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Monitoring der Alkalinität vor dem Klärwerk Bülk

Eine Messkampagne des GEOMAR in der Kieler Bucht

Kurz gesagt: Das Kieler Grundwasser ist von Natur aus alkalischer, also basischer als das Wasser der Ostsee. Das zeigt sich auch im gereinigten Abwasser des Klärwerks Bülk der Stadt Kiel. Ab Ende 2026 wird eine Pilotanlage des Start-ups PLANETEERS die Alkalinität des Abwassers zusätzlich erhöhen. Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel untersucht, wie sich das alkalische Abwasser in der Kieler Bucht verteilt und welche Auswirkungen es auf das Meereswasser, den Meeresboden und die dort lebenden Organismen hat. Die Messungen des GEOMARs haben schon vor Inbetriebnahme des Pilotanlage begonnen, um den Ausgangszustand in der Bucht zu erfassen und spätere Veränderungen erkennen zu können. Finanziert wird das Monitoring vom Ministerium für Energiewende, Klimaschutz, Umwelt und Natur (MEKUN) des Landes Schleswig-Holstein sowie der gemeinnützigen Initiative Carbon-to-Sea.

Warum wird gemessen?

Das Klärwerk der Stadt Kiel in Bülk am Ausgang der Kieler Förde leitet seit Jahrzehnten gereinigtes Abwasser am Meeresboden in die Kieler Bucht. Die Auslässe liegen etwa einen Kilometer vor der Küste in vier bis fünf Metern Wassertiefe. Messungen im Sommer und Herbst 2025 haben gezeigt: Die Alkalinität des Abwassers ist mit rund 5.000 Mikromol pro Kilogramm etwa zweieinhalbmal so hoch wie die des umgebenden Ostseewassers (rund 2.000 µmol/kg). Der Grund dafür ist das von Natur aus alkalinitätsreiche Grundwasser, aus dem in der Region das Trinkwasser gewonnen wird. Welche Auswirkungen dieser seit Jahrzehnten bestehende Eintrag auf das Küstenökosystem hat, ist bisher nicht wissenschaftlich untersucht worden.

Ende 2026 plant das Start-up PLANETEERS im Klärwerk eine Pilotanlage zur CO₂-Entnahme zu installieren. Dieser ahmt die natürliche Verwitterung von Kalkstein nach. Dabei reagiert Kohlenstoffdioxid CO₂ mit Kalkstein und wird vor allem in gelöstes Hydrogencarbonat umgewandelt. So kann das CO₂ langfristig im Wasser gespeichert werden. Dadurch steigt die Alkalinität (TA) des Abwassers voraussichtlich moderat weiter an, nach derzeitiger Erwartung von etwa 5.000 Mikromol pro Kilogramm auf etwa 5.500 Mikromol pro Kilogramm.

Das GEOMAR begleitet das Vorhaben mit einer wissenschaftlichen Messkampagne. Dabei wird untersucht, inwieweit und in welchem Maß sich die zusätzliche Alkalinität in der Umwelt nachweisen lässt und welche Auswirkungen dies auf die Meereschemie und die Küstenökosysteme hat. 

Was wird untersucht?

  • Welche Veränderungen lassen sich im Meerwasser und am Meeresboden feststellen, nachdem die Pilotanlage in Betrieb genommen wurde?
  • Wie vermischt sich das alkalische Abwasser mit dem Ostseewasser, und wie wird dieser Prozess von Wind und Strömung beeinflusst?
  • Wie reagieren Organismen im betroffenen Gebiet auf den erhöhten Eintrag an Alkalinität?
  • Das Abwasser unterscheidet sich vom Meereswasser der Ostsee nicht nur in seiner Alkalinität, sondern auch in seinem Gehalt an Nährstoffen, Salz und gelösten organischen Stoffen . Die Forschenden versuchen deshalb herauszufinden, welche Veränderungen tatsächlich auf die erhöhte Alkalinität zurückzuführen sind.  

