Greenhouse gases emissions in a semi-arid reservoir in Northeastern Brazil
Rodríguez Góngora, Maricela
Total emissions of the greenhouse gases (GHG) carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) from the Itaparica, a semi-arid reservoir, were estimated about 2.3 × 105 ± 0.75 × 105 t C yr-1 or 1.33 × 106 ± 0.45 × 106 t CO2-eq yr-1. Diffusion across the water surface was the main pathway accounting for 96 % of total carbon emissions. Ebullition was limited to littoral areas. A slight accumulation of CO2, but not of CH4, in bottom waters close to the turbines inlet led to degassing emissions about 8 × 103 t C y-1. Emissions per unit area were higher in littoral areas than in main-stream; however deeper waters contributed to 55 % of the total carbon emissions due to the larger surface coverage (72 %). Compared to other electricity sources, Itaparica would emit about 42 % of the total C-CO2-eq (GWP100) per kWh generated from natural gas and 19 % from diesel or coal power plants. Retention time and benthic metabolism were identified as main drivers for CO2 and CH4 emissions in littoral areas, while water column mixing and rapid water flow are important factors preventing CH4 accumulation and loss by degassing of water passing the turbines.
Incubation experiments with sediments of three distinct depth locations of the Itaparica reservoir were conducted to analyze the simultaneous impact of rising temperature and carbon and nutrient additions on methane production (MP). Maximal MP (4.2 µmol g d.w.-1 day-1), was observed under carbon addition, mean MP was about onefold higher with carbon amendments with respect control, independent of temperature. The enhancing effect of carbon additions on MP manifested differently at the three locations, MP was greater in upper (0-4 cm) sediment layers of the profundal location, while in littoral and intermediate locations MP was higher in deeper (4-8 cm) sediment layers. Positive effects of warming were more frequently observed in the absence of a carbon amendment. MP in littoral sediments increased when warming and nitrogen additions were combined. These results suggest, that the combined effect of warming and eutrophication will increase the MP and methane emissions potential in this semi-arid reservoir, particularly in littoral areas, which are prone to warming and terrestrial carbon and nutrient inputs as consequence of climate and land use changes.
Emissions of GHG from deep and shallow waters and outflow in turbines of Itaparica were used to model total emissions along the operation time of the reservoir under fluctuating water level conditions. The model included three different scenarios i.e.: mean (mean emission rates and shallow areas < 5 m depth); pessimistic (maximal rates, shallow areas < 6 m depth), and optimistic (minimal rates, shallow areas < 4 m depth). Correspondent economical costs of GHG emissions were estimated using the social cost of carbon and of the electricity generation cost. During high water level periods total GHG emissions increase accordingly with water surface area and water volume discharged through turbines. However, higher energy densities reached under full installed capacity, entail lower CO2-eq per kWh generated. Even under the pessimistic scenario maximum emissions were below the range proposed for tropical reservoirs. In contrast, during long drought periods, the low electricity generation capacity of the dam may not compensate for the emitted GHGs, reducing the carbon credentials of this hydropower reservoir.
Environmental measures to decrease and prevent raises of GHG emissions from the Itaparica reservoir include prevention of water eutrophication, maintain a constant and natural flow of water to allow water mixing and oxygenation of the entire water column and avoiding drastic water level and electricity generation drops.
Die Gesamtfreisetzung der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus dem Itaparica, einem semiariden Reservoir, wurde auf etwa 2.3 × 105 ± 0.75 × 105 t C a-1 oder 1.33 × 106 ± 0.45 × 106 t CO2-eq a-1 geschätzt. 96% der gesamten Kohlenstofffreisetzung konnten auf Diffusion über die Wasseroberfläche zurückgeführt werden. Die Freisetzung von Gasblasen war auf littorale Gebiete beschränkt. Eine geringfügige Anreicherung von CO2, aber nicht von CH4, im bodennahen Wasser nahe des Turbineneinlasses führte zur Entgasung von etwa 8 × 103 t C a-1. Die Emissionen pro Flächeneinheit waren höher in littoralen Bereichen als im Hauptstrom; tiefere Gewässer trugen jedoch aufgrund der größeren Flächenbedeckung (72%) zu 55 % der Gesamtkohlenstofffreisetzung bei. Verglichen mit anderen Energiequellen würde die Emission aus dem Itaparica ungefähr 42 % des gesamten C-CO2-eq (GWP100) pro kWh aus natürlichem Gas und 19 % aus Diesel oder Kohlekraftwerken entsprechen. Die Verweilzeit und der benthische Stoffwechsel wurden als treibende Kräfte der CO2- und CH4-Freisetzung in littoralen Gebieten identifiziert, während die Durchmischung der Wassersäule und hohe Fließgeschwindigkeiten die Anreicherung oder Entgasung von CH4 verhindern.
