STAUSEEN SETZEN GROßE MENGEN METHAN FREI - GFZPUBLIC

Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und
Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft, www.eskp.de
Klimawandel · Klimawirksame-Stoffe

STAUSEEN SETZEN GROßE MENGEN
METHAN FREI
Jana Kandarr 1, Florian Wittmann 2
1
    Earth System Knowledge Platform | ESKP
2
    Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Aueninstitut

Zuerst publiziert: 15. Juli 2019, 6. Jahrgang

Digitaler Objektbezeichner (DOI): https://doi.org/10.2312/eskp.014

Teaser
Kohlestrom, Erdgas, Erdöl, Atomkraft – im Vergleich dazu erscheint Energie aus
Wasserkraft als saubere Alternative. Doch für Großprojekte müssen häufig riesige Gebiete
dauerhaft geflutet werden. Sind diese voller üppiger Vegetation wie im Mekong-Delta oder
Amazonasbecken, gehen nicht nur einzigartige Lebensräume verloren, sondern diese
großen Staudämme weisen auch eine teils miserable Klimabilanz auf.

Keywords
Staudamm, Brasilien, Amazonas, Mekong, Treibhausgase, Kohlendioxid, CH4, CO2,
Sedimente, Blauer Nil, Wasserenergie, Verdunstung, Stausee, Staubecken, Megadamm,
Sandwich-Effekt

Der in Bau befindliche Stausee am Rio Xingu im Amazonasbecken wird inmitten
ursprünglicher jahrtausendealter Wälder liegen. Das dazugehörige Wasserkraftwerk wird
mit seiner Leistung von voraussichtlich 11.233 Megawatt das viertgrößte der Welt sein.
Perspektivisch werden am Rio Xingu in Brasilien annähernd 550 Quadratkilometer
Regenwald und Ackerfläche dauerhaft geflutet, wenn die Staubecken des Belo-Monte-
Wasserkraftwerks 2019 allmählich befüllt werden (Fearnside, 2015). Nicht nur hier am Rio
Xingu, sondern insgesamt ist das Amazonasgebiet eines der attraktivsten Zielgebiete der
hydroelektrischen Entwicklungsplanung weltweit (Winemiller et al., 2016).

Auch in Asien sind allein im kambodschanischen und laotischen Teil des Mekongs und seiner
Nebenflüsse derzeit weitere 140 Dämme in Planung (Eyler, 2018). In Äthiopien entsteht im
Blauen Nil gerade der größte Staudamm Afrikas, der ‚Grand Ethiopian Renaissance Dam‘.

Dringlicher denn je muss die Ökobilanz der geplanten Staudammprojekte umfassend
untersucht werden. Denn nicht nur angrenzende Ökosysteme und ihr Wasserhaushalt
können irreversibel verändert werden. Auch können Stauseen weit flussabwärts gelegene
Gebiete negativ beeinflussen (Assahira et al., 2017). Zudem können sie beachtliche
Mengen an Treibhausgasen erzeugen. Teils entstehen sogar für Jahrzehnte mehr
Treibhausgase als bei einer vergleichbaren Energiegewinnung mit Erdöl oder Erdgas
(Fearnside, 2012).

Wie kommt es zur Bildung von Treibhausgasen in Stauseen?
Durch die Flutung von Wäldern und Vegetation beim Befüllen von Stauseen stirbt viel
Pflanzenmaterial ab. Besonders viel dann, wenn Dämme in vegetationsreichen
Flussgebieten liegen und vorher nicht gerodet wurde. Nach und nach sinkt all das
abgestorbene Tier- und Pflanzenmaterial zum Gewässergrund, setzt sich dort als
organisches Material ab und wird allmählich durch methanbildende Bakterien abgebaut.
Gerade in den Jahren nach Fertigstellung der Staudämme – also dann, wenn die
umliegenden Gebiete samt der Biomasse geflutet werden – können so große Mengen des
Fäulnisgases Methan entstehen. Methan bildet sich immer dann, wenn organische Masse
unter Sauerstoffmangel (fehlender Belüftung) abgebaut werden muss, also eben auch in
Tiermägen, beim Nassreisanbau oder in Deponien. Das Gas ist stark klimawirksam. Eine
Tonne Methan hat in der Atmosphäre die circa 25fache Wirkung von einer Tonne
Kohlendioxid (Umweltbundesamt, 2019), trägt also stärker zu deren Erwärmung bei.

