Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen ... · Beitrag verkehrsbezogener und...

Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen zur PM10-Feinstaubbelastung an zwei

Standorten in NRW

M. Küpper 1, S. Leinert 2, U. Quass 1, K. Doktor 2, A. John 1, L. Breuer 2, D. Gladtke 2 und T.A.J. Kuhlbusch 1 1 Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), Duisburg 2 Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW, Essen

Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015

Bergisch Gladbach

Bedeutung von Ruß im Feinstaub

• Beeinträchtigung der Gesundheit

• Kann zur Abschätzung der Beiträge aus Verbrennungsprozessen zum Feinstaub (PM) herangezogen werden • Seit Einführung der Umweltzonen ist Verkehrsanteil gesunken

• Einsatz von Holz als Energieträger zum Heizen nimmt zu

→ Biomasseverbrennung kann im Ruhrgebiet deutlich zur

Überschreitungshäufigkeit des Tagesgrenzwerts für PM10 beitragen (Pfeffer et al., 2013)

2 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015

Ziele des Projekts

• Quantifizierung des fossilen Anteils sowie des Beitrags der Biomasseverbrennung am BC und PM10

• Evaluierung der Handhabbarkeit der BC-Monitore

• Bestimmung von


Black Carbon (BC): Optische Messung bei 7 Wellenlängen

Elementarer und organischer Kohlenstoff (EC und OC): Thermo-optische Messung

Levoglucosan: Ionenchroma-tographie

Messstandorte


© openstreetmap 2015 1 km

Städtische Hintergrundstation

Verkehrsstation

Quelldiskriminierung 1. Schritt


Sandradewi et al. (2008)

Ångstrømexponenten (Harrison et al., 2013): αFossil = 0,8 – 1,1 → 1 αBiomasse= 0,9 – 2,2 → 2


Welche Zyklen lassen sich beobachten?

0

1

2

3

4

5

6

7

Sep

13

Okt

13

Nov

13

Dez 1

3

Jan

14

Feb

14

Mär

14

Apr 1

4

Mai

14

Jun

14

Jul 1

4

Aug 1

4

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez 1

4

BC (

950

nm, i

n µg

/m³)

BiomasseFossilgesamt

0

1

2

3

4

5

6

7

Sep

13

Okt

13

Nov

13

Dez 1

3

Jan

14

Feb

14

Mär

14

Apr 1

4

Mai

14

Jun

14

Jul 1

4

Aug 1

4

Sep

14

Okt

14

Nov

14

Dez 1

4

BC (

950

nm, i

n µg

/m³)

BiomasseFossilgesamt

BC-Quelldiskriminierung - Gesamtübersicht


Verkehrsstation


Zeitraum: September 2013 – Ende Dezember 2014

Tagesmittelwerte (n = 500)

BC-Quelldiskriminierung - Verkehrsbeiträge


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5BC

Foss

il-Kon

zent

ratio

n (9

50 n

m, i

n µg

/m³)

Wochentag

Verkehrsstation SommerVerkehrsstation WinterHintergrundstation SommerHintergrundstation Winter

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

BCBi

omas

se-K

onze

ntra

tion

(950

nm

, in

µg/m

³)

Wochentag

Verkehrsstation WinterHintergrundstation WinterVerkehrsstation SommerHintergrundstation Sommer

BC-Quelldiskriminierung - Biomasseverbrennungsbeiträge

9

ähnliche Winter-Tagesgänge wurden u. a. für Werktage in London ermittelt (Fuller et al., 2014)


y = 0.83x + 0.03R² = 0.78

0.0

0.5

1.0

0.0 0.5 1.0BCBi

omas

se-K

onze

ntra

tion

am H

inte

rgru

ndst

. (9

50 n

m, i

n µg

/m³)

BCBiomasse-Konzentration am Verkehrsst.(950 nm, in µg/m³)

BC-Quelldiskriminierung – Fossile und Biomasseverbr.-Beiträge

10

Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function), jeweils oberes Quartil



© openair (Carslaw & Ropkins, 2012)


BC-Quelldiskriminierung – Beiträge fossiler Brennstoffe

11

Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function)


© openstreetmap 2015

50 m

BCFossil überwiegt (gesamter Zeitraum)


BC-Quelldiskriminierung – Biomasseverbrennungsbeiträge

12

Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function)


© openstreetmap 2015

50 m

BCBiomasse überwiegt (Winter 2013/2014)


13

Sandradewi et al. (2008a) und Herich et al. (2010)

Quelldiskriminierung 2. Schritt

• Abschätzung des gesamten CM: CM = EC + 1,8 x OC

• Quantifizierung der verschiedenen Quellbeiträge am CM

Harrison et al. (2013)


Sandradewi et al. (2008) und Favez et al. (2009): C1 = 260000 µg/(Mm²) Favez et al. (2009, 2010), Sandrewi et al. (2008) und Sciare et al. (2011): C2 = 490000 - 810000 µg/(Mm²)


Welche Zyklen lassen sich beobachten?

BC-Quelldiskriminierung – Beiträge zu PM10

15

Anteile PM10,Biomasse im Winterhalbjahr: (Pfeffer et al., 2013): Ca. 11 % in NRW

(Piazzalunga et al., 2011): Max. 15 % in Mailand


0

5

10

15

20

25

Sep.

201

3

Okt

. 201

3

Nov.

201

3

Dez.

2013

Jan.

201

4

Feb.

201

4

Mär

. 201

4

Apr.

2014

Mai

201

4

Jun.

201

4

Jul.

2014

Aug.

