Rauchgasreinigung und Luftreinhaltung

ICARUS war ein europäisches Forschungs- und Innovationsprojekt, das von Mai 2016 bis Oktober 2020 lief. Im Rahmen des Projekts wurden integrierte Instrumente und Strategien für die Folgenabschätzung in Städten angewandt, um die Luftqualität und die Steuerung des Klimawandels in den EU-Mitgliedstaaten zu unterstützen, was zur Entwicklung und Umsetzung geeigneter Vermeidungsstrategien zur Verbesserung der Luftqualität und zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks in europäischen Städten führte.

Die der Analysenergebnisse ermöglichten es uns, die nachhaltigsten Strategien zur Reduzierung von Treibhausgasen und zur Verbesserung der Luftqualität zu ermitteln. Letztere wurden den für das Management der Luftverschmutzung und des Klimaschutzes zuständigen Behörden als Orientierungshilfe für die Entscheidungsfindung vorgeschlagen, die zu einer Maximierung des Nettonutzens für die öffentliche Gesundheit und das Wohlergehen unter Berücksichtigung der mit der Luftverschmutzung und dem Klimawandel verbundenen Kosten in der EU führen würde.

Mehr Info in: https://icarus2020.eu/

Der Schienenverkehr verfügt im direkten Vergleich zu den anderen Verkehrsträgern über eine geringere Schadstofffreisetzung, eine günstigere Energiebilanz und einen geringeren Flächenverbrauch. Dennoch haben über 180 Jahre Eisenbahnbetrieb und mehr als 33.000 Kilometer (Eisenbahnen des Bundes) Betriebslänge in Deutschland ebenfalls Auswirkungen auf die Umwelt. Hierbei sind vor allem anorganische und organische Substanzeinträge aus dem Bahnbetrieb und den assoziierten Infrastrukturen von Bedeutung. Aufgrund der damit verbundenen bisher sehr heterogenen Datenlage bezüglich der Luftschadstoffemissionen- und Luftschadstoffimmissionen soll dieses Forschungsvorhaben mögliche Datendefizite identifizieren und einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag zur Schließung potentieller Kenntnislücken leisten. Die wesentlichen Zielsetzungen des Projektes sind folgende:

• anteilsmäßige und schadstoffspezifische Erfassung und Ermittlung von gasförmigen und partikulären Emissionen (unter Berücksichtigung der verschiedenen stofflichen Eigenschaften/Bewertungsparameter und Messmodellen/-profilen) aus unterschiedlichen Quellen bzw. Bereichen des Schienenverkehrs selbst sowie seiner Infrastruktur,
• Identifizierung und chemische/stoffliche Charakterisierung spezifischer Schadstoffparameter und Metaboliten für unterschiedliche Emissionen (partikel- und gasförmig), als auch der Ableitung von Indikatorsubstanzen/-parametern aus verschiedenen Quellen/Bereichen des Schienensektors,
• Berechnung und Modellierung der räumlichen und zeitlichen Schadstoffausbreitung von gasförmigen und partikulären Immissionen sowohl für das gesamte bundesweite Schienennetz als auch für bestimmte Tätigkeiten/Orte,
• Erstellung einer umfassenden humantoxikologischen und umweltfachlichen Gefahren-einstufung bzw. Risikobewertung bezüglich primärer Quellen, des Schadstoffaustrages sowie der Auswirkungsprognosen für Luftschadstoffe aus dem Schienenverkehr und
• der Entwicklung und Ableitung eines Maßnahmenkatalogs sowie möglicher Handlungsempfehlungen für den Umgang bzw. die Reduzierung/Optimierung von luftgetragenen Schadstoffen aus dem Schienenverkehr.

Das Projekt startete am 15.02.2021 mit einer Laufzeit von 36 Monaten. Projektpartner sind die Lohmeyer GmbH (Auftragnehmer) zusammen mit dem Institut für Bahntechnik GmbH (IFB), dem Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart sowie dem Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin, Bereich Chemikalienbewertung und Toxikologie Hannover (ITEM).

Das Projekt wurde vom Deutschen Zentrum für Schienenverkehrsforschung (DZSF)gefördert.

