Leitfaden. Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg

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1 Leitfaden Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg

2 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg

3 2 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU IMPRESSUM Herausgeber Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg Karlsruhe Postfach , Erscheinungsdatum August 2004, ergänzt Dezember 2004 Projektbearbeitung ima Richter und Röckle Eisenbahnstr Freiburg Redaktion Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg Ref. 33 Luftqualität, Lärm, Verkehr Dr. Dieter Ahrens

4 LfU Inhaltsverzeichnis 3 1 Einleitung Aufgabenstellung Prüfliste Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens Formulierung der Aufgabenstellung Darstellung der Beurteilungsgrundlagen Beschreibung der örtlichen Verhältnisse Topografische Struktur des Untersuchungsgebietes Nutzungsstruktur im Untersuchungsgebiet Emissionsseitige Eingangsdaten Beschreibung des Betriebs Beschreibung der Quellen Emissionsparameter und zeitliche Charakteristik Allgemeine Emissionsparameter Zeitliche Charakteristik Abgasfahnenüberhöhung Spezialfall Stäube Zusammenfassende Darstellung der Emissionen Weitere Eingangsgrößen Rechengebiet und räumliche Auflösung Bodenrauhigkeit Statistische Sicherheit Meteorologische Daten Meteorologische Zeitreihe oder Ausbreitungsklassenstatistik Zeitliche Repräsentativität der meteorologischen Daten Räumliche Repräsentativität der meteorologischen Daten Berücksichtigung von Gelände und Bebauung Berücksichtigung von Gelände Berücksichtigung von Bebauung Modelle, die bei Überschreitung der Anwendbarkeitsgrenzen von AUSTAL2000 eingesetzt werden können Darstellung der Ergebnisse der Ausbreitungsrechnungen Bewertung der Ergebnisse der Ausbreitungsrechnungen Literatur Bestandteile des Anhangs Protokolldatei des Rechenlaufs ( austal2000.log ) Emissionsverlauf Liste der Kennungen in alphabetischer Reihenfolge... 44

5 4 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU

6 LfU Einleitung 5 1 Einleitung Die novellierte TA Luft beinhaltet gegenüber der TA Luft 86 deutlich niedrigere Bagatellmassenströme sowie verschärfte Immissionswerte. Hierdurch ist der Bedarf, die anlagenbedingten Zusatzbelastungen mittels Ausbreitungsrechnungen zu ermitteln, gestiegen. Die Behörden müssen sich im Rahmen von Genehmigungsverfahren daher zunehmend mit Prognosegutachten befassen. Um die neuen, an die EU-Richtlinien angepassten Immissionskenngrößen ermitteln zu können, wurde im Anhang 3 der TA Luft ein Ausbreitungsmodell festgeschrieben, das in seinen Möglichkeiten deutlich über das Gauß sche Ausbreitungsmodell der TA Luft 86 hinausgeht. Da das Modell unter anderem mit dreidimensionalen Strömungsfeldern umgehen kann, ist es möglich, auch in topographisch gegliedertem Gelände oder im Nahbereich von Gebäuden Ausbreitungsrechnungen durchzuführen. Das in der TA Luft beschriebene Ausbreitungsmodell ist somit in der Lage, ein weites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten abzudecken. Trotzdem ist das derzeit verfügbare Programmsystem nicht in allen Fällen anwendbar, wie die Einschränkungen in Anhang 3 der TA Luft zeigen. Danach darf die Geländeneigung im Beurteilungsgebiet einen Wert von 1:5 nicht überschreiten darf das im Ausbreitungsmodell enthaltene diagnostische Strömungsmodell nur angewandt werden, wenn keine lokalen Windsysteme (z.b. Kaltluftabflüsse) vorliegen. In den Prognosegutachten muss dargestellt werden, dass diese Kriterien eingehalten sind. Werden sie nicht eingehalten, muss nachvollziehbar belegt werden, welche Auswirkungen dies auf die berechneten Immissionen hat. Alternativ sind Methoden anzuwenden, die über das derzeit verfügbare diagnostische Programmsystem AUSTAL2000 hinausgehen. Allgemein müssen Prognosegutachten die Kriterien Nachvollziehbarkeit Vollständigkeit richtige Anwendung der Methoden und Modelle erfüllen. In Abbildung 1-1 ist dargestellt, unter welchen Bedingungen im Rahmen eines Genehmigungsverfahrens - keine Ausbreitungsrechnung - eine Ausbreitungsrechnung zur Prüfung der Irrelevanz der Zusatzbelastung - eine vollständige Immissionsprognose erforderlich ist.

