Institute of Combustion and Power Plant Technology

Air Quality Control

Reduction of pollutant formation and optimization of stoves, investigations on pollutants in the ambient air (fine particulate matter, nitrogen oxides)

Activities

  • Wood burning, air pollutants and operating behavior of stoves and small firing systems
  • Calculation of the emissions of small and medium scale biomass combustion systems
  • Developments and use of measuring techniques for emissions of flames, furnaces, combustion systems as well as for ambient air pollutants
  • Mathematical modelling of small firing systems for the improvement of the combustion behavior
  • Investigations of indoor air pollution
  • Outdoor air quality research in highly polluted urban areas
  • Calculation of the emissions of different sources (traffic, domestic heating etc.) in combination with dispersion modelling (among others: HBEFA, AUSTAL, MISKAM)
  • Tethersonde measurements of air pollutants and meteorological parameters to determine the vertical distribution of the measured parameters within a limited time period
  • Mobile measurements in densley populated cities with bicycles, equipped with measurement instruments

Tethered balloon (length: 10 m, diameter: 3,5 m, volume: 56 m³, payload: approx. 15 kg) to determine the vertical distribution of meteorological parameter and air pollutants up to 1.000 m above ground (c)
Tethered balloon (length: 10 m, diameter: 3,5 m, volume: 56 m³, payload: approx. 15 kg) to determine the vertical distribution of meteorological parameter and air pollutants up to 1.000 m above ground

Projects - Emission Control

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Employment of the numeric burn simulation for the optimization of the mixture conditions and complete combustion
(e.g. log wood boiler, chimney stoves) with very low emissions of products of incomplete combustion. Application of numerical combustion simulation for optimizing the mixing conditions and the complete burnout out of the fuel.

Final reports:

Publication:

Entwicklung und Verbesserung von Feuerungsanlagen

(e.g. in the context of the monitoring measurements after 1. BImSchV)

Final reports:

Test set-ups: various mechanically fed boilers in the capacity range 20 to 120 kW; commercial facilities (fuel: hay, straw, residues of crop) to improve the operational reliability and the complete burnout of the fuel with simultaneous NOx reduction in the range of < 1.000 kW thermal output.

Final report:

Verbundvorhaben: Entwicklung einer Feuerungsanlage zur energetischen Nutzung von landwirtschaftlichen Reststoffen auf Basis der AirRo®-Brennertechnologie

(e.g. with hourly dissolution with consideration of the weather-dependent energy consumption of the firings)

Final report:

Ganzheitliche Bewertung von Holzheizungen

Projects - Immission Control

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Tethered balloon measurement system for the determination of the vertical distribution of meteorological parameter and air pollutants (c)
Tethered balloon measurement system for the determination of the vertical distribution of meteorological parameter and air pollutants

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/

Mooswand, 100m lang und 3m hoch, am Rande der Bundesstraße B14 in Stuttgart (c)
Mooswand, 100m lang und 3m hoch, am Rande der Bundesstraße B14 in Stuttgart

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.

Thesis:

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

Publications:

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

       

Air Quality Management Group at the University of Stuttgart, Germany

Air Quality Management Group at the University of Stuttgart, Germany

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Universitätsbereich Vaihingen, Pfaffenwaldring 23
 
  E-Mail
Fax: +49 711 685 6 34 91
   
Sprecher: Apl. Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich
  Phone: +49 711 685 8 78 12
   
Geschäftsführer:     Apl. Prof. Dr.-lng. habil. Günter Baumbach
  Phone: +49 7157 64150
  E-Mail

 

 ICVT Institut für Chemische Verfahrenstechnik
 IER Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung
 IFK Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik
 IGE Institut für Gebäudeenergetik
 IFF Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb
 IMVT Institut für Mechanische Verfahrenstechnik
 ISWA      Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft
 ISV Institut für Straßen- und Verkehrswesen
 ITT Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik
 ITV Institut für Technische Verbrennung
 ITV-D Institut für Textil- und Verfahrenstechnik
 IVK Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen
 IfW Institut für Werkzeugmaschinen
 LKB Lehrstuhl für Bauphysik
 MPA Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart
(MPA Stuttgart, Otto-Graf-Institut (FMPA))

Contact

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Dr.-Ing.

Ulrich Vogt

Department Air Quality Control (RdL)