Ziele der Untersuchung

• Erfassen der aktuellen Luftqualität in und in der Nähe der Römerschule für die folgenden Luftverunreinigungen: NO₂, NO_x, O₃, Feinstaub (0,3 – 10 µm), BC (Black Carbon / Ruß) und UFP (ultrafeine Partikel)
• Abschätzen der Jahresmittelwerte für NO₂ mittels Passivsammlermessungen für weitere Vergleiche mit den europäischen Luftqualitätsgrenzwerten
• Entwickeln eines räumlichen Luftschadstoffprofils für die gesamte Schule durch Erfassen der Mittelwerte in allen Unterrichtsräumen und Korridoren mithilfe von mobilen Messungen
• Analysieren der zeitlichen Schadstoffverteilung im Tagesverlauf zur Ermittlung der Stunden mit Maximalbelastung an der Schule
• Formulieren von konkreten Lösungsvorschlägen falls lokal erhöhte Konzentrationen in der Schule gemessen werden sollten

Das Projekt wurde von Landeshauptstadt Stuttgart gefördert.

Dieses Projekt befasste sich mit den Strategien und Empfehlungen für die Durchführung von Messungen mit einfachen Luftqualitätssensoren in einer Weise, die es ermöglicht, einen aussagekräftigen Datensatz zu sammeln, zu analysieren und abzuleiten. Dazu wurde das Projekt in drei Teile gegliedert: Stand der Wissenschaft mit Marktstudie und Literaturstudie, experimentelle Studie und ein Kommunikationskonzept.

Das Projekt wurde im Rahmen des ReFoPlan-Vorhabens vom Umweltbundesamt gefördert.

Die Weltgesundheitsorganisation hat ihre globalen Luftqualitätsrichtlinien im September 2021 aktualisiert. Die neuen Standards ergeben sich aus den eindeutigen Beweisen, die auf den neuesten epidemiologischen Studien basieren. Diese Aktualisierung war nur dank der Verbesserung der Technologien zur Überwachung der Luft und der persönlichen Exposition der Bevölkerung möglich. In diesem Zusammenhang erweisen sich kostengünstige Sensoren als nützliches Instrument, um die Zahl der Teilnehmer zu erhöhen und eine ausreichende statistische Aussagekraft in epidemiologischen Studien zu gewährleisten. Um die Möglichkeit des Einsatzes von Low-Cost-Sensoren für Gesundheitsstudien beurteilen zu können, wurde in Stuttgart (Deutschland) in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Charité in Berlin und einer ambulanten Lungenpraxis in Stuttgart eine Pilotstudie mit Patienten durchgeführt, die an COPD oder Asthma leiden. Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene kostengünstige Sensorboxen entwickelt, die einen Monat lang Feinstaub, Stickstoffdioxid, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit sowohl in den Häusern als auch im Freien gemessen haben. Um den Effekt des hygroskopischen Wachstums zu vermeiden, wurde in die Außenluftboxen ein kostengünstiger Trockner eingebaut. Die Teilnehmer füllten einen Fragebogen zur Bewertung der Atemwegssymptome und ein Protokoll der täglichen Aktivitäten aus, wobei sie zusätzlich ihre Lungenfunktion, mit Hilfe eine Spirometers, überwachten. Es wurde eine neue Methodik zur Qualitätssicherung entwickelt, um die Sensoren vor, während und nach den Messungen in den Wohnungen der Patienten zu kalibrieren und zu validieren. Verschiedene Kalibrierungsverfahren wie multilineare Regression, nichtlineare Regression sowie Algorithmen des maschinellen Lernens wurden auf die Datensätze angewendet und zur Korrektur der Signale der NO₂-Sensorenverwendet.

Ministerium für Soziales und Integration Baden-Württemberg befördert.

Nachfolgend eine kurze Beschreibung der Aktivitäten im Projekt:
„Stadtklima im Wandel“ - Urban Climate Under Change [UC]² ist eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierte Fördermaßnahme zur Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells. Das Forschungsprogramm zielt darauf ab, ein gebäudeauflösendes Stadtklimamodell zu entwickeln und zu evaluieren.
In Langzeitbeobachtungen und Intensivmesskampagnen werden Daten zu Wetter und Klima sowie Aerosolen und Luftschadstoffen in Stuttgart, Berlin und Hamburg erhoben. Das Ziel der Messungen ist, eine dreidimensionale Erfassung der Stadtatmosphäre.
 