7 6 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Ermittlung des von der Anlage ausgehenden Massenstroms Bagatellmassenstrom unterschritten (Nr , Tab. 7)? Beachten: niedrige Quellen nein ja ja Immissionsvorbelastung gering (Nr )? Sonderfallprüfung notwendig (Nr. 4.8) (z.b. wegen diffuser Emissionen, weil für den Schadstoff kein Bagatellmassenstrom existiert, keine Schadstoffimmissionswerte existieren, wegen problematischer Umgebungsbedingungen etc.)? ja nein nein ja Sind Gefahren, erhebliche Belästigungen, Bodenbelastungen auszuschließen? nein Ausbreitungsrechnung (Anhang 3) ja Zusatzbelastung irrelevant (Nr , 4.3.2, 4.4.1, 4.4.3, 4.5.2)? nein Aufgrund der zu erwartenden Immissionen keine Hinderungsgründe für eine Genehmigung Ermittlung der Immissionskenngrößen (Vorbelastung, Zusatzbelastung, Gesamtbelastung). Ggf. Prüfung auf Bodenbelastung (Nr ) Abbildung 1-1: Flussdiagramm zur Bestimmung, wann eine Immissionsprognose erforderlich ist.

8 LfU Aufgabenstellung 7 2 Aufgabenstellung In diesem Leitfaden wird aufgeführt, welche Informationen ein Gutachten zur Ausbreitungsrechnung nach TA Luft 2002 enthalten muss, damit der Inhalt von den zuständigen Behörden nachvollzogen werden kann und die Gutachten einer Prüfung bei etwaigen Einsprüchen oder Rechtsstreitigkeiten standhalten. Kapitel 3 enthält eine Prüfliste, in der die wichtigsten Informationen in Form von Stichworten zusammengefasst sind. Diese Liste muss vom Gutachter abgearbeitet und etwaige Abweichungen müssen plausibel begründet werden. Aus der Prüfliste ergibt sich unter anderem, ob eine Sonderfallprüfung notwendig ist. Diese Prüfliste enthält Querverweise auf Erläuterungen, die in Kapitel 4 dargestellt sind. 3 Prüfliste Anhand der Prüfliste können die einzelnen Teile eines Gutachtens auf - Behandelt (Spalte vorhanden ) - Vollständig (Spalte vollständig ) und - Methoden und Modelle, soweit nachvollziehbar, richtig angewendet (Spalte plausibel ) geprüft werden. Dazu sind die entsprechenden Punkte abzuhaken. Viele der zu prüfenden Punkte bzw. Daten sind der Protokolldatei (Definition der Protokolldatei siehe ) zu entnehmen; die Kürzel der entsprechenden Feldbezeichnungen sind nachfolgend in der Prüfliste und in den Erläuterungen in eckigen Klammern [..] hervorgehoben. Um auf das jeweilige Kommentar-Kapitel oder die Verweise auf die Protokolldatei zu springen, ist in der online-version die STRG-Taste zu drücken und dann mit der Maus auf die Kapitelnummer oder die Kennung zu klicken. Um zurück zur Prüfliste zukommen, sind die ALT-Taste und die Pfeil nach links -Taste zu drücken. Prüfliste Kapitel Prüfpunkte vorhanden vollständig plausibel 4.1 Aufgabenstellung 4.2 Beurteilungsgrundlagen dargestellt 4.3 Beschreibung der örtlichen Verhältnisse 4.3 Pläne dargestellt 4.4 Emissionen Beschreibung des Betriebs Beschreibung der Quellen Koordinaten (xq, yq), Ausdehnung (aq, bq, cq) und Ausrichtung (wq), Höhe (hq= Unterkante) der Quellen Emissionen (Angabe über Stoffnamen) und Beschreibung der zeitlichen Charakteristik (? nach dem Stoffnamen bedeutet Zeitreihe)

9 8 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Kapitel Prüfpunkte vorhanden vollständig plausibel Überhöhung (z.b. Angabe des Wärmestroms qq) berücksichtigt Spezialfall Stäube (Angabe PM-1, PM-2, etc.) Weitere Eingangsgrößen Rechengebiet: Radius muss mindestens 50x größte Schornsteinhöhe betragen Räumliche Auflösung: Rasterschrittweite (dd) < Schornsteinhöhe (innerhalb 10 Schornsteinhöhen) Rauhigkeitslänge (Corine bzw. z0) Statistische Sicherheit (qs) 4.6 Meteorologische Daten Lage der Messstelle beschrieben, räumliche Repräsentanz begründet Häufigkeitsverteilung der Windrichtungen dargestellt Koordinaten des Windmessgerätes (xa, ya), Höhe (ha) des Windmessgerätes über Grund Zeitreihe verwendet (sinnvoll bei zeitabhängigen Emissionen, notwendig zur Bestimmung von Tagesmittelwerten) und Auswahl des Jahres der Zeitreihe begründet oder Ausbreitungsklassenstatistik verwendet 4.6. wesentliche Einflüsse von lokalen Windsystemen vorhanden und keine am Standort gemessene Meteorologie Sonderfallbetrachtung 4.7 Berücksichtigung von Bebauung und Gelände Höhendifferenzen zum Emissionsort von mehr als dem 0,7fachen der Schornsteinbauhöhe und Steigungen (bezogen auf 2 Schornsteinbauhöhe) von mehr als 1:20 Gelände ist zu berücksichtigen Steigungen (Steilheit) größer 1:5 vorhanden (bei 50 m Schornstein beispielsweise mehr als 20 m auf 100 m Entfernung) Sonderfallbetrachtung a) Beträgt die Schornsteinbauhöhe mehr als das 1,7fache der Gebäudehöhen, ist die Berücksichtigung der Bebauung durch Rauhigkeitslänge und Verdrängungshöhe ausreichend (Standardfall). b) Beträgt die Schornsteinbauhöhe weniger als das 1,7fache, aber mehr als das 1,2 fache der Gebäudehöhen und ist eine freie Abströmung gewährleistet, können die Einflüsse mit Hilfe eines diagnostischen Windfeldmodells berücksichtigt werden. Für a) und b) sind die Gebäude maßgeblich, deren Abstand von der Quelle kleiner als 6 Schornsteinbauhöhen ist. 4.8 Verwendetes Ausbreitungsmodell bzw. verwendete Windfeldmodelle anstelle / zusätzlich zu AUSTAL2000 Wurde zum Zeitpunkt der Gutachtenerstellung aktuelle AUSTAL2000 Version verwendet ( Begründung der Eignung und Beschreibung der Vor- und Nachteile des Modells gegenüber AUSTAL Darstellung der Ergebnisse

