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Photokatalytische Boden- und Wandbeläge

Photokatalytische Straßenbeläge zur LuftschadstoffreduktionAntrag Nr. 08-14 / A 01807 von Herrn StR Hans Podiuk und Herrn StR Mario Schmidbauer vom 02.09.2010

Photokatalytiche Wandanstriche zur LuftschadstoffreduktionAntrag Nr. 08-14 / A 02233 von Herrn StR Josef Schmidvom 22.02.2011

2 Anlagen

Beschluss des Umweltschutzausschusses vom 29.11.2011 (VB) Öffentliche Sitzung

Inhaltsverzeichnis Seite

I. Vortrag des Referenten 11. Grundlagen und Sachstand 12. Forschungsprojekte 23. Stellungnahme Baureferat 54. Schlussfolgerung

II. Antrag des Referenten 11III. Beschluss 11

I. Vortrag des ReferentenDie Einhaltung der Grenzwerte für Stickstoffdioxid (NO2) stellt europaweit an stark befahrenen Straßen ein bislang kaum lösbares Problem dar. Als mögliche Minderungs-maßnahme wird derzeit u.a. die photokatalytische Wirkung von mit Titanoxid (TiO2) behandelten Boden- bzw. Wandbelägen diskutiert.

In den o.g. Anträgen der CSU Stadträte Herrn Podiuk und Herrn Schmidbauer bzw. Herrn Josef Schmid (siehe Anlage 1 und 2) wird gefordert, dass dem Stadtrat dargestellt wird:

• Welche Erfahrungen hat die Stadt Fulda mit den neuen photokatalytischen Pflastersteinen gemacht?

• Welchen messbaren Nutzen zur Luftschadstoffreduktion haben solche Pflastersteine

Telefon: 0 233-47720 Telefax: 0 233-47705

Referat für Gesundheitund Umwelt Umweltschutz,Umweltplanung,Luftreinhaltung im Verkehr, Stadtklima RGU-UW 12

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im Verhältnis zu den Investitionskosten?• Welche Einsatzbereiche ergeben sich für die Landeshauptstadt München?• Welche Erfahrungen wurden mit photokatalytischen Wandfarben gemacht?• Welchen messbaren Nutzen zur Luftschadstoffreduktion haben solche Wandfarben im

Verhältnis zu den Investitionskosten?• Welche Einsatzbereiche ergeben sich für die Landeshauptstadt München,

insbesondere für die Hauptverkehrsadern sowie Tunnel und Unterführungen?• Welche Förderungsmöglichkeiten (EU) bestehen bzw. durch die Landeshauptstadt an

Dritte gewährt werden können?• Welche Risiken bestehen?

1. Grundlagen und SachstandIm Zusammenhang mit Luftverunreinigungen durch Stickstoffdioxid (NO2) versucht man, sich den photokatalytischen Effekt von TiO2-Nanopartikeln zu Nutze zu machen. Titandioxid (TiO2) wird entweder als Beschichtung auf Baustoffe aufgebracht oder diesen beim Herstellungsprozess beigemischt. Die Grundlagen für die mögliche Wirkung photokatalytischer Straßen- bzw. Wandbeläge sind in der unten stehenden Abbildung dargestellt.

Die Abbildung entstammt einer Veröffentlichung der F.C. Nüdling Betonelemente GmbH + Co KG (Fulda).

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Die potenziellen Luftschadstoffe NO und NO2 werden bei der Kraftstoffverbrennung von den Kraftfahrzeugen emittiert. Das Hauptprodukt NO wird unter atmosphärischen Bedingungen (Sonnenstrahlung, Ozon) in der Luft oder direkt an der Oberfläche schnell zum schädlicheren und gesetzlich in der Außenluft limitierten NO2 aufoxidiert.

Auf einer Oberfläche, die mit dem durch Sonnenstrahlung (UV-Strahlung) aktivier-baren Katalysator Titanoxid (TiO2) behandelt wurde, wird dieses NO2 chemisch umgewandelt, wobei letztendlich Salpetersäue (HNO3) bzw. Nitrat (NO3

-) entstehen. Das gebildete ungefährliche Nitrat ist leicht wasserlöslich und wird von Kondens-, Regen- oder Reinigungswasser aufgenommen und abtransportiert. Das in der Gasphase schädliche HNO3 entsteht nur an der Oberfläche und nicht in der Gasphase; das CO2 nur in zu vernachlässigbaren Mengen. Das Titanoxid wird bei der katalytischen Reaktion nicht verbraucht.