Die Rolle der Universität Stuttgart im Projekt:
Die Abteilung Reinhaltung der Universität Stuttgart arbeitet in Modul B [UC]²: B-3DO zusammen mit 19 weiteren Partnerinstitutionen in Deutschland, u.a. auch mit der Landeshauptstadt Stuttgart, Amt für Umweltschutz, Abt. Klimatologie, welche das neue Modell mit existierenden und neuen drei-dimensionalen Beobachtungsdaten evaluieren wird. Die Abteilung Reinhaltung der Universität Stuttgart beschäftigt sich mit der Untersuchung der städtischen Grenzschicht und dort im Speziellen mit der Untersuchung der Einflüsse von thermisch-induzierten Windsystemen auf die Luftqualität in Stuttgart. U.a. werden Vertikalprofile meteorologischer Größen (Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, Feuchte) sowie lufthygienischer Parameter (Aerosole, Ruß, Stickstoffoxide, Ozon) während sogenannter IOPs (Intensive Operation Periods), die jeweils über einen Zeitraum von zwei Monaten über zwei Jahre verteilt, andauern. Insgesamt werden vier IOPs in den Jahren 2017 und 2018 stattfinden. Die Vertikalprofilmessungen werden bis zu einer Höhe von 500 m über Grund mit Hilfe eines Fesselballons erfolgen.
Auch mobile Messungen mit Hilfe eines Fahrrads werden durchgeführt.
Bestehende Langzeitbeobachtungen (LTO) des Stadtklimas in Stuttgart werden weitergeführt und um Messungen von Stickstoffdioxid, Stickstoffoxiden und Ozon ergänzt. Lücken in den LTO-Daten der luftchemischen Komponenten werden mit Hilfe von Passivsammlern geschlossen.
Zudem ist geplant, dass die Zahnradbahn der SSB als Messfahrzeug genützt wird. Die Zahnradbahn soll entweder mit Sensoren oder mit Messgeräten ausgerüstet werden, die kontinuierlich meteorologische Parameter und Luftverunreinigungen während der Fahrt vom Marienplatz nach Degerloch und zurück erfassen. Somit sollen Profilmessungen vom Stuttgarter Talkessel bis auf den umgebenden Höhenzug durchgeführt werden.

Link zur Projekthomepage: http://uc2-3do.org/

Es gibt eine ganze Anzahl von theoretischen Betrachtungen und praktischen Versuchen sowohl im Labor und als auch im Freiland, die belegen, dass Begrünungsmaßnahmen an stark durch Luftverunreinigungen belasteten Standorten zu einer Reduzierung der Konzentrationen von Luftschadstoffen in der Außenluft fuhren können.

Darüber hinaus haben Begrünungsmaßnahmen einen weiteren sehr wichtigen positiven Effekt auf das Stadtklima. Aufgrund der Retention von Niederschlagswasser, das am sofortigen Abfließen an der Erdoberflache gehindert wird und im Erdreich gespeichert wird, kommt es zu einer Zwischenspeicherung und einer gleichmäßigen Abgabe der Feuchte durch Verdunstung.

Zusätzlich wird über die Blattoberflache der Vegetation Wasser verdunstet. Bei der Verdunstung von Wasser wird Energie benötigt, die der Umgebungsluft in Form von Wärme entzogen wird. Der Nahbereich von städtischen Vegetationsflachen wird so weniger stark erwärmt. Es entstehen kühle Inseln, die vor allem in den Sommermonaten von den Bürgerinnen und Bürgern als Orte der Erholung genutzt werden. Durch diese kühlende Wirkung städtischer Vegetation wird außerdem dem städtischen Wärmeinseleffekt an besonders heißen Tagen und Nachten wahrend Hitzeperioden aktiv entgegengewirkt. Ein dritter positiver Effekt von Vegetation in Städten, der nicht zu vernachlässigen ist und der an der Stadtplanung beteiligten Entscheidungsträgern am Herzen liegen muss, ist eine Erhöhung des subjektiven Wohlbefindens der Stadtbewohner. Vegetation wird als positiver Kontrast zu den vielen anderen in Städten verwendeten Baumaterialien empfunden.

