Monitoringsysteme

Ein neues Maßsystem zur flächenhaften In-situ-Gasanalyseermöglicht, den Instrumentierungsaufwand deutlich zu reduzieren. Denkbare Einsatzbereiche sind zum Beispiel die Altlastenüberwachung oder die Kontrolle von Kohlendioxid-Untergrundspeichern.
Detlef Lazik und Jens Hagenau
Bei der Überwachung von Gasen haben sich neben traditionellen Aufgabenfeldern, wie zum Beispiel der
Überwachung von Bergwerken, Tunneln, Rohrleitungen, technischen Anlagen und Gebäuden in den vergangenen
Jahren neue, anspruchsvolle Herausforderungen an die Messtechnik ergeben.
So verdrängen In-situ-Sanierungsverfahren bei der Altlastensanierung zunehmend traditionelle Pump und andere
Technologien. Für die Steuerung und Bilanzierung des Sanierungserfolgs sowie für die Sicherheitsüberwachung
sind dabei umfangreiche Prozess begleitende Messungen nötig.
Weiterhin sind verbunden mit dem globalen Klimawandel, extensive und langfristig angelegte Beobachtungen
vor allem zur Entwicklung klimarelevanter Gase erforderlich. Sie dienen der Verbesserung der Klimamodelle und damit einer optimierten Prognose von Klima und Klimafolgen.
Eine aktuelle politische Forderung zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zielt auf die Kohlendioxid (CO2)
Umwelt Magazin Juli – August 2008 eoal fired power plant without emissions of CO2 neutrale Verstromung fossiler Energieträger.
Ein Erfolg versprechender Weg hierbei ist die CO2 Verpressung und Speicherung im Untergrund.
Die EU hat im Januar des Jahres 2008 einen diesbezüglichen Richtlinienvorschlag vorgelegt, der auch das begleitende und nachsorgende CO2 Monitoring regelt.
Anders als bei der Messung in einem gut durchmischten, homogenen Reaktor findet die In-situ-Beobachtung der
Gaskonzentrationen in einem heterogen strukturierten Untergrund mit einer zeitlich-räumlich variablen Gas-Wasser-
Phasendynamik statt. Ein repräsentativer Nachweis der in solchen Systemen möglichen, kleinräumig hochvariablen Gaskonzentrationen ist schwierig und kostenintensiv. Er bedingt einen enormen Instrumentierungsaufwand mit Feld tauglichen, Langzeit stabilen Sensoren, die wegen der benötigten großen Menge kostengünstig sein sollten und dauerhaft im Untergrundverbaut werden können.

Schlauchförmige Membran
Ein neues, am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ in Halle entwickeltes Sensorkonzept hilft, diesen
Instrumentierungsaufwand drastisch zu reduzieren.
Es nutzt die Unterschiede von Gaslösung und -diffusion in Membranen.
In deren Folge werden Konzentrationsunterschiede mit einer gasabhängigen Geschwindigkeit, das heißt
Gasselektiv, ausgeglichen. Diese Gasselektivität bedingt eine charakteristische Änderung der Molekülzahl auf beiden
Seiten der Membran, die als Volumen- oder Druckänderung gemessen wird. Definiert man zum Beispiel die Zusammensetzung des Gasgemisches innerhalb einer schlauchförmigen Membran durch ein Spül gas, so resultiert die
messbare Veränderung des Spülgasstromes aus der wechselseitigen Diffusion der Gase durch die Schlauchwandung.
Wird der Schlauch alternativ zeitweilig an beiden Enden verschlossen, führen die diffusiven Gasflüsse zu charakteristischen Druckänderungen.
Beide Varianten liegen dem neuen, international geschützten Messverfahren zugrunde, dessen gasselektive Sensorik – die Membran – über ihre Geometrie und Materialeigenschaften an die Messaufgabe angepasst werden kann.
Bislang für CO2 und O2.

Das Maßsystem ist derzeit für Kohlendioxid und Sauerstoff bis zu Labormustern qualifiziert. Die Technologie ist jedoch auch für die quantitative Analyse von Wasserdampf, umweltrelevanten Gasen wie Methan und Schwefelwasserstoff sowie organischen Schadstoffen geeignet.