Entsteht Kohlendioxid oder Methan im Stausee?
Es kommt darauf an, wie gut der Gewässerboden belüftet ist. Denn bei guter
Sauerstoffversorgung der Sedimente entsteht Kohlendioxid, bei Sauerstoffmangel jedoch
das um ein Vielfaches klimawirksamere Methan. Häufig herrscht am Gewässergrund
allerdings Sauerstoffarmut, es sind also anoxische Bedingungen vorzufinden. Grund dafür
ist auch, dass die sich absetzenden Partikel allmählich zusammenhängende, bindige
Sedimentschichten aufbauen. Weltweit türmen sich in Staubecken von über 57.000 großen
Staudämmen so Sedimentlagen von jeweils mehr als 15 Metern Mächtigkeit (Artikel: Rivers
in Crisis). Im Falle einer Umsetzung aller geplanten Staudämme im Mekong-Delta
beispielsweise wäre eine Reduktion der Sedimentfracht um 90 Prozent möglich (Apel,
2015). Diese Sedimente wären in Staubecken und damit im Flussober- und Flussmittellauf
gefangen. Die thermische Schichtung in Stauseen verhindert zudem oft eine Durchmischung
des Wassers und so die Belüftung des Gewässergrundes.

Am Stauseeboden läuft der Abbau von organischem Material bei diesen sauerstoffarmen
Bedingungen nur unter Freisetzung des klimawirksamen Gases Methan ab. Ein Teil des
Methans steigt in Gasblasen an die Gewässeroberfläche und gelangt so in die Atmosphäre.
Nicht umsonst bezeichnete man früher die entstehenden Methangase als ‚Sumpfluft‘. In

der Summe sind das beträchtliche Mengen, wesentlich mehr als von einem natürlich
fließenden Fluss in die Atmosphäre gelangen würden. Die Treibhausgasemissionen von
Staudämmen sind nicht konstant und variieren nachweislich. Sie hängen von Temperatur,
Sonneneinstrahlung und physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften des
Wassers ab (Fearnside, 2008).

Mit zunehmendem Alter des Stausees wird Kohlenstoff im lagernden Sediment als Quelle
für Treibhausgase immer bedeutender. Geflutete Stauseen sind also zunächst für Jahre
eine potentielle Quelle für Methan und später dann vornehmlich für Kohlendioxid.
Stauseen der nördlichen Hemisphäre tragen eher durch Kohlendioxid zur globalen
Erwärmung bei, während tropische Reservoire Methan hinzufügen.

Insgesamt haben so insbesondere große Stauseen eine Wirkung auf das Klima: sie haben
einen wesentlichen Anteil an den Emissionen, die von Süßgewässern ausgehen. Eine
Erhöhung der Methanemissionen um 7 Prozent ist wahrscheinlich (Maeck, 2013). Der
Weltklimarat (IPCC) hat geschätzt, dass Stauseen und Seen 22 Prozent des gesamten
Methaneintrages weltweit ausmachen. Die Schätzungen für Methanemissionen lassen sich
gut aus den sich ansammelnden Sedimentmengen ableiten (Maeck, 2013).

Eine Maßnahme, um die Einträge zu vermindern, ist besonders wirksam: Die Entfernung der
Vegetation vor der Flutung einer Landfläche verringert den Gehalt an organischer Substanz
im Boden. In der Folge wird dann weniger Methan gebildet. In bereits gebauten
Wasserkraftwerken sollte hingegen die Belüftung des Bodensediments gefördert werden.
Über die genannten Faktoren hinaus gibt es weitere Umstände an Stauanlagen, die dazu
beitragen, dass verstärkt klimawirksame Gase in die Atmosphäre entweichen können.