10 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 9 Kapitel Prüfpunkte vorhanden vollständig plausibel Ergebnisse grafisch dargestellt Ergebnisse erörtert 4.10 Bewertung der Ergebnisse Prüfung auf Einhaltung der Immissionswerte - Zusatzbelastung für alle Schadstoffe irrelevant - Zusatzbelastung > Irrelevanzgröße: vollständige Immissionsprognose, d.h. Darstellung der Vorbelastung, Ermittlung / Bewertung der Gesamtbelastung (nach TA Luft Kap. 4.7; nicht mehr Gegenstand dieses Leitfadens) 4.11 Literatur vollständig Eingangsdaten und Protokolle des Rechenlaufs im Anhang 4 Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 4.1 Formulierung der Aufgabenstellung Aus der Aufgabenstellung müssen mindestens folgende Informationen hervorgehen: Auftraggeber Datum der Gutachtenerstellung Anlass für die Erstellung des Gutachtens (z.b. Neuerrichtung einer Anlage, Änderung einer bestehenden Anlage, nachträgliche Anordnung bei einer bestehenden Anlage). Bei behördlichen Genehmigungsbescheiden oder Anordnungen: Name der Behörde, Aktenzeichen, Datum, ggf. Zitat aus dem Bescheid oder der Anordnung, Einordnung in die 4. BImSchV. Name und Sitz der Firma, auf die sich das Prognosegutachten bezieht. Art der zu beurteilenden Anlage (z.b. Eisengießerei, Feuerungsanlage, Kompostwerk) Aus der Aufgabenstellung muss ferner abgeleitet werden können, welche Schadstoffkomponenten zu betrachten sind und welche Aussagen vom Gutachten erwartet werden (z.b. Staubimmissionen in einem benachbarten Gewerbegebiet). 4.2 Darstellung der Beurteilungsgrundlagen Aus der Aufgabenstellung ergibt sich, welche Schadstoffe betrachtet werden müssen. In diesem Kapitel sind die Beurteilungsgrundlagen aufzuführen. Zu nennen sind die für jeden Stoff heranzuziehenden Immissionswerte, deren zeitlicher Bezug (Jahresmittelwert, Tagesmittelwert, Überschreitungshäufigkeit, usw.) und deren Vorschrift (z.b. TA Luft).

