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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
3 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Black Carbon (BC): Optische Messung bei 7 Wellenlängen
Elementarer und organischer Kohlenstoff (EC und OC): Thermo-optische Messung
Levoglucosan: Ionenchroma-tographie
Messstandorte
4 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
© openstreetmap 2015 1 km
Städtische Hintergrundstation
Verkehrsstation
Quelldiskriminierung 1. Schritt
5 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Sandradewi et al. (2008)
Ångstrømexponenten (Harrison et al., 2013): αFossil = 0,8 – 1,1 → 1 αBiomasse= 0,9 – 2,2 → 2
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n µg
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Okt
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Nov
14
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4
BC (
950
nm, i
n µg
/m³)
BiomasseFossilgesamt
BC-Quelldiskriminierung - Gesamtübersicht
7 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Verkehrsstation
Städtische Hintergrundstation
Zeitraum: September 2013 – Ende Dezember 2014
Tagesmittelwerte (n = 500)
BC-Quelldiskriminierung - Verkehrsbeiträge
8 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
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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
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BCBi
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onze
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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)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
y = 0.83x + 0.03R² = 0.78
0.0
0.5
1.0
0.0 0.5 1.0BCBi
omas
se-K
onze
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. (9
50 n
m, i
n µg
/m³)
BCBiomasse-Konzentration am Verkehrsst.(950 nm, in µg/m³)
BC-Quelldiskriminierung – Fossile und Biomasseverbr.-Beiträge
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Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function), jeweils oberes Quartil
Städtische Hintergrundstation
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
© openair (Carslaw & Ropkins, 2012)
© openair (Carslaw & Ropkins, 2012)
BC-Quelldiskriminierung – Beiträge fossiler Brennstoffe
11
Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
© openstreetmap 2015
50 m
BCFossil überwiegt (gesamter Zeitraum)
© openair (Carslaw & Ropkins, 2012)
BC-Quelldiskriminierung – Biomasseverbrennungsbeiträge
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Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
© openstreetmap 2015
50 m
BCBiomasse überwiegt (Winter 2013/2014)
© openair (Carslaw & Ropkins, 2012)
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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)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
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)
BC-Quelldiskriminierung – Beiträge zu PM10
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Anteile PM10,Biomasse im Winterhalbjahr: (Pfeffer et al., 2013): Ca. 11 % in NRW
(Piazzalunga et al., 2011): Max. 15 % in Mailand
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
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2014
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. 201
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Dez.
2014
Proz
entu
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Ant
eil C
M a
n PM
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Monat
Hintergrundstation Biomasse Hintergrundstation FossilVerkehrsstation Biomasse Verkehrsstation Fossil
• Simoneit et al. 1999: Als Monotracer für Holzverbrennung eingeführt
• Analyse erfolgte von PM10-Quarzfaserfiltern
Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan
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Simoneit et al. (2002)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
• 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
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Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
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)
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0 5 10 15 20
CM a
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asse
verb
renn
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(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
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0 5 10 15 20CM
aus
der
Bio
mas
seve
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nnun
g (ü
ber
BCBi
omas
sebe
stim
mt,
in µ
g/m
³)
PM10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³)
y = 0.89x + 0.44R² = 0.90
0
5
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0 5 10 15 20
CM a
us d
er B
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asse
verb
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(übe
r BC
Biom
asse
best
imm
t, in
µg/
m³)
PM10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³)
y = 1.24x + 0.5R² = 0.86
0
5
10
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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 = 1.11x + 0.05R² = 0.92
Biomasseverbrennungskomponente - Quantifizierungsansätze
19
nur Winter
nur Winter
Verkehrsstation (n = 79)
Städtischer Hintergrund (n = 258)
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
20 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Welchen Beitrag leisten
Biomasseverbrennung und Verkehr zu
Überschreitungstagen?
Überschreitungstage
21 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
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
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20
30
40
50
60
70
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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
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
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100
PM10
(in µ
g/m
³)
Datum
CMFossil
CMBio
übriges PM10
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• Städtische Hintergrundstation: Insgesamt 12 Überschreitungstage • 2 Tage weniger abzüglich CMBiomasse
• Dieselben Tage + ein zusätzlicher ohne CMFossil
Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Quelldiskriminierung (anhand von BC, EC, OC) – Beiträge zu PM10
• 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
25 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
• 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
26 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
• 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
28 Kolloquium Luftqualität an Straßen 2015
Sind weitere Maßnahmen zur Emissionsreduzierung notwendig?