Turbulentes Wasser beschleunigt den Austausch mit der Atmosphäre
Wasser fließt an Staudämmen in der Regel durch Schiffsschleusen oder Turbinen ab. Das
verwirbelt das Wasser, es kommt zu Turbulenzen, Vermischungen und lokal zu
Druckschwankungen im Wasser. Das führt dazu, dass der Austausch mit der Atmosphäre in
stärkerem Maße stattfindet. Auch so lassen sich die höheren Emissionen eines gestauten
Gewässers im Vergleich zur Oberfläche eines natürlich fließenden Gewässers erklären.

Einfluss auf den Wasserhaushalt und das Lokalklima
Auch Wasserdampf ist ein (natürliches) Treibhausgas. Schätzungen für das Jahr 2010
besagen, dass aus Stauseen insgesamt annähernd 346 Kubikkilometer Wasser verdunsten
(FAO, 2016). Das sind Dreiviertel der Menge Süßwasser, die die Menschheit in allen Städten
der Welt innerhalb eines Jahres verbraucht (FAO, 2016). Grundsätzlich sind stagnierende
Gewässer – in diesem Fall die riesigen Flächen in Staubecken – wärmer als der einst an
dieser Stelle verlaufende Fluss. Die größeren Wasseroberflächen sind der Luft und dem
direkten Sonnenlicht ausgesetzt, was die Verdunstung begünstigt. In der Gesamtbilanz geht

einer trockenen Region durch Staudämme also auch viel durch Verdunstung Wasser
‚verloren‘. Insbesondere für ohnehin wasserarme, also aride bzw. semi-aride Regionen, die
nicht unmittelbar vom aufgestauten Wasser profitieren, ist das problematisch.

Hohe Verdunstung in Stauseen arider und semi-arider Gebiete
Die Veränderung des Wasserhaushaltes birgt viel sozialen Sprengstoff wie auch ein Beispiel
aus Äthiopien zeigt. Das äthiopische Mammutprojekt „Grand Ethiopian Renaissance Dam“
wird Wirkungen auf die Staaten am Flussunterlauf des Blauen und Weißen Nils haben. Fast
60 Prozent des Wassers, dass Ägypten zur Verfügung hat, stammt aus dem Blauen Nil
(Tawfik, 2015). Jahrzehntelang hatte Äthiopien aus Rücksicht auch auf die Nachbarstaaten
Sudan und Ägypten seine Flüsse nicht gestaut und kaum Wasser für die eigene Nutzung
abgezweigt. Doch 83 Prozent der äthiopischen Bevölkerung sind nach wie vor ohne Strom.
Bis 2022 soll nun das größte Wasserkraftwerk Afrikas im Blauen Nil fertig sein, dies anfangs
ohne Absprachen mit den Nachbarländern (Tawfik, 2015). Ägypten sucht inzwischen
händeringend mittels der Weltbank nach Mediation mit Äthiopien (Maasho, 2018).

Es wird nach der Fertigstellung noch viele Jahre dauern, bis sich der Grand Ethiopian
Renaissance-Staudamm gänzlich mit Wasser füllt, ganz in Abhängigkeit vom Niederschlag.
Schlussendlich wird dann Wasser zurückgehalten und teils verdunstet, was dem Fluss im
Unterlauf dann fehlt. Noch ein Vergleich veranschaulicht das: Das Speichervolumen des
‚Grand Ethiopian Renaissance Dam‘ von 74 Milliarden Kubikmetern entspricht etwa dem
1,5-fachen des durchschnittlichen Jahresdurchflusses des Blauen Nils an der sudanesisch-
ägyptischen Grenze (Tawfik, 2015). Schlimmstenfalls fehlt also auch Wasser für die
Bewässerung und die natürlichen Überschwemmungen, mit denen Nährstoffe verfrachtet
werden.

Stauseen verdunsten weniger Wasser als der ursprüngliche
Pflanzenbestand in den feuchten Tropen
Doch eine differenzierte Betrachtung ist nötig, denn es kommt darauf an, in welcher
Klimazone ein Stausee liegt, ob insgesamt Vegetation und Landflächen mehr Feuchtigkeit
an die Atmosphäre abgeben (Evapotranspiration) oder aber die offene Wasserfläche
(Evaporation). In den feuchten Tropen, im Amazonasbecken beispielsweise, verdunstet der
Regenwald wesentlich mehr Wasser als eine offene Wasserfläche. Stauseen stören den
Wasserkreislauf empfindlich und machen hier das Lokalklima trockener. Für die Mekong-
Region ist dies ähnlich. Insgesamt und unter Berücksichtigung der gefluteten Vegetation ist
es wahrscheinlich, dass Stauseen in den feuchten Tropen die Verdunstung tendenziell
verringern.

