Holzfeuerungen sind ein wichtiger Bestandteil der Haushaltsheizungen in Europa. Mit dem Vorteil als erneuerbare Energie sind Holzfeuerungen jedoch zu einem allgemeinen Umweltproblem geworden, vor allem aufgrund der Feinstaubbelastung und Partikel-gebundenen Substanzen wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), Ruß (BC) und organische Stoffe (OM), deren negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit schon lange bekannt sind. Besonders unter Inversionswetterbedingungen wird dieser Art der Luftverschmutzung zum Problem in Wohngebieten.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Beitrag der Holzfeuerungen zur PM10-Belastung während der Heizperioden im Winter in einem Wohngebiet in Dettenhausen, Deutschland, zu bestimmen. Zuerst wurden Immissionsmessungen in diesem Wohngebiet durchgeführt, indem PM10-Proben aus der Umgebungsluft gesammelt und die Schadstoffe CO, NOx und Ruß gemessen wurden. Diese Messkampagnen fanden im Winter 2013/2014 und im Winter 2014/2015 statt. Die PM10-Massenkonzentrationen wurden bestimmt und die PAKs und Levoglucosan im gesammelten Feinstaub PM10 analysiert sowie der Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) und elementarem Kohlenstoff (EC) bestimmt.
Die Ergebnisse gaben einen Überblick über die Luftverschmutzung in diesem Wohngebiet. Die Ergebnisse der PAK-Analysen zeigen, dass das kanzerogene Potenzial der PAKs in beiden Winterperioden 65 % der gesamten PAKs betrug, wobei der größte Teil der täglichen Durchschnittswerte von Benzo[a]pyren den EU-Jahresgrenzwert von 1 ng / m³ überschritt. Zum ersten Mal wurde in diesem Gebiet Ruß (BC) gemessen. Der tägliche Konzentrations- bzw. Tagesverlauf zeigte im Winter 2014/2015 einen großen Beitrag aus Holzverbrennung. Die Feinstaubbelastung durch Holzrauch konnte von dem in allen PM-Proben enthaltenen Levoglucosan erkannt werden. Levoglucosan-Konzentrationen wurden in Bezug auf ihre Korrelationen mit PM10 und anderen Schadstoffen wie BaP, BC und gasförmigen Schadstoffen (CO und NOx) analysiert. Der Beitrag der Holzfeuerung konnte jedoch anhand dieser Umgebungsdaten nicht direkt quantifiziert werden. Für das Berechnungsverfahren, in dem Levoglucosan als Tracer für die Holzverbrennung dient, sind die Emissionsverhältnisse von Levoglucosan erforderlich, die direkt an Emissionsquellen gemessen werden.
Hierfür wurden an einem Holzofen Verbrennungsversuche zur Untersuchung von PM-gebundenem Levoglucosan durchgeführt. Die Probenahme erfolgte mit einer Verdünnungstechnik, die durch den Einsatz eines Verdünnungstunnels nach der EPA-Methode 5G (US Environmental Protection Agency 2000) realisiert wurde. Verschiedene Parameter, die als Betriebs-, Verbrennungs- und Probenahmebedingungen definiert wurden, wurden bestimmt, um ihren möglichen Einfluss auf die Levoglucosan-Bildung zu untersuchen. Die Versuchsplanung umfasste zwei Probenahmeverfahren für zwei Holzarten, die üblicherweise in diesem Wohngebiet verwendet wurden: Buchen-Hartholz und Nadelholz. Zunächst wurden Versuche mit gleichzeitigen Probenahmen vor Verdünnung (heißes Rauchgas) und nach Verdünnung (verdünntes Rauchgas) durchgeführt. Diese Versuche ergaben, dass ein Verdünnungstunnel zum Abkühlen und Verdünnen des heißen Rauchgases erforderlich ist, mit dem es bei niedriger Temperatur ermöglicht wird, dass Levoglucosan an PM adsorbiert. Das nach der Verdünnung gemessene Levoglucosan kann zur Bestimmung der Emissionsverhältnisse herangezogen werden, da es die realistische Situation darstellt, die sich bei Austritt der Abgase aus dem Schornstein in die Umgebungsluft ergibt. Daher wurden Levoglucosan-Proben bei den weiteren Versuchen nur nach Verdünnung genommen. Um die Abhängigkeit beim Verbrennungsverlauf zu ermitteln, wurden die Proben von verschiedenen Verbrennungsphasen genommen. Die Ergebnisse zeigen, dass unabhängig von der Luftstromeinstellung am Holzofen Levoglucosan hauptsächlich in der Anbrenn- und der Hauptbrandphase freigesetzt wird. Der Vergleich verschiedener Versuchsparameter ergab, dass beim Kaltstart aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperatur eine relativ hohe Levoglucosan-Konzentration vorkommt, die jedoch nur während der Anbrennphase auftritt. Das Verdünnungsverhältnis konnte zwischen 5 und 10 reguliert werden, zeigte jedoch keinen offensichtlichen Effekt auf die gemessenen Levoglucosan-Konzentration. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein geeignetes Probenahmeverfahren für Levoglucosan vorgeschlagen und unterschiedliche Levoglucosan-Emissionsverhältnisse berechnet.
Die Umgebungskonzentration von Levoglucosan wurde mit einem lokalen Umrechnungsfaktor multipliziert. Mit diesem Wert ergab sich ein Beitrag von 16 bis 25 % der Holzverbrennung am gesamten PM10 im Winter 2014/2015 im untersuchten Gebiet. Ein Vergleich mit Black-Carbon-Messdaten zeigte einen Biomasse-Black-Carbon-Anteil am gesamten Black Carbon von im Mittel 30 %. Der Biomasse-Black-Carbon-Anteil kann allerdings nicht direkt mit dem aus Levoglucosan berechneten Holzverbrennungs-PM10-Anteil verglichen werden, da es sich um verschiedene Korngrößenverteilungen handelt. Hierzu wären weitere Untersuchungen erforderlich.