11 10 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU 4.3 Beschreibung der örtlichen Verhältnisse Aus der Beschreibung der örtlichen Verhältnisse müssen die topografische Situation in der Umgebung der Anlage und der räumliche Bezug zu den betroffenen Schutzgütern dargestellt werden. Einzelheiten sind in den Kapiteln und dargestellt Topografische Struktur des Untersuchungsgebietes Durch topografisch gegliedertes Gelände werden die lokalen Ausbreitungsverhältnisse, d.h. die meteorologischen Verhältnisse, erheblich beeinflusst. Der Bericht muss daher einen Auszug aus der Topografischen Karte enthalten, der das Rechengebiet (siehe hierzu Kapitel 4.5.1) abdeckt. Die Karte muss folgende Informationen beinhalten: Standort der Anlage Maßstabsangabe Nordpfeil Darstellung des Beurteilungsgebiets Informationen zur Topografie, z.b. in Form von Höhenlinien Die grundsätzliche Struktur (Ebene, Tallage, Hanglage o.ä.) muss im Text beschrieben werden, ebenso topografische Hindernisse (wie z.b. Wälle), die einen Einfluss auf die Ausbreitung haben können. Daraus lässt sich ersehen, ob z.b. das Gelände in der Ausbreitungsrechnung berücksichtigt werden muss. Die Beschreibung wird sinnvollerweise durch aktuelle Fotos der örtlichen Gegebenheiten ergänzt. Näheres dazu wird in Kapitel 4.7 beschrieben Nutzungsstruktur im Untersuchungsgebiet Entsprechend den Vorgaben der TA Luft müssen die Einwirkungen auf unterschiedliche Schutzgüter betrachtet werden. In der Regel handelt es sich um das Schutzgut Mensch, das durch Wohngebiete, Gewerbegebiete, Industriegebiete oder Bebauungen im Außenbereich repräsentiert wird. In Einzelfällen kann auch der Boden oder die Vegetation als Schutzgut betrachtet werden (Deposition). Sofern die in Kapitel enthaltene Karte keine oder nur unzureichende Informationen zur Art und Lage der Schutzgüter enthält, kann in diesem Kapitel eine weitere Karte mit entsprechenden Informationen eingefügt werden. Dabei ist auf die Aktualität der Karten zu achten. Auch zukünftig geplante Nutzungen, z.b. geplante oder bereits genehmigte Baugebiete, sind zu berücksichtigen. Im Text müssen die Nutzungsstrukturen, insbesondere die Abstandsverhältnisse zu den Schutzgütern, dargestellt werden. 4.4 Emissionsseitige Eingangsdaten Eine wichtige Eingangsgröße zur Prognose der Immissionen sind die von einer Anlage ausgehenden Emissionsparameter. Das Ausbreitungsmodell ist in der Lage, die Quelltypen, die zeitliche Emissionscharakteristik sowie teilweise spezielle Eigenschaften der emittierten Substanzen zu berücksichtigen. Die folgenden Kapitel bis enthalten Vorgaben, welche Informationen hierzu im Gutachten darzustellen sind. Die wichtigsten Kenngrößen sind in Kapitel in Form einer Tabelle zusammengefasst Beschreibung des Betriebs Üblicherweise sind die Verfahrensschritte und die damit verbundenen Emissionsparameter in den Antragsformularen des Betreibers aufgeführt. Im Gutachten müssen daraus neben Art und der Zweck der Anlage die Anlagenteile und Verfahrensschritte entsprechend der 9. BImSchV beschrieben und hervorgehoben werden, die für die Prognose der Emissionen von

12 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 11 Bedeutung sind. Bei der Neuerrichtung einer Anlage sind dies alle emissionsrelevanten Anlagenteile und Verfahrensschritte. Bei der wesentlichen Änderung einer bestehenden Anlage werden nur die emissionsrelevanten Anlagenteile und Verfahrensschritte berücksichtigt, die geändert werden oder auf die sich die Änderungen auswirken werden, es sei denn, dass durch die Änderung die Bagatellmassenströme (Tabelle 7, TA Luft) erstmalig überschritten werden. Dabei ist es unerheblich, ob das Überschreiten des Bagatellmassenstroms durch eine Änderung der Anlage oder durch eine Änderung der Vorgaben für die Bagatellmassenströme hervorgerufen wird. Die hierfür erforderlichen Angaben werden in den folgenden Kapiteln erläutert Beschreibung der Quellen Das Ausbreitungsmodell der TA Luft ist in der Lage, folgende Quelltypen zu berücksichtigen: Punktquellen: z.b. Kamine, Abluftrohre Linienquellen: z.b. Lüfterbänder, Fahrwege Flächenquellen: z.b. Schlackenbeete, Biofilter, Klärbecken. Volumenquellen: z.b. Fenster und Tore, verteilt über ein Betriebsgebäude Im Bericht ist jede Quelle einer dieser Kategorien zuzuordnen; dabei sind Ausdehnung in x-, y- und z-richtung [aq, bq, cq] und Ausrichtung (Drehwinkel [wq]) anzugeben. Dies geschieht am zweckmäßigsten in Form einer Tabelle. Die räumliche Lage der Quelle(n) ist gekennzeichnet durch: - x-koordinate [xq] relativ zum Nullpunkt des Rechengitters [gx] - y-koordinate [yq] relativ zum Nullpunkt des Rechengitters [gy] - Höhe über Grund [hq] (Unterkante der Quelle) Im Bericht sind die Quellkoordinaten anzugeben. Anstelle von Gauß-Krüger-Koordinaten können auch Relativkoordinaten zu dem Bezugspunkt [gx, gy] angegeben werden. Der Bezugspunkt und dessen Gauß-Krüger-Koordinaten müssen jedoch dargestellt werden Emissionsparameter und zeitliche Charakteristik Allgemeine Emissionsparameter Anhang 3, Punkt 2 der TA Luft fordert: Die Emissionsparameter der Emissionsquelle (Emissionsmassenstrom, Abgastemperatur, Abgasvolumenstrom) sind als Stundenmittelwerte anzugeben. Bei zeitlichen Schwankungen der Emissionsparameter, z.b. bei Chargenbetrieb, sind diese als Zeitreihe anzugeben. Ist eine solche Zeitreihe nicht verfügbar oder verwendbar, sind die beim bestimmungsgemäßen Betrieb für die Luftreinhaltung ungünstigsten Betriebsbedingungen einzusetzen. Hängt die Quellstärke von der Windgeschwindigkeit ab (windinduzierte Quellen), so ist dies entsprechend zu berücksichtigen Zeitliche Charakteristik Tageszeitlich oder jahreszeitlich unterschiedliche Parameter sind z.b. ein 2-Schicht-Betrieb oder ein saisonaler Betrieb (Zuckerfabrik, Grastrocknung). Für diese soll eine Zeitreihe der E- missionsparameter verwendet werden. Damit können tageszeitliche bzw. jahreszeitlich unterschiedliche meteorologische Bedingungen berücksichtigt werden. So treten nachts üblicherweise häufiger Inversionen und Schwachwindlagen als tagsüber auf. Zeitabhängige Werte werden in der Eingangsdatei mit einem Fragezeichen? gekennzeichnet. AUSTAL2000 liest für so gekennzeichnete Werte eine Zeitreihendatei mit mindestens 24 aufeinander folgenden Stundenmittelwerten ein. Üblicherweise werden 8760 Stundenmittelwerte eingelesen.