201

4

Sep.

201

4

Okt

. 201

4

Nov.

201

4

Dez.

2014

Proz

entu

aler

Ant

eil C

M a

n PM

10

Monat

Hintergrundstation Biomasse Hintergrundstation FossilVerkehrsstation Biomasse Verkehrsstation Fossil


Wie plausibel sind die Ergebnisse?

• Simoneit et al. 1999: Als Monotracer für Holzverbrennung eingeführt

• Analyse erfolgte von PM10-Quarzfaserfiltern

Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan

17

Simoneit et al. (2002)


• Levoglucosan-Menge hängt ab von Verbrennungsbedingungen und Art der Biomasse (Laubhölzer, Nadelhölzer, …)

• Stabilität in der Atmosphäre bedingt durch Reaktion mit •OH-Radikalen

• Zur Berechnung des kohlenstoffhaltigen Anteils aus

Biomasseverbrennungsprozessen wird Faktor genutzt PMBiomasse = F x Levoglucosan

18

Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan


Maenhaut et al., 2012: 10.7 (Flandern) Fuller et al., 2014 11 (London) Pfeffer et al., 2013: 13 (Nordrhein-Westfalen) Saarnio et al., 2012: 24 ± 9 (Finnland)

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

CM a

us d

er B

iom

asse

verb

renn

ung

(übe

r BC

Biom

asse

best

imm

t, in

µg/

m³)

PM10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³)

y = 0.96x + 0.55R² = 0.82

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20CM

aus

der

Bio

mas

seve

rbre

nnun

g (ü

ber

BCBi

omas

sebe

stim

mt,

in µ

g/m

³)


y = 0.89x + 0.44R² = 0.90

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

CM a

us d

er B

iom

asse

verb

renn

ung

(übe

r BC

Biom

asse

best

imm

t, in

µg/

m³)


y = 1.24x + 0.5R² = 0.86

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

CM a

us d

er B

iom

asse

verb

renn

ung

(übe

r BC

Biom

asse

best

imm

t, in

µg/

m³)


y = 1.11x + 0.05R² = 0.92

Biomasseverbrennungskomponente - Quantifizierungsansätze

19

nur Winter

nur Winter

Verkehrsstation (n = 79)

Städtischer Hintergrund (n = 258)



Welchen Beitrag leisten

Biomasseverbrennung und Verkehr zu

Überschreitungstagen?

Überschreitungstage


Jahr

Anzahl Überschreitungstage

Verkehrsstation Städtischer

Hintergrund

2009 28 18

2010 31 16

2011 37 35

2012 25 16

2013 19 14 LANUV-Jahresberichte (2009-2013)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PM10

(in µ

g/m

³)

Datum

CMFossil

CMBio

übriges PM10

Quelldiskriminierung (anhand von BC, EC, OC) – Beiträge zu PM10

22

• Verkehrsstation: Insgesamt 10 Überschreitungstage • 4 Tage weniger abzüglich CMBiomasse

• Dieselben Tage + ein zusätzlicher ohne CMFossil


0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PM10

(in µ

g/m

³)

Datum

CMFossil

CMBio

übriges PM10

23

• Städtische Hintergrundstation: Insgesamt 12 Überschreitungstage • 2 Tage weniger abzüglich CMBiomasse

• Dieselben Tage + ein zusätzlicher ohne CMFossil


Quelldiskriminierung (anhand von BC, EC, OC) – Beiträge zu PM10


Erkenntnisse?

• Abschätzungsansätze scheinen plausible Ergebnisse zu liefern:

• Anteile, Tages- und Wochengänge beider BC- bzw. CM-Komponenten mit Literaturdaten vergleichbar

• Zusammenhang zwischen erhöhten Konzentrationen und jeweiligen Anströmungsrichtungen

• Beide Ansätze zur Quantifizierung des Anteils aus Biomasseverbrennungsprozessen liefern ähnliche Ergebnisse

• Sind die Quelldifferenzierungsansätze noch weiter optimierbar?

• Inwieweit variieren die verwendeten Umrechnungsfaktoren? • Welche Rolle spielen Abbauprozesse von Levoglucosan? • Wie können Abweichungen aufgrund bestimmter

Aerosolcharakteristika berücksichtigt werden?

Quelldiskriminierung


• Insbesondere im Winter machen CM große Anteile an PM10 aus • CM trägt zur Anzahl der Überschreitungstage bei: 50 % der Tage (Verkehrsstation, von n = 10)

25 % der Tage (Hintergrundstation, von n = 12)

→ CMBiomasse und CMFossil tragen im betrachteten Zeitraum ungefähr

gleich stark zur Anzahl der Überschreitungstage bei

Beträge zur Feinstaubbelastung



Konsequenzen?

• CM aus Verkehrsemissionen

• Inwieweit wirken sich Veränderungen in der Fahrzeugflotte und

das Inkrafttreten neuer Abgasnormen aus?

• CM aus der Biomasseverbrennung

• Inwieweit wirkt sich das Inkrafttreten neuer Grenzwerte (2..Stufe der 1. BImSchV ab Januar 2015) aus?

Konsequenzen


Sind weitere Maßnahmen zur Emissionsreduzierung notwendig?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

• Vielen Dank an meine Kollegen und an die Mitarbeiter des LANUV!

• Danke außerdem an die Mitarbeiter von Magee Scientific für ihre Unterstützung hinsichtlich technischer Fragen.


Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen ... · Beitrag verkehrsbezogener und...

Documents

Transcript of Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen ... · Beitrag verkehrsbezogener und...