Mooswände haben vermutlich eine größere Feinstaub- und NO2-reduzierende Wirkung als andere Pflanzen. Hierbei spielen folgende Grunde und Mechanismen eine Rolle:

• Die Oberflache einer Pflanze und damit die Abscheideflache, hat einen großen Einfluss auf die Abscheideleistung einer Pflanze. Laubmoose besitzen eine sehr große Oberfläche, um den Faktor 30 größer als viele andere Pflanzen.
• Des Weiteren sind die Moosoberflachen negativ geladen, wodurch sie Partikel an ihrer Oberflache durch elektrostatische Anziehungskräfte festhalten können. Einem späteren Wiederaufwirbeln wird somit entgegen gewirkt.
• Immergrüne Moose verlieren in den Wintermonaten ihre Abscheidewirkung nicht, im Gegensatz zu laubtragenden Pflanzen.
• Moose besitzen kein Wurzelwerk und nehmen sowohl Wasser als auch Nährstoffe über die Oberflache auf. Insbesondere anorganische wasserlösliche Substanzen wie Ammoniumnitrat, das auch in erheblichem Maße im städtischen Feinstaub enthalten ist, wird über die Moosoberflache von der Pflanze aufgenommen und verwertet.
• Organische Bestandteile der Feinstaubs, verursacht durch Reifenabrieb und Abgasemissionen, werden an der Oberflache der Moose durch sich dort befindliche Bakterien abgebaut.
• Weitere Feinstaubbestandteile werden durch den zuvor beschriebenen elektrischen Effekt festgehalten und bei Gelegenheit durch Regen bzw. als Nebeneffekt bei einer aktiven Bewässerung der Moose abgespult und sedimentieren am Boden.

Die beschriebenen Erkenntnisse zur feinstaubmindernden Wirkung von Moosen wurden in mehreren Laborstudien gewonnen). Bisher liegen noch keine quantitativen Ergebnisse von Feldversuchen zur Wirksamkeit von großflächigen Mooswänden vor. Die genannten Literaturstellen lassen aber stark auf eine ebensolche Wirkung schließen.

Die Wirkung der Reduzierung von Luftverunreinigungen durch Mooswände, sowohl von Feinstaub als auch von Stickstoffoxiden, wird in Stuttgart im Rahmen der Pilotstudie unter Feldbedingungen untersucht.

Projektpartner sind das Rosensteinmuseum Stuttgart und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen – ITKE – Universität Stuttgart.

Im Rahmen des Projektes sollen Nasswäscher auf Basis textiler Gewirke aus innovativen und chemisch beständigen Fasern für die Feinstaubreduzierung entwickelt werden. Aufgrund der dreidimensionalen bionisch inspirierten Netzstruktur können beste Bedingungen für die Zusammenführung und Bindung der Staubpartikel an die Wassertropfen geschaffen werden. Die Partikelabscheidung erfolgt durch Anlagerung der Partikel an die Wassertropfen aufgrund von Trägheitskräften, die folgende Tropfenabscheidung erfolgt definiert am 3D-Textil. Somit kann eine effiziente Abscheidung von Feinstaub aus der Umgebungsluft erfolgen und eine neue Generation von Nasswäschern für urbane Umgebung entwickelt werden, die weniger Ressourcen für den Bau und Betrieb benötigt als alternative Lösungen.

Die technologischen Aufgaben dazu umfassen:

• Entwicklung neuartiger Fasermaterialien mit (spezieller Oberfläche) benetzenden und/oder nicht benetzenden Strukturen auf den Oberflächen zur Aerosolabscheidung insbesondere für Feinstaub.
• Gezielte Entwicklung und Herstellung verschiedener Abstandsgewirk-Strukturen im Hinblick auf die Eigenschaften der Koaleszenz, des Flüssigkeitstransportes und der Flüssigkeitsabscheidung.
• Entwicklung dreidimensional-räumlicher Anordnungen der Staubfänger-Abscheideelemente mit definierten strömungsmechanischen und filtrationstechnischen Eigenschaften.
• Entwicklung und Bewertung unterschiedlicher Bedüsungssysteme hinsichtlich ihrer feinstaubreduzierenden Wirkung und Aerosolbildung.
• Hocheffiziente Feinstaubabscheidung durch Auskämmen der Aerosole und eine schnelle Ableitung in den Abstandstextilien. Entscheidend für ihre Abscheideeffizienz ist neben der effektiven Geschwindigkeit zwischen Wassertropfen und Staubpartikeln die Tropfengrößenverteilung des versprühten Mediums.
• Entwicklung von modulbasierten Staubfänger- Systemen zur leichten Integration in Tunnelein- und –ausgängen bzw. Lüftungsanlagen von Tunnelbauten sowie entlang viel befahrener Straßen mit besonders hohen Feinstaubwerten.
• Entwicklung eines modularen Tragsystems mit möglichst geringem aber dauerhaften Materialeinsatz, das sich für die Anforderungen im Außenbereich eignet
• Ressourcensparend durch Wasserkreislaufführung mit entsprechender Partikelabscheidung und Regeneration der Absorptionslösung.