Bisher gibt es nur grobe Schätzungen zu den Gesamt-Verdunstungsraten von Staudämmen
weltweit. Sie betrugen für alle Dämme (hier: 14.200 Dämme für 157 Länder) global

geschätzt 865 Kubikkilometer pro Jahr, vorausgesetzt diese sind bis zur Kapazitätsgrenze
gefüllt. Die Wissenschaftler der Food and Agricultural Organisation (FAO) der Vereinten
Nationen gehen jedoch tatsächlich eher von halb gefüllten Stauseen aus und kommen so
auf die eingangs erwähnte Zahl von 346 Kubikkilometern Wasserverdunstung pro Jahr. Es
bleiben große Unsicherheiten aufgrund fehlender Daten. Doch sicher ist: In ariden
Gebieten könnte die Verdunstung ein erhebliches Problem sein, für Staudammbetreiber ist
es das schon seit jeher.

Es gibt neben der Energiegewinnung viele Gründe Staudämme und Talsperren zu bauen: zu
Bewässerungszwecken, zur Trinkwasserversorgung, für den Hochwasserschutz, zur
Schiffbarmachung, Erholung, Umweltschutz, für die Viehzucht und andere. Unterm Strich
sind die irreversiblen Umweltschäden jedoch immens und es bleibt fraglich, wie günstig die
Kosten-Nutzen-Rechnung für die Gesellschaft tatsächlich langfristig ausfällt. Staudämme
liegen zudem zum Teil fernab von Industriezentren, die sie mit Energie versorgen sollen:
Strom muss dann über tausende Kilometer transportiert werden, was weitere hohe Kosten
und Übertragungsverluste mit sich bringt.

Referenzen
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Zitiervorschlag
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Earth System Knowledge Platform [www.eskp.de], 6. doi:10.2312/eskp.014

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Gemeinschaft

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and Environment of the Helmholtz Association, www.eskp.de
Climate change · Climate-relevant substances

RESERVOIRS RELEASE LARGE
QUANTITIES OF METHANE
Jana Kandarr 1, Florian Wittmann 2
1
    Warth System Knowledge Platform | ESKP
2
    Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Aueninstitut

First published: July 15th, 2019, Volume 6

Digital Object Identifier (DOI): https://doi.org/10.2312/eskp.014

Teaser
Coal-fired electricity, natural gas, crude oil, nuclear power - by comparison, energy from
hydropower appears to be a clean alternative. However, large-scale projects often require
huge areas to be permanently flooded. If these areas are full of lush vegetation, as in the
Mekong Delta or Amazon Basin, not only will unique habitats be lost, but these large dams
can also have a negative effect on the climate.

Keywords
Dam, Brazil, Amazon, Mekong, greenhouse gases, carbon dioxide, CH4, CO2, sediments,
Blue Nile, water energy, evaporation, reservoir, dams, mega dam, sandwich effect

The reservoir currently under construction on the Rio Xingu in the Amazon basin will be
located in the middle of pristine forests that are thousands of years old. With an expected
capacity of 11,233 megawatts, the associated hydropower plant will be the fourth largest
in the world. In the future, nearly 550 square kilometres of rainforest and arable land will
be permanently flooded on the Rio Xingu in Brazil when the reservoirs of the Belo Monte
hydroelectric power plant are gradually filled in 2019 (Fearnside, 2015). The Amazon
region is one of the most attractive target areas for hydroelectric development planning
worldwide, not only here on the Rio Xingu, but also overall (Winemiller et al., 2016).