Inkubationsexperimente wurden mit Sedimenten des Itaparica Reservoirs von drei Standorten unterschiedlicher Tiefe durchgeführt, um gleichzeitig den Einfluss von Temperaturerhöhung sowie Kohlenstoff- und Nährstoffzugaben auf die Methanproduktion (MP) zu analysieren. Die höchste MP (4.2 µmol g TG-1 d-1) wurde unter Kohlenstoffzugabe beobachtet, im Durchschnitt war die MP unter Kohlenstoffzugabe etwa doppelt so hoch wie in der Kontrolle, unabhängig von der Temperatur. Der steigernde Effekt der Kohlenstoffzugabe auf die MP äußerte sich unterschiedlich an den drei Standorten, die MP war größer in den oberen (0-4 cm) Sedimentschichten des profundalen Standorts, während die MP in den littoralen und dazwischenliegenden Standorten in den tiefen (4-8 cm) Sedimentschichten höher war. Positive Effekte einer Erwärmung wurden häufiger in der Abwesenheit einer Kohlenstoffanreicherung beobachtet. Die MP in littoralen Sedimenten stieg an, wenn Erwärmung und Stickstoffzugabe kombiniert wurden. Die Ergebnisse suggerieren, dass der gemeinsame Effekt von Erwärmung und Eutrophierung die MP und die potentielle Freisetzung von Methan in diesem semiariden Reservoir erhöhen wird, besonders in den littoralen Gebieten, die aufgrund des Klimas und der Veränderungen in der Landnutzung anfällig für Erwärmung und terrestrische Kohlenstoff- und Nährstoffeinträge sind.
Treibhausgasemissionen aus tiefen und flachen Gewässern und dem Auslauf aus Turbinen des Itaparica wurden dazu genutzt, die Gesamtfreisetzung des Reservoirs unter schwankenden Wasserpegelbedingungen zu modellieren. Das Model umfasste drei verschiedene Szenarien: durchschnittlich (mittlere Emissionsraten, flache Gebiete < 5 m Tiefe); pessimistisch (maximale Raten, flache Gebiete < 6 m), und optimistisch (minimale Raten, flache Gebiete < 4 m). Die ökonomischen Kosten der Treibhausgasemissionen wurden unter Einbeziehung der sozialen Kosten von Kohlenstoff und den Kosten der Stromerzeugung eingeschätzt. In Phasen hoher Wasserpegel stiegen die Treibhausgasemissionen entsprechend der Wasseroberfläche und des Wasservolumens, das durch die Turbinen gefördert wurde. Höhere Energiedichten jedoch, die unter voller Leistung erreicht wurden, zogen eine niedrigere Erzeugung von CO2-eq pro kWh nach sich. Sogar im pessimistischen Szenario waren die maximalen Emissionen unterhalb des Bereichs der für tropische Reservoirs vorgesehen ist. Im Gegensatz dazu kann jedoch die niedrige Stromerzeugungsfähigkeit des Damms während langer Trockenperioden möglicherweise nicht die Menge freigesetzter Treibhausgase aufwiegen, und verringert dadurch die Kohlenstoff-Vorteile dieses Wasserkraftwerks.
Umweltmaßnahmen, die der Verringerung und der Verhinderung des Anstiegs von Treibhausgasemissionen aus dem Itaparica Reservoir dienen, beinhalten die Prävention der Eutrophierung, die Erhaltung einer konstanten und natürlichen Fließgeschwindigkeit zur Gewährleistung der Durchmischung und Sauerstoffzufuhr in der gesamten Wassersäule, und die Vermeidung drastischer Absenkungen des Wasserpegels und der Stromerzeugung.