13 12 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Werden trotz zeitlicher Schwankungen der Emissionsverhältnisse keine Zeitreihen verwendet, so ist im Gutachten darauf hinzuweisen und die Abweichung plausibel zu begründen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass schwachwindige Inversionslagen (Ausbreitungsklassen I und II, siehe TA Luft Anhang 3 Punkt 8.4) nicht unbedingt zu höheren Immissionszusatzbelastungen in Bodennähe führen als die tagsüber herrschenden neutralen Wetterlagen. Diese auf den ersten Blick unplausible Aussage gilt immer dann, wenn die Abgase über Kamine abgeleitet werden. Abbildung 4-1 zeigt den Sachverhalt am Beispiel eines 20 m hohen Kamins. Es wurden folgende Eingangsdaten gewählt: Quellhöhe [hq]: Volumenstrom i.n.f.: 20 m 3,3 m³/s Abgastemperatur an der Kaminmündung: 130 C Wärmestrom an der Kaminmündung [qq]: 0,5 MW SO 2 - Massenstrom Rauhigkeitslänge [z0]: 0,5 m Windgeschwindigkeit in 10 m über Grund: Windrichtung in 10 m über Grund: Geländeform: [so2]: 0,17 g/s 2 m/s 270 Grad (West) eben Die Berechnungen wurden für jede Ausbreitungsklasse durchgeführt. Bei bodennahen Quellen (z.b. diffusen Emissionen) treten die höchsten Immissionsbeiträge hingegen immer bei Inversionslagen auf. Im Gutachten muss nachvollziehbar beschrieben werden, welche Quellen als kontinuierlich emittierend und welche Quellen zeitabhängig angesetzt wurden. Bei zeitabhängigen Quellen ist für den Fall, dass keine Informationen über den zeitlichen Verlauf vorliegen, von einer kontinuierlichen Emission mit den ungünstigsten Betriebsbedingungen (beim bestimmungsgemäßen Betrieb) auszugehen.

14 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 13 Inversion (stabile Schichtung) AK: I Cmax=1.2 µg/m³ (x=2020m, y=-400m) AK: II Cmax=3.7 µg/m³ (x=940m, y=-100m) indifferente Schichtung AK: III 1 Cmax=4.4 µg/m³ (x=520m, y=-20m) AK: III 2 Cmax=3.5 µg/m³ (x=460m, y=-20m) labile Schichtung AK: IV Cmax=2.5 µg/m³ (x=340m, y=0m) AK: V Cmax=1.6 µg/m³ (x=280m, y=0m) Stundenmittelwerte in µg/m³ Abbildung 4-1: Berechnete SO 2 -Konzentrationen (1-Stunden-Mittelwerte) für unterschiedliche Ausbreitungsklassen

