Quantifying Natural CO2 Emissions from Mofettes at the Starzach Site in Southwest Germany with a Low-Cost Sensor Network

Abstract

The natural carbon dioxide (CO2) degassings at the Starzach site near the Black Forest in southwestern Germany are recovering from a century of industrial exploitation. CO2 of presumably non-volcanic magmatic origin is released into the atmosphere via a cluster of mofettes of different sizes or diffusively through the soil, in patterns following a geological fault line running from southwest to northeast. Since the end of the industrial mining period in 1995, no comprehensive estimation of the total degassing rate at the site is available. This work presents three independent quantification approaches for the core Starzach mofette area (20 m × 20 m) with a focus on cost-effectiveness, each addressing a specific spatial scale: Degassing quantification of the most active mofette via volumetric flow rate measurement (465 kg/d ±16%, roughly extrapolated to other mofettes in the core Starzach mofette area: ∼1500 kg/d), near-surface flux-gradient method validated by eddy covariance (EC) measurements (max. 25 mg/m²/s, areal extrapolation: ∼900 kg/d), and a custom divergence-theorem based method deriving CO2 transport vectors from cross- correlations between atmospheric point measurements across the site (3266 kg/d ±42%), which is considered the most representative of the three due to its spatial coverage. Based on this, it is suggested that including other visible mofettes and abandoned boreholes within around 100 m distance brings the total CO2 emission of the Starzach site to an order of magnitude of roughly 10 t/d. All techniques utilized low-cost equipment, with CO2 sensors priced well below 100 € per piece, and were embedded in a wireless sensor network that enabled real-time remote monitoring. Low-cost equipment proved to be sufficiently accurate for emission quantification at the Starzach site. The difference between the results of the three employed methods demonstrates the importance of a hierarchical measurement approach covering different spatial scales as suggested by Sauer et al. (2013) because cross-validation becomes possible.

Nach einer langen industriellen Förderperiode im letzten Jahrhundert nehmen die natürlichen Kohlenstoffdioxid (CO2 )-Emissionen an den „Starzacher Kohlensäurequellen“ nahe des Schwarzwaldes im Südwesten Deutschlands wieder zu. Das Gas gilt als nichtvulkanisch-magmatischen Ursprungs und tritt in Starzach durch Mofetten oder diffus durch den Boden entlang einer linienförmigen, südwestlich-nordöstlich verlaufenden, geologischen Störung an die Oberfläche. Seit dem Ende der industriellen Förderung in 1995 gibt es dort keine umfassende Messung oder Abschätzung der gesamten CO2 -Ausstoßrate. Diese Arbeit stellt drei unabhängige, kostengünstige Quantifizierungsansätze für das Starzacher Kernmofettengebiet (20 m × 20 m) vor, die jeweils unterschiedliche Raumskalen abdecken: direkte Ausstoßmessung der aktivsten Mofette durch Volumenflussmessung (465 kg/d ±16%, geschätzte Hochrechnung auf die Mofetten im Kerngebiet: ∼1500 kg/d), bodennaher Gradientenansatz validiert mit Eddy-Kovarianzmessungen (max. 25 mg/m²/s, auf Kerngebiet extrapoliert: ∼900 kg/d) und eine neuartige Methode, bei der CO2-Transportvektoren aus Kreuzkorrelationen zwischen atmosphärischen Konzentrationsmessungen abgeleitet und mithilfe des Gaußschen Integralsatzes kumuliert werden (3266 kg/d ±42%). Aufgrund der größeren räumlichen Abdeckung wird die letzte Methode als die repräsentativste der drei angesehen. Basierend darauf wird der CO2-Ausstoß zusammen mit anderen sichtbaren Mofetten und den übrigen ehemaligen Förderbrunnen im Abstand von etwa 100 m auf rund 10 t/d geschätzt. Für alle drei Methoden wurden kostengünstige Sensoren (unter 100 € pro Stück) verwendet und in ein kabelloses Netzwerk integriert, was Echtzeitüberwachung ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass die Präzision kostengünstiger Sensorik für die CO2-Quantifizierung in Starzach ausreichend ist. Die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der drei Methoden zeigt die Wichtigkeit eines hierarchischen Messansatzes und der Abdeckung mehrerer räumlicher Skalen, wie von Sauer u. a. (2013) motiviert, damit Kreuzvalidierungen möglich werden.