Das Feinstaub-Fängersystem basiert auf einer Nassreinigung unter dem Einsatz einer Kombination aus einem

1. Sprühwäscher, der über Wassertröpfchen Feinstaub an die Tropfen bindet und in die Flüssigphase überführt,
2. Textil-Aerosolfangnetz: Die Tröpfchen schlagen sich dort nieder, werden abgeleitet und gesammelt,
3. Wasseraufbereitungssystem. Das Wasser wird über bewährte Systeme gefiltert und kann frisch versprüht werden. Das Filtrat (Filterkuchen aus Feinstaub) wird entsorgt (Abwasserkanalisation, Deponierung oder industrielle Verwertung nach Auftrennung).

Weitere Projektpartner im Verbundprojekt sind:

• DITF, Denkendorf
• Essedea GmbH & Co. KG, Wassenberg
• Officium, Design Engineering GmbH, Stuttgart:

Bestimmung des Ist-Zustands der Luftverschmutzung in Buenos Aires, des Auftretens spezifischer lokaler Luftströmungssysteme in der städtischen Atmosphäre und ihr Einfluss auf die Verteilung der Luftverschmutzung in Buenos Aires.

Dissertation:

Measurement and Modeling of the Spatial Distribution and Temporal Variation of Ambient Particulate Matter - A method developed for the example of Buenos Aires

Veröffentlichungen:

Arkouli, M.; Ulke, A.; Endlicher, W.; Baumbach, G.; Schultz, E.; Vogt, U.; Müller, M.; Dawidowski, L.; Faggi, A.; Wolf-Benning, U.; Scheffknecht, G.: Distribution and temporal behavior of particulate matter over the urban area of Buenos Aires
Atmospheric Pollution Research, Heft 1, Seite(n): 1-8; DOI 10.5094/APR.2010.001; 2010

Ulke, G.; Arkouli, M.; Baumbach, G.; Endlicher, W.: Structure and Evolution of the Atmospheric Boundary Layer in Buenos Aires and ist Relationship with Air Quality
Tagungsband: European Aerosol Conference 2009, September 6 - 11, 2009, Karlsruhe; 2009

Arkouli, M.; Baumbach, G.; Endlicher, W.; Vogt, U.; Schultz, E.; Ulke, A.: Determination of Spatial and Temporal Pollutants Distribution over Buenos Aires City by Tethered Balloon, Grid and Continuous Ground Measurements
Tagungsband: VDI-Berichte 2040 "Neue Entwicklungen bei der Messung und Beurteilung von Luftqualität", 24 und 25. Juni 2008; Seite(n): 247-250; ISBN: 978-3-18-092040-5; 2008

Arkouli, M.; Baumbach, G.; Vogt, U.; Ulke, A.; Endlicher, W.; Schultz, E.; Müller, M.; Wolf-Benning, U.: A Practical and Low-cost Method to Access the Air Quality in Large Cities: Buenos Aires Experience
Tagungsband: 6th Better Air Quality, 12 - 14 November 2008, Bangkok, Thailand; 2008

Vogt, U.; Endlicher, W.; Baumbach, G.; Schultz, E.; Dawidowski, L.; Arkouli, M.; Müller, M.; Wolf-Benning, U.: Air Quality and Urban Climate Investigations in the Megacity of Buenos Aires Tagungsband: 6th International Conference on Urban Air Quality, 27-29 March 2007, Limassol, Cyprus; 2007