15 14 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Folgende Größen können im Ausbreitungsmodell zeitabhängig angegeben werden: Massenstrom Wärmestrom und ggf. Austrittsgeschwindigkeit des Abgases Der Massenstrom ist die emittierte Masse pro Zeiteinheit und wird in der Regel in kg/h angegeben. In AUSTAL2000 wird er in g/s angegeben. TA Luft Kapitel 2.5b: Der Massenstrom ist die während einer Betriebsstunde bei bestimmungsgemäßem Betrieb einer Anlage unter den für die Luftreinhaltung ungünstigsten Betriebsbedingungen auftretende Emission der gesamten Anlage Abgasfahnenüberhöhung Heiße Abgase erfahren in der Atmosphäre einen Auftrieb, so dass sich effektiv eine größere Quellhöhe ergibt (Abgasfahnenüberhöhung) und die bodennahen Immissionen demzufolge zurückgehen. Ein analoger Effekt ergibt sich auch durch den Impuls des vertikal ausgeblasenen Abgases. Zur Berechnung werden der Wärmestrom und ggf. die Ausströmgeschwindigkeit benötigt. Der Wärmestrom [qq] des Abgases ist in MW anzugeben. Der Wärmestrom wird folgendermaßen berechnet: M q = R (T q - T 0 ) R = Volumenstrom des Abgases (f) im Normzustand in m³/s T q = Abgastemperatur in Celsius T 0 = mittlere Lufttemperatur (10 Celsius) Wird der Wärmestrom nicht berücksichtigt, führt dies zu einer Überschätzung der Immissionen. Zur Berechnung des Wärmestroms sind gemäß Anhang 3 Punkt 6 der TA Luft die Abgastemperatur Tq und der Volumenstrom des Abgases (f) im Normzustand anzugeben. Es wird empfohlen, den Wärmestrom bei der Prüfung der Prognose nachzurechnen, da es sich um eine wesentliche Eingangsgröße handelt. Soll der Austrittsimpuls berücksichtigt werden, so werden die Austrittsgeschwindigkeit des Abgases [vq] und der lichte Mündungsquerschnitt [dq] benötigt. Falls der Austrittsimpuls nicht berücksichtigt wird, werden die Immissionen überschätzt. Bei Ableitung der Abgase über einen Kühlturm wird die Abgasfahnenüberhöhung gemäß VDI 3784 Blatt 2 berechnet. Hier sind zusätzlich Angaben zur Feuchte (Flüssigwassergehalt [lq] der Abgasfahne in kg/kg und relative Feuchte [rq] in %) erforderlich. Am übersichtlichsten können diese Daten in tabellarischer Form dargestellt werden (siehe Tabelle 4 1). Es ist zu beachten, dass die Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung erheblich vom angesetzten Wärmestrom abhängen können. Ein hoher Wärmestrom führt üblicherweise zu niedrigen Immissionen, da vom Modell ein großer Fahnenaufstieg berechnet wird. Bei Flächenquellen (z.b. Biofilter) wird trotz hohem Wärmestrom kein nennenswerter Aufstieg der Abluftfahne beobachtet. Bei dieser Quellenart ist der Wärmestrom mit 0 MW anzusetzen. Das gleiche gilt, wenn das Abgas über mehrere Kamine emittiert wird, deren Abstand zueinander mehr als der 5-fache Mündungsdurchmesser beträgt (LAI, 1992). In diesem Fall muss jeder Kamin als Einzelquelle angesetzt werden, auch wenn die Quellkoordinaten fast identisch sind. Die Abgasvolumenströme dürfen also nicht zu-

16 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 15 sammengefasst und einem Kamin zugeordnet werden. Ansonsten geht das Modell von einem Sammelkamin aus und berechnet einen zu großen Fahnenaufstieg Spezialfall Stäube Bei der Ausbreitungsrechnung für Stäube sind Deposition (= Anhaften eines Staubteilchens, sobald es eine Oberfläche berührt) und Sedimentation (= Absinken der Staubteilchen aufgrund der Schwerkraft) zu berücksichtigen (siehe Anhang 3, Punkt 4). Die Depositions- und Sedimentationsgeschwindigkeiten hängen von der Korngröße ab. Ist die Korngrößenverteilung nicht im Einzelnen bekannt, dann ist PM10 wie Staub der Klasse 2 zu behandeln. Für Staub mit einem aerodynamischen Durchmesser größer als 10 µm ist für die Depositionsgeschwindigkeit der Wert 0,07 m/s und für die Sedimentationsgeschwindigkeit der Wert 0,06 m/s zu verwenden Zusammenfassende Darstellung der Emissionen Die emissionsseitigen Kenngrößen werden zweckmäßigerweise in einer Tabelle zusammengefasst (siehe Tabelle 4 1). In Tabelle 13 des Anhangs 3 der TA Luft sind 4 Korngrößenklassen definiert. Tabelle 4-1: Emissionsseitige Eingangsdaten Kenngröße Art der Quelle Räumliche Lage der Quellen Quelltypisierung Emissionsparameter Zeitliche Charakteristik der Emissionsparameter Emissionsparameter für den Spezialfall Stäube Punktquelle, Linienquelle, Flächenquelle, Volumenquelle Rechtswert, Hochwert (alternativ: Relativkoordinaten gegenüber einem Bezugspunkt, dessen RW und HW angegeben sein müssen), Höhe über Grund. Ausdehnung der Quelle in x-richtung, y-richtung, z-richtung, Drehung der Quelle bzgl. der Nordrichtung Angabe der Massenströme. Falls die Abgasfahnenüberhöhung berücksichtigt wird, sind zusätzlich folgende Parameter anzugeben: Abgasvolumenstrom i.n.f., Abgastemperatur, berechneter Wärmestrom, optional: lichter Querschnitt bei kreisförmiger Austrittsfläche. Tageszeitliche Unterschiede, jahreszeitliche Unterschiede, ggf. Abhängigkeit von meteorologischen Bedingungen, Anzahl der Emissionsstunden pro Woche, Anzahl der Emissionsstunden pro Jahr Angabe der Massenströme für jede der 4 Korngrößenklassen

