachung

Um zu überprüfen, ob die Systeme fälschlich Lecks melden, stellten die Forschenden den Analyseteams Daten von 265 Überflügen zur Verfügung, bei denen kein Methan freigesetzt wurde. Fehlalarme traten bei den meisten Methoden relativ selten auf. Eine Ausnahme waren Analysen mit neuen Ansätzen der künstlichen Intelligenz (KI). Laut der Studie wurden 79 Prozent der Fehlalarme von Teams ausgelöst, die Daten staatlicher Landbeobachtungssatelliten mit KI ausgewertet hatten. Die neuen Daten aus den Experimenten in Casa Grande können laut den Forschenden dabei helfen KI-Basierte Auswertungen zu verbessern. „Mit dieser Studie haben wir um ein Vielfaches mehr Datenpunkte aus kontrollierten Quellen als je zuvor, um die Methanerkennung vom Weltall aus zu testen“, sagt Erstautorin Reuland.

Reale Emissionen im Test nachgestellt

Am Forschungsstandort leiteten die Forschenden komprimiertes Erdgas, das größtenteils aus Methan besteht, durch einen Abgasschornstein und stellten die Emissionsraten so ein, dass sie Punktquellen wie Deponien sowie Öl- und Gasanlagen annähernd entsprachen.

Die Freisetzungen wurden online gesteuert, dauerten 8 bis 10 Minuten und reichten von etwa 10 bis 1.200 Kilogramm Methan pro Stunde. Über die Gesamtdauer des Experiments hinweg setzte das Team weniger als 50 Tonnen Methan frei. Das entspricht den jährlichen Emissionen einer Herde von etwa 500 Milchkühen oder rund 13 Sekunden der weltweiten Methanemissionen aus fossilen Brennstoffen.

„Wir hoffen, dass unsere Erkenntnissen die Debatte um Methanemissionen zu verändern: Es sollte nicht mehr darum gehen, ob diese Systeme funktionieren, sondern darum, wie und wo sie am wirksamsten eingesetzt werden können, um weltweite Methanminderungen voranzubringen, auch unter Berücksichtigung algorithmischer Kompromisse“, schreiben Reuland und ihre Mitautoren.

Gründe für das Schließen von Methanlecks

Die Reduktion der weltweiten Methanemissionen bildet einen Schwerpunkt internationaler Bemühungen, um den globalen Temperaturanstieg zu bremsen. Während Kohlendioxid langlebiger ist, hält Methan die Wärme in den ersten 20 Jahren rund 80-mal stärker in der Atmosphäre zurück. Damit beeinflusst es die globalen Temperaturen der nahen Zukunft überproportional.

Wenn Lecks in Öl- und Gasanlagen repariert und das absichtliche Ablassen von Methan erkannt und gestoppt werden kann, sinken die Emissionen. Das hilft nicht nur dem Klima: Günstige Reparaturen an Öl- und Gasanlagen können Unternehmen auch finanziell belohnen, weil weniger verkaufbares Gas verloren geht, so die Forschenden.

„Außerdem geht es um Sicherheit: Methan ist brennbar und trägt zur Bildung von bodennahem Ozon bei, das der Gesundheit schadet,“, sagt Brandt abschließend. „Es gibt also viele Gründe, die Satellitenüberwachung zu unterstützen. Sie nützt der Umwelt, den Produzenten und der Öffentlichkeit gleichermaßen.“ 

 

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Anmerkungen:

An der Studie waren Forschende der University of Michigan, Ann Arbor, der University of California, Berkeley, der University of Iowa und des Max-Planck-Instituts für Chemie beteiligt.

Brandt ist zudem Senior Fellow am Precourt Institute for Energy, das zur Doerr School of Sustainability gehört. Er gehört dem Wissenschafts- und Messausschuss von Carbon Mapper an, den Mitautor Eric Kort leitet.

Zu den Analyseteams gehörten Carbon Mapper, das International Methane Emissions Observatory (IMEO), das NASA JPL, die Space Research Organization Netherlands (SRON), die Universitat Politècnica de València, die Nanjing-Universität, die Universität Bremen, GHGSat, Google, Kayrros, Orbio Earth, Arka, Orbital Sidekick, Geolabe und Momentick.

Finanziert wurde die Studie vom Global Methane Hub, der Grantham Foundation, Saudi Aramco und dem Stanford Knight-Hennessy Scholars-Programm, dem Reuland als Stipendiatin des Jahrgangs 2023 angehörte.

Diese Arbeit wurde außerdem von der Natural Gas Initiative unterstützt, die Teil des Industriepartnerprogramms des Center for Fuels of the Future ist. Die Industriepartnerprogramme von Stanford werden durch Mitgliedsbeiträge von Unternehmen finanziert.