In Asia, too, a further 140 dams are currently being planned in the Cambodian and Lao
Mekong and its tributaries alone (Eyler, 2018). In Ethiopia, the largest dam in Africa, the
'Grand Ethiopian Renaissance Dam', is currently under construction in the Blue Nile. Now,

more urgently than ever, the life cycle assessment of the planned dam projects must be
comprehensively examined. It is not only adjacent ecosystems and their water balance
that can be irreversibly altered. Reservoirs can also have a negative impact on areas far
downstream (Assahira et al., 2017). They can also produce considerable amounts of
greenhouse gases. In some cases, more greenhouse gases are produced than with
comparable energy production from crude oil or natural gas, even for decades after
(Fearnside, 2012).

How do greenhouse gases form in reservoirs?
The flooding of forests and vegetation during the filling of reservoirs causes the majority of
vegetation to die off, especially when dams are located in vegetation-rich river basins that
are not previously cleared. Gradually, all the dead animal and plant material sinks to the
bottom of the river, where it settles as organic material and is gradually degraded by
methane-forming bacteria. Especially in the years after completion of the dams, i.e. when
the surrounding areas - including the biomass - are flooded, large amounts of methane gas
can be produced. Methane is always formed when organic matter degrades in an oxygen-
poor environment (where there is a lack of ventilation), e.g. in animal stomachs, wet rice
cultivation and landfills. The gas has a significant effect on the climate. One tonne of
methane in the atmosphere has about 25 times the effect of one tonne of carbon dioxide
(Federal Environment Agency, 2019), thus having a greater effect on global warming.

Is carbon dioxide or methane produced in the reservoir?
It depends on how well the water basin is ventilated. If the sediment is well oxygenated,
carbon dioxide is produced; if there is a lack of oxygen, however, methane, which has a
much greater effect on the climate, is produced. However, oxygen depletion often occurs
at the bottom of the water body, which means that anoxic conditions can be found. This is
also due to the fact that the settling particles gradually build up cohesive sediment layers.
Worldwide, sediment layers more than 15 metres thick pile up in reservoirs of over 57,000
large dams (article: Rivers in Crisis). If all planned dams in the Mekong Delta were
implemented, for example, sediment loads could be reduced by 90 percent (Apel, 2015).
These sediments would be trapped in reservoirs and thus in the upper and middle reaches
of rivers. Thermal stratification in reservoirs also often prevents mixing of the water and
thus aeration of the bottom of the watercourse.

Under these oxygen-poor conditions, the decomposition of organic material at the bottom
of the reservoir only takes place when the climate-impacting gas methane is released. Part
of the methane rises to the surface of the water in gas bubbles and is thus released into
the atmosphere. Indeed, the methane gases produced were previously referred to as
'marsh air'. In total, these are considerable quantities, much more than would be released
into the atmosphere by a naturally flowing river. Greenhouse gas emissions from dams are

not constant and have been shown to vary. They depend on the temperature, solar
radiation and physico-chemical and biological properties of the water (Fearnside, 2008).

As the age of the reservoir increases, carbon in the sediment becomes increasingly
important as a source of greenhouse gases. Flooded reservoirs are therefore a potential
source of methane for many years and subsequently of carbon dioxide. Reservoirs in the
northern hemisphere are more likely to contribute to global warming through carbon
dioxide, while tropical reservoirs add methane.

Overall, large reservoirs in particular have an impact on the climate: they account for a
significant proportion of emissions from bodies of freshwater. Overall, a seven percent
increase in methane emissions is likely (Maeck, 2013). The Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC) has estimated that reservoirs and lakes account for 22 percent of
total methane emissions worldwide. Estimates for methane emissions can be easily derived
from the quantity of accumulated sediment (Maeck, 2013).

One measure to reduce emissions is particularly effective: removing vegetation before
flooding an area of land reduces the content of organic matter in the soil. As a result, less
methane is produced. In hydropower plants that have already been built, aeration of the
soil sediment should be promoted. In addition to these factors, there are other
circumstances related to dams that contribute to the increased release of climate-
impacting gases into the atmosphere.

Turbulent water accelerates the exchange with the atmosphere
At dams, water usually flows off through ship locks or turbines. This agitates the water,
causing turbulence, mixing and local pressure fluctuations in the water. As a result,
increased exchange with the atmosphere takes place. This also explains the higher
emissions of a dammed water body compared to the surface of a naturally flowing water
body.

Influence on the water supply and local climate
Water vapour is also a (natural) greenhouse gas. Estimates for 2010 indicate that a total of
almost 346 cubic kilometres of water evaporate from reservoirs (FAO, 2016), amounting to
three-quarters of the amount of fresh water consumed by mankind in all cities of the world
within a year (FAO, 2016). In principle, stagnating bodies of water - in this case the huge
areas in reservoirs - are warmer than the river that once flowed here. The larger water
surfaces are exposed to air and direct sunlight, which promotes evaporation. Overall, a dry
region also 'loses' a lot of water through evaporation due to dams. This is particularly
problematic for arid or semi-arid regions that do not benefit directly from dammed water.

High evaporation in reservoirs of arid and semi-arid areas
Changes to a water supply can trigger various social issues, as an example from Ethiopia
shows. The colossal Ethiopian project, 'The Grand Ethiopian Renaissance Dam' will have an
impact on the states along the lower reaches of the rivers Blue and White Nile. Almost 60
percent of Egypt's water comes from the Blue Nile (Tawfik, 2015). For decades, Ethiopia
had not dammed its rivers out of consideration for its neighbours Sudan and Egypt and had
hardly diverted any water for its own use. However, 83 percent of the Ethiopian population
is still without electricity. Africa's largest hydroelectric power plant in the Blue Nile is to
be completed by 2022, initially without reaching any agreements with neighbouring
countries (Tawfik, 2015). Egypt is now desperately seeking mediation with Ethiopia
through the World Bank (Maasho, 2018).

After completion, it will take many years for the Grand Ethiopian Renaissance Dam to fill
completely with water, depending on rainfall. Eventually, water will be retained and
partly evaporated, while the lower reaches of the river will be depleted, accordingly.
Another comparison illustrates this: The storage volume of the 'Grand Ethiopian
Renaissance Dam' of 74 billion cubic metres corresponds to about 1.5 times the average
annual flow of the Blue Nile at the Sudan-Egypt border (Tawfik, 2015). In the worst case,
water for irrigation and the natural floods, which transport nutrients, will also be
negatively affected.

Reservoirs evaporate less water than the original vegetation in the
humid tropics
However, depending on the climate zone in which a reservoir is located, it may be
necessary to consider the situation with from a different perspective, namely whether
vegetation and land areas as a whole release more moisture into the atmosphere
(evapotranspiration) or the open water area (evaporation). In the humid tropics, for
example in the Amazon Basin, the rainforest evaporates considerably more water than an
open water surface. Reservoirs significantly disturb the water cycle and make the local
climate drier. The Mekong region experiences a similar effect. Overall, taking into account
the flooded vegetation, it is likely that reservoirs in the humid tropics will tend to reduce
evaporation.

So far, there are only rough estimates of the total evaporation rates of dams worldwide.
For all dams (here: 14,200 dams for 157 countries), the global estimate was 865 cubic
kilometres per year, provided they are filled to capacity. The scientists of the Food and
Agricultural Organisation (FAO) of the United Nations, however, actually base their
calculations on half-filled reservoirs and thus arrive at the figure of 346 cubic kilometres of
water evaporation per year. There remains great uncertainty due to a lack of data,

however one thing is certain: in arid regions, evaporation could be a considerable problem,
which has always been the case for dam operators.

There are many reasons to build dams and reservoirs in addition to generating energy: for
irrigation, drinking water supply, flood protection, navigability, recreation, environmental
protection, livestock breeding and others. The bottom line, however, is that the
irreversible environmental damage is immense and it remains questionable how favourable
the cost-benefit calculation for society will actually be in the long term. In addition, some
dams are located far away from industrial centres, which are supposed to supply them with
energy: electricity must then be transported over thousands of kilometres, which entails
further high costs and transmission losses.

References
Apel, H. (2015, 28. Januar). Das Mekong Delta – drastische Änderungen sind
wahrscheinlich. Earth System Knowledge Platform [eskp.de], 2. doi:10.2312/eskp.034
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Cite as
Kandarr, J. & Wittmann, F. (2019, July 15th). Reservoirs release large quantities of
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