Die Kampagne läuft in zwei Phasen ab: Zunächst wird der Zustand des Meerwassers und der Küstenökosysteme vor Inbetriebnahme des Reaktors erfasst. Danach wird untersucht, ob sich während des Reaktorbetriebs etwas verändert. Die Messungen im Einzelnen: 

Wassersäule
Proben werden mit Messsonden und Wasserschöpfern genommen. Hinzu kommen kontinuierliche Messungen an Bord des Forschungsschiffes LITTORINA. Direkt an den Auslässen des Klärwerkes werden im flacheren Wasser vom Schlauchboot aus Proben genommen. Ein autonomes Überwasserfahrzeug soll die Verteilung des Abwassers um den Einleitort kartieren. Wenn möglich, wird außerdem eine feste Messsonde installiert. 
Gemessen werden unter anderem Alkalinität, Karbonatchemie, CO₂, pH-Wert, Sauerstoff und Nährstoffe.

Meeresboden
Forschungstaucher:innen entnehmen nahe der Einleitstellen Sedimentkerne aus dem Meeresboden. Anhand dieser Proben untersuchen die Forschenden unter anderem die Tiere am und im Boden (Makrofauna). An anderen Sedimentkernen wird die Chemie des Wassers in den Poren des Meeresbodens sowie die Zusammensetzung der Mikrobengemeinschaften und deren Stoffwechselraten untersucht.
Zusätzlich dokumentieren die Forschungstaucher:innen die Lebensräume mit Foto- und Videoaufnahmen.

Hintergrund Klimawandel: Alkalinitätserhöhung und CO₂-Entnahme

Die Erhöhung der Alkalinität des Meerwassers (Ocean Alkalinity Enhancement, OAE) wird international als mögliche Methode diskutiert, der Atmosphäre mit Hilfe des Meeres CO₂ zu entziehen, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. In Deutschland werden Verfahren hierzu bisher vor allem in Laborexperimenten, geschlossenen Versuchsaufbauten und Computermodellen untersucht.

Das Klärwerk Bülk bietet daher eine besondere Möglichkeit: Hier gelangt seit Jahrzehnten Abwasser mit hoher Alkalinität ins Meereswasser. Durch den geplanten Betrieb der Pilotanlage wird diese nun noch erhöht. Die wissenschaftliche Messkampagne des GEOMAR liefert damit erstmals in Deutschland wissenschaftliche Erkenntnisse darüber, wie sich ein erhöhter Eintrag von alkalischer Lösung unter realen Bedingungen auf die Meeresumwelt auswirken kann. Aus diesen Erkenntnissen können geeignete Messmethoden und Orientierungswerte für mögliche künftige Feldversuche in der Ostsee und darüber hinaus entstehen. Die Ostsee mit ihrem Brackwasser, ihrer ausgeprägten Schichtung und ihrer Empfindlichkeit gegenüber Nährstoffen ist dafür ein besonders wichtiges Untersuchungsgebiet.

Transparenz und Zusammenarbeit

Die Ergebnisse werden regelmäßig an die zuständigen Behörden übermittelt. Durch gemeinsame Treffen in festen Abständen wird der Austausch gesichert, und es ist möglich, die Probennahme bei Bedarf anzupassen. Nach der Qualitätskontrolle sollen die Daten öffentlich zugänglich gemacht werden, unter anderem über Plattformen wie die OAE Data Commons.

Beteiligte

Leitung: Prof. Dr. Andreas Oschlies

Beteiligte Forscher:innen nach Arbeitsbereichen 

  • Untersuchungen der Wassersäule: Eric Achterberg, Mario Esposito, Bryce van Dam, Achim Kopf, Leila Kittu
  • Untersuchungen der Geochemie und Mikrobiologie der Sedimente: Mirjam Perner, Stefanie Böhnke-Brandt, Andy Dale 
  • Untersuchungen der Makrofauna: Florian Weinberger, Lukas Krause
  • Untersuchungen der Einmischung von Alkalinität durch Modellierung: Anna Anschütz, Andreas Oschlies

Koordination, Wissenstransfer und Datenmanagement: Michael Sswat, Ulrike Bernitt, Hela Mehrtens

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