17 16 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU 4.5 Weitere Eingangsgrößen Rechengebiet und räumliche Auflösung In der TA Luft Anhang 3 Punkt 7 wird das Rechengebiet wie folgt definiert: Das Rechengebiet für eine einzelne Emissionsquelle ist das Innere eines Kreises um den Ort der Quelle, dessen Radius das 50fache der Schornsteinbauhöhe ist. Tragen mehrere Quellen zur Zusatzbelastung bei, dann besteht das Rechengebiet aus der Vereinigung der Rechengebiete der einzelnen Quellen. Bei besonderen Geländebedingungen kann es erforderlich sein, das Rechengebiet größer zu wählen. Abweichungen von dieser Größe, insbesondere bei der Wahl kleinerer Rechengebiete, sind vom Gutachter zu begründen. Das Immissionsmaximum muss jedoch im Rechengebiet enthalten sein. Der Hinweis Randgebiet in der Protokolldatei (siehe Kapitel ) weist darauf hin, dass das gebiet zu klein gewählt wurde. Die Größe der Beurteilungsflächen (Maschenweite) soll nach TA Luft (Anhang 3 Punkt 7) nicht größer als die Schornsteinhöhe sein. Abweichungen sind ebenfalls zu begründen. Das Raster zur Berechnung von Konzentration und Deposition ist so zu wählen, dass Ort und Betrag der Immissionsmaxima mit hinreichender Sicherheit bestimmt werden können. Dies ist in der Regel der Fall, wenn die horizontale Maschenweite die Schornsteinbauhöhe nicht überschreitet. In Quellentfernungen größer als das 10fache der Schornsteinbauhöhe kann die horizontale Maschenweite proportional größer gewählt werden Bodenrauhigkeit Die atmosphärische Turbulenz bestimmt den vertikalen Austausch zwischen den Luftschichten. In AUSTAL2000 fließt die Information zur Turbulenz über die Monin-Obukhov schen- Stabilitätslänge ein. Sie enthält einen thermisch bedingten Anteil (z.b. Konvektion bei intensiver Sonneneinstrahlung) und einen dynamisch bedingten Anteil (Turbulenzerzeugung aufgrund der Bodenrauhigkeit). Der thermisch bedingte Anteil kann bei der Anwendung von AUSTAL2000 nicht beeinflusst werden. Der gem. Tabelle 4-2 (TA Luft Anhang 3 Punkt 5) festzulegende Parameter Bodenrauhigkeit (Rauhigkeitslänge [z0]) hat erheblichen Einfluss auf das Ergebnis der Ausbreitungsrechnung. Er hängt von der Art der Landnutzung ab.

18 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 17 Tabelle 4-2: Mittlere Rauhigkeitslänge in Abhängigkeit von den Landnutzungsklassen des CORINE Katasters (TA Luft Anhang 3 Punkt 5) Klasse z 0 in m Nutzung nach CORINE Kataster 1 0,01 Strände, Dünen und Sandflächen; Wasserflächen 2 0,02 Deponien und Abraumhalden; Wiesen und Weiden ; Natürliches Grünland; Flächen mit spärlicher Vegetation; Salzwiesen; Gewässerläufe; Mündungsgebiete 3 0,05 Abbauflächen; Sport und Freizeitanlagen; Nicht bewässertes Ackerland; Gletscher und Dauerschneegebiete 4 0,10 Flughäfen; Sümpfe; Torfmoore; Meere und Ozeane 5 0,20 Straßen, Eisenbahn; Städtische Grünflächen; Weinbauflächen; Komplexe Parzellenstrukturen; Landwirtschaft und natürliche Bodenbedeckung; Heiden und Moorheiden; Felsflächen ohne Vegetation 6 0,50 Hafengebiete; Obst und Beerenobstbestände; Wald Strauch Übergangsstadien 7 1,00 Nicht durchgängig städtische Prägung; Industrie und Gewerbeflächen; Baustellen; Nadelwälder 8 1,50 Laubwälder; Mischwälder 9 2,00 Durchgängig städtische Prägung Exemplarisch sind in Abbildung 4-2 die berechneten Konzentrationen in 1,5 m über Grund für 3 Quellhöhen (100 m, 50 m und 25 m) und unterschiedlichen Bodenrauhigkeiten (z 0 = 1,5 m, 1,0 m und 0,5 m) dargestellt. Die jeweils linke Abbildung zeigt das Ergebnis der Rechnung mit dem alten TA Luft Modell AUSTAL86. Die drei rechten Abbildungen zeigen die Tabellen der Rechnungen mit AUSTAL2000 bei unterschiedlichen Bodenrauhigkeiten. Die Farbabstufungen sind je nach Quellhöhe unterschiedlich gewählt. Im Ausbreitungsmodell der alten TA Luft 86 wurde die atmosphärische Turbulenz mit Hilfe von Ausbreitungsklassen definiert. Die zugehörigen Ausbreitungsparameter wurden experimentell in überwiegend bewaldetem Gebiet ermittelt. Diesen lag eine Bodenrauhigkeit von ca. z 0 = 1,5 m zugrunde 1. Bei mittelhohen und hohen Quellen (100 m, siehe Abbildung 4 2) entsprechen die Immissionen bei einer Bodenrauhigkeit von 1,5 m den Werten der Rechnung nach alter TA Luft. Bei glatterem Untergrund / geringerer Rauhigkeit (z 0 = 1,0 m bzw. 0,5 m) gehen die mit dem neuen Modell AUSTAL2000 berechneten Konzentrationen zurück. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Austausch zwischen den Luftschichten reduziert wird, weshalb weniger Schadstoffe aus der Höhe zum Boden herabgemischt werden. Gegenüber der TA Luft 86, deren Ausbreitungsmodell für hohe Quellen und mittlere Rauhigkeitslängen galt, ergeben sich deutlich niedrigere Immissionskonzentrationen im Maximum. Im Allgemeinen sind die Immissionskonzentrationen bei hohen Quellen etwas geringer, bei niedrigeren Quellen jedoch deutlich höher als bei der TA Luft Die Rauhigkeit der Erdoberfläche wird durch die Rauhigkeitslänge z 0 definiert. Die Rauhigkeitslänge liegt etwa zwischen 1/10 und 1/20 der Hindernishöhe