Da dieser Wirkungspfad, wie für NO2, auch für Kohlenwasserstoffe und leicht flüchtige organische Verbindungen (VOCs) möglich ist, ist auch ein positiver Effekt bei der Ozon- und sekundären Aerosol- (Feinstaub-)bildung zu erwarten.

2. ForschungsprojekteDiese von den theoretischen Aussagen her wünschenswerten Wirkungen von mit TiO2

behandelten Belägen wurden in Veröffentlichungen zu verschiedenen Forschungs-projekten diskutiert:

2.1. Das Forschungsprojekt PICADA (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for De-pollution Assessment, 2002 bis 2005), wurde von der EU mit ca. 2 Mio. € geför-dert, um praxistaugliche Wand- und Bodenbeläge in Pilotstudien (Labor, künstliche Freilandstraßenschlucht (siehe Abb. unten), Parkgarage, 3D-Modellierung) zu entwi-ckeln. Die zementbasierten Produkte wurden dabei von CTG Italcementi entwickelt.

Beim unten dargestellten Forschungsaufbau mit Containern wurde eine theoretische Minderung von 40-80 % festgestellt; was einer theoretischen NO2 -Reduktion in einer Straßenschlucht von 5-10 % entspricht. Von Relevanz ist dabei das Verhältnis des Bezugsvolumens V (in der Straßenschlucht) zur photokatalytischen aktiver Flächengröße S.

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2.2. In den Niederlanden wurde von 2005 bis 2009 das 'Air Quality Innovation Programme' zur Verbesserung der Luftqualität an Straßen, mit einem Volumen von 20 Mio. €, durchgeführt. Ein Projekt beschäftigte sich mit photokatalytisch beschichteten Lärmschutzwänden. Obwohl Labormessungen und Modellrechnungen einen deutlichen Effekt, abhängig von Temperatur, Feuchte und Bestrahlungsintensität, zeigten und die Forscher von der Kreativität und Innovationskraft der Hersteller beeindruckt waren, wurden die realen Tests an Straßen lapidar zusammengefasst: 'The pollution simply doesn't reach the barrier' („Die Schadstoffe erreichen die Wand einfach nicht“), es konnte also keine Wirkung nachgewiesen werden.

2.3. Von 2007 bis 2009 wurde in Deutschland das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördertes Forschungsprojekt „Verbesserung der Luftqualität durch photokatalytisches Pflaster“ von der Firma F.C.Nüdling Betonelemente GmbH + Co. KG (Fulda) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (Schmallenberg) durchgeführt:Ausgehend vom Spezialbeton einer italienischen Firma, die keine Angaben zum verwendeten speziellen Photokatalysator und zur Dosierung im Verhältnis zum Bindemittel macht, wurden optimierte Pflastersteine in einem eigens entwickelten Verfahren hergestellt. Diese AirClean®-Steine wurden dann in Messkammern und künstlich angelegten Straßenzügen (siehe Abb. unten) getestet. Laut dieser Tests konnten unter Berücksichtigung der bei den Feldversuchen vorliegenden

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Rahmenbedingungen unter den in Mitteleuropa herrschenden durchschnittlichen Helligkeitsbedingungen NO2-Jahresreduzierungsraten in 3 m Höhe von bis 25% erreicht werden. Eine 7-h-Messung unter realen Bedingungen an zwei unterschied-lichen Straßenabschnitten mit (keine Angaben zur Größe der Pflasterfläche) und ohne AirClean® in Erfurt ergab einen Unterschied von 20%. Leider fehlt allerdings - wie auch bei den anderen Feldversuchen – der Nachweis dass andere Einflussgrößen z.B. die örtlichen Ausbreitungsbedingungen (Straßengeometrie, atmosphärische Schichtung, Windrichtung/-geschwindigkeit) oder die Fahrzeuganzahl/-flottenzusammensetzung keine beeinflussende Rolle gespielt haben.Das Fraunhofer Institut erwartet eine gute Langzeitstabilität der Pflastersteine, d.h. es war im Zeitraum 14 – 23 Monate nach Verlegung keine signifikante Veränderung der photokatalytischen Aktivität zu erkennen und „die durch die photokatalytische Reaktion gebildeten und in die Umwelt eingetragenen Nitratmengen liegen deutlich unterhalb der zurzeit gültigen Grenzwerte“.

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2.4. Wohl aufgrund dieser Forschungsergebnisse wurde der 'Einbau von stickoxid-minderndem Pflaster' als Maßnahme in den Luftreinhalteplan Fulda (Juni 2010) aufgenommen. Die Baumaßnahme 'Sanierung der Petersbergerstraße' begann im März 2010, das Pflaster wurde nur auf Gehwegen, nicht auf der Fahrbahn selbst, verlegt (Anfang Juni bzw. Mitte Oktober 2010). Die NO2-Minderung wurde im Luftreinhalteplan als nicht abschätzbar angegeben, da nicht sicher ist, ob die Strömungsverhältnisse in Straßenschluchten (Verwirbelungen) ausreichen, „um die Schadgase in ausreichenden Kontakt mit dem Pflaster zu bringen“. Dies soll anhand von Messungen mit NO2-Passivsammlern überprüft werden. Vorläufige erste Daten der zwei Probenahmenstellen liegen dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie inzwischen zwar vor, sind aber noch nicht ausgewertet und werden aufgrund der bisherigen kurzen Messzeiträume keine belastbaren Ergebnisse liefern können.

2.5. Am 01.01.2010 (Ende: 31.12.2013) startete ein erneutes von der EU mit ca. 2 Mio.€ bezuschusstes Forschungsprojekt Photopaq (Demonstration of Photocatalytic Remediation Processes on Air Quality), an dem wiederum CTG Intalcrementi beteiligt ist. Ziel ist es, anhand von Laborstudien und Feldversuchen zu untersuchen, wie effektiv sich die Verwendung photokatalytisch aktivierten Baustoffe auf die Konzentra-tionen von Schadstoffen wie zum Beispiel Stickoxiden und aromatischen Kohlenwas-serstoffen in europäischen Städten auswirkt. Für die Feldversuche sollen in zwei europäischen Städten Straßenzüge (Leipzig) bzw. ein Straßentunnel (Brüssel) mit den neuen Materialien ausgestattet werden und die Schadstoffkonzentration vor und nach der Maßnahme gemessen werden. Unten stehende Abb. zeigt die Messanordnung in Leipzig vor Aufbringung der photokatalytischen Wandfarbe. Begleitet werden die Feldversuche und die Laborstudien durch eine umfangreiche Modellierung, um erhaltene Ergebnisse auf größere Gebiete bzw. andere Städte übertragen zu können und den Einsatz dieser Materialien möglichst effektiv zu gestalten.In einer Pressemitteilung zu diesem Projekt heiß es: „Das erreichbare Ausmaß einer Minderung der Konzentration von Stickoxiden in der Stadtluft durch solche Maßnahmen muss aber experimentell festgestellt werden [...] Die Technologien kommen jetzt auf den Markt. Trotzdem müssen sie ihre positive Wirkung auf die Luftqualität aber noch unter realen Bedingungen beweisen.“

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Messanordnung

2.6. BASt ProjektDie Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) stellte fest, dass es seit wenigen Jahren Versuche gibt, mit Hilfe von TiO2 zur Minderung der NO2-Belastung an Straßen beizutragen. Bisher wurden diese ausschließlich unter Laborbedingungen ohne unmittelbare Übertragbarkeit auf reale Bedingungen durchgeführt. Aus diesem Grund wird an der BAB A1 an einem insgesamt zirka zwei Kilometer langen Teilstück bei Osnabrück-Nord der Einsatz von Titandioxid auf Lärmschutzwandelementen zur Minderung der Stickoxid-Konzentration in der Luft untersucht. Dieses Projekt soll nach den im RGU vorliegenden Informationen u.a. im Rahmen des Forschungsprojektes HelioClean durchgeführt werden. HelioClean ist ein Projekt im Rahmen des BMBF-Fachprogramms "Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft -WING". Ziel von HelioClean ist es, durch die enge Vernetzung universitärer und industrieller Forschung Demonstratoren in Form von Baustoffen und bauchemischen Produkten zu entwickeln, die mit Hilfe nanotechnologischer Photohalbleiter auf Basis von nanoskaligem Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO), darauf basierenden Kern-Schale Partikeln und unter Nutzung von Photosensibilisatoren optimiert werden.

Konkretere Informationen zum BASt-Projekt Lärmschutzwandelemente werden bei einer Fachveranstaltung im Bayerischen Landesamt für Umwelt am 13.10.2011 erwartet.

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Ergänzend dazu liegen dem RGU bislang nicht näher konkretisierte Überlegungen aus Frankfurt vor, die Anwendung von photokatalytisch wirksamen Pflastersteinen zu testen.

2.7. Während des von der BASt veranstalteten Kolloquiums „Luftqualität an Straßen“ im März 2011 wurden u.a. mehrere Forschungsvorhaben zur Modellierung der Wirkung photokatalytischer Wandanstriche vorgestellt, die errechnete Reduktion lag bei bis ca. 10 %. Diese Modellergebnisse werden aber wesentlich von den verwendeten Modell-angaben, u.a. zur Depositionsgeschwindigkeit von NO2 bestimmt, ob und inwieweit diese die Realität von Außenluftbedingungen korrekt widerspiegeln ist fraglich.

Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten lassen sich in Pro und Contra zusammenfassen:

Pro: In Labortests, bei „künstlichen“ Straßenschluchten und anhand von Modellrechnungen wird ein potenzieller NO2-Minderungseffekt durch TiO2-haltige Oberflächen festgestellt, aus der Anwendung ergeben sich keine umweltbelastenden Effekte, die Mehrkosten für das Pflaster sind relativ gering bei durchschnittlich fünf € pro Quadratmeter (allerdings unterschiedliche Angaben).

Contra:Unter realen Bedingungen ist dieser Effekt immissionsseitig bislang nicht nachgewiesen bzw. wird der Nachweis sehr schwer zu führen sein, da vergleichbare Umgebungsbedingungen nur sehr schwer oder gar nicht realisierbar sind. Eine der grundlegenden Fragestellungen ist das unter 2.2 beschriebene Problem, ob die Stickoxide aufgrund der Turbulenzen, die insbesondere bei stark befahrenen Straßen einen dominanten Effekt ausüben, überhaupt in ausreichendem Maß die behandelten Oberflächen erreichen und dort chemisch reagieren können. Nicht geklärt sind auch die tatsächlich anfallenden Nitratmengen und die daraus resultierenden Auswirkungen auf angrenzende Grünflächen (Düngungseffekt).

3. Stellungnahme des Baureferates, Hauptabteilung Tiefbau zum Antrag vom 02.09.2010 Photokatalytische Straßenbeläge zur Luftschadstoffreduktion

Das Baureferat führt zu den weiteren Antragspunkten aus:

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3.1. Welche Einsatzbereiche ergeben sich für die Landeshauptstadt München?

Photokatalytische Zusätze zur Reduktion von Stickoxiden in der Luft sind derzeit in Betonbaustoffen, d.h. für den Straßenbau z.B. in Form von photokatalytischen Pflastersteinen, einsetzbar.

Mögliche Einsatzorte sollten über ein hohes Verkehrsaufkommen sowie eine möglichst direkte Sonneneinstrahlung verfügen und windarm sein. Deshalb scheinen hier, aufgrund der in München üblicherweise vorherrschenden Ost-West-Winde, Straßen mit Nord-Süd-Ausrichtung besonders geeignet, wie zum Beispiel die Sonnen- oder die Ludwigstraße.

Grundsätzlich ist der Einsatz von photokatalytischen Pflastersteinen im Gehbahn-bereich möglich, da Münchner Gehwegplatten einfach gegen photokatalytische Pflastersteine ausgetauscht werden können. Dabei ist darauf zu achten, dass die photokatalytischen Beläge optisch dem Münchner Erscheinungsbild (Münchner Gehwegplatten) entsprechen.

Um eine signifikante Reduzierung der Stickoxide zu erreichen, sind jedoch nur starkfrequentierte, sonnige und windarme Pflasterflächen mit hohem Verkehrs-aufkommen geeignet.

Diese Beurteilung basiert auf dem uns vorliegenden Gutachten des Fraunhofer-Instituts in Zusammenarbeit mit der Fa. F.C. Nüdling Betonelemente GmbH + Co. KG, Fulda (s. 2.3).

Eigene Erfahrungen in der Landeshauptstadt München liegen bislang nicht vor.

3.2. Welche Risiken bestehen?

Bei der bautechnischen Risikobetrachtung von photokatalytischen Straßenbelägen sind die Faktoren Verkehrssicherheit und Lebensdauer des Straßenbelags (Langzeitstabilität) zu berücksichtigen.

Laut Gutachten des Fraunhofer-Instituts verfügen die getesteten Beläge über eine normgerechte Verkehrssicherheit sowie über eine gute und normgerechte Lebensdauer bezüglich Festigkeit und Abrieb.

Ebenso ist gemäß Gutachten von einer guten Langzeitstabilität des photokataly-tischen Straßenbelags auszugehen. Aufgrund fehlender Langzeituntersuchungen kann hierzu jedoch keine endgültige Aussage getroffen werden und ist ggf. durch

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Laboruntersuchungen (z.B. auf Frostbeständigkeit gemäß ZTVStraMü) vor einem möglichen Einbau zu prüfen.

3.3. Um die Wirkungsweise der Beläge zu erproben, empfehlen wir einen testweisen Einsatz, jedoch nur wenn ein begleitendes Monitoring der Stickoxidwerte durch das RGU durchgeführt wird.

4. Schlussfolgerung:Die obigen Ausführungen zeigen, dass die photokatalytische Wirkung von mit TiO2

behandelten Pflaster- und Wandbelägen im Labor und modellhaft nachgewiesen wurde; es fehlt aber der konkrete, nachvollziehbare Nachweis unter realen Außen-luftbedingungen. Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass, abgesehen von dem Projekt in Fulda, die Untersuchungen zur photokatalytischen Wirkung unter realen Außenluftbedingungen zur Zeit eher der wissenschaftlichen Grundlagenforschung zu zu ordnen sind.

Der Vorschlag des Baureferates, die Wirkungsweise dieser Beläge unter Einbe-ziehung eines begleitenden Monitorings der Stickoxidwerte zu testen, ist grundsätzlich zu begrüßen. Um aus einem derartigen Test belastbare Ergebnisse zu erzielen sind jedoch, auch im Hinblick auf die oben dargestellten Projekte, umfassende und grundlegende Voraussetzungen zu schaffen, um insbesondere die Vergleichbarkeit der Testflächen zu gewährleisten:

- Ausreichend dimensionierte und von den Randbedingungen (Randbebauung, Bewuchs, Verkehr... ) her weitgehend identische Versuchsflächen, unter Berücksichtigung der unter 3.1. formulierten Anforderungen des Baureferates (stark verkehrsbelastet, sonnig, windarm, z.B. Sonnen- oder Ludwigstraße)

- zeitlich hoch auflösendes und exaktes Messequipment (u.a. keine Passivsammler, meteorologische Messungen).

Da diese Forderung nur mit einem vergleichsweise hohen Aufwand zu erfüllen sind, schlägt das RGU vor, die Entwicklung und Forschung zu diesen Belägen weiter zu verfolgen und auf Basis dieser Ergebnisse zusammen mit dem Baureferat und dem Bayerischen Landesamt für Umwelt ggf. ein eigenes Projekt zu entwickeln. In diesem Zusammenhang ist auch die Frage nach Förderungsmöglichkeiten zu behandeln. Die obigen Beispiele zeigen bereits, dass diese Förderungen bislang für wissenschaftliche Projekte und nicht für Anwendungsbeispiele gewährt wurden.

Die Beschlussvorlage ist mit dem Baureferat abgestimmt.

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Anhörung des Bezirksausschusses In dieser Beratungsangelegenheit ist die Anhörung des Bezirksausschusses nicht vorgesehen (vgl. Anlage 1 der BA-Satzung).

Der Korreferent des Referates für Gesundheit und Umwelt, Herr Stadtrat Ingo Mittermaier, der zuständige Verwaltungsbeirat, Herr Stadtrat Dr. Georg Kronawitter, das Baureferat sowie die Stadtkämmerei haben einen Abdruck der Vorlage erhalten.

II. Antrag des Referenten 1. Vom Vortrag des Referenten wird Kenntnis genommen.

2. Das RGU wird beauftragt, die Entwicklung bei der Wirkungsforschung der photo-katalytischen Straßenbeläge und Wandanstriche weiter zu beobachten und ggf. zusammen mit dem Baureferat und dem Bayerischen Landesamt für Umwelt ein geeignetes Projekt zu skizzieren. Dem Stadtrat ist zu gegebener Zeit erneut zu berichten.

3. Die Anträge Nr. 08-14 / A 01807 von Herrn Stadtrat HansPodiuk und Herrn Stadtrat Mario Schmdbauer vom 02.09.2010 und Nr. 08-14 / A 02233 von Herrn Stadtrat Josef Schmid vom 22.02.2011 sind damit geschäftsordungsgemäß erledigt.

4. Dieser Beschluss unterliegt nicht der Beschlussvollzugskontrolle.

III. Beschlussnach Antrag. Die endgültige Entscheidung in dieser Angelegenheit bleibt der Vollversammlung des Stadtrates vorbehalten.

Der Stadtrat der Landeshauptstadt München.

Der Vorsitzende Der Referent

Ober-/Bürgermeister Joachim LorenzBerufsmäßiger Stadtrat

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IV. Abdruck von I. mit III. (Beglaubigungen)über den stenographischen Sitzungsdienstan das Revisionsamtan die Stadtkämmereian das Direktorium – Dokumentationsstellean das Referat für Gesundheit und Umwelt RGU-S-SB

V. Wv Referat für Gesundheit und Umwelt RGU-S-SBzur weiteren Veranlassung (Archivierung, Hinweis-Mail).