19 18 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Quellhöhe 100 m: Quellhöhe 50 m: Quellhöhe 25 m: Abbildung 4-2: Rechnung mit AUSTAL86 (links) und AUSTAL2000 für unterschiedliche Werte von z 0. Die Quelle befindet sich jeweils in der Mitte des Rechengebiets. Die meteorologischen Eingangsdaten sind jeweils identisch. (Die Farbabstufungen sind für die unterschiedlichen Quellhöhen nicht identisch). Quelle: report.pdf im AUSTAL-Verzeichnis In Tabelle 4-3 ist das Verhältnis der bodennahen Maximalkonzentrationen TA Luft 2002 / TA Luft 86 dargestellt. Vor allem bei niedrigen Quellen ergeben sich bei der neuen Berechnungsmethode signifikant höhere Konzentrationen. Bei hohen Quellen nimmt die Konzentration dagegen ab. Tabelle 4-3: Verhältnis der bodennahen Konzentrationsmaxima TA Luft 2002 / TA Luft 86 für unterschiedliche Rauhigkeiten Quellhöhe (m) z 0 =0,5 m z 0 =1,0 m z 0 =1,5 m 25 0,8 1,7 2,8 50 0,6 0,8 1, ,7 0,8 0,9

20 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 19 Um ein willkürliches Bestimmen der Rauhigkeitslänge zu unterbinden, wird die Bodenrauhigkeit vom Modell AUSTAL2000 anhand eines Landnutzungskatasters (Corine-Kataster) bestimmt. Sofern der Gutachter von der automatischen Bestimmung abweicht und die Rauhigkeitslänge [z0] selbst bestimmt, muss dies ausführlich begründet werden. Dies ist notwendig, da die Rauhigkeitslänge einen großen Einfluss auf das Rechenergebnis hat. In der neuen TA Luft ist die Rauhigkeit in Anhang 3 Punkt 5 als Mittelwert über ein Gebiet mit dem Radius der 10fachen Quellhöhe definiert: Die Rauhigkeitslänge ist für ein kreisförmiges Gebiet um den Schornstein festzulegen, dessen Radius das 10fache der Bauhöhe des Schornsteins beträgt. Setzt sich dieses Gebiet aus Flächenstücken mit unterschiedlicher Bodenrauhigkeit zusammen, so ist eine mittlere Rauhigkeitslänge durch arithmetische Mittelung mit Wichtung entsprechend dem jeweiligen Flächenanteil zu bestimmen und anschließend auf den nächstgelegenen Tabellenwert zu runden. Es ist zu prüfen, ob sich die Landnutzung seit Erhebung des Katasters wesentlich geändert hat oder eine für die Immissionsprognose wesentliche Änderung zu erwarten ist. Der Wert für die Rauhigkeit wird in der Regel vom Ausbreitungsmodell anhand der Rechtsund Hochwerte der Quelle automatisch bestimmt. Eine Kontrolle ist mit Hilfe des Programms RL_INTER möglich. Dieses bestimmt nach Eingabe von Rechtswert, Hochwert und Höhe der Quelle ein mittleres z 0 und die von AUSTAL2000 verwendete Rauhigkeitsklasse. Abbildung 4-3 zeigt dies an einem Beispiel.

21 20 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Abbildung 4-3: Ausschnitt aus der Topografischen Karte 1: und Darstellung des Programms RL_INTER für eine 200 m hohe Quelle Statistische Sicherheit Bei einem Lagrange schen Partikelmodell wie AUSTAL2000 wird die Bahn von virtuellen Teilchen (Partikeln) verfolgt, die mit der Windströmung driften. Die Partikel besitzen keine Masse, so dass sie sich wie Gasmoleküle verhalten (Ausnahme: Staub). Die Konzentrationsberechnung basiert auf der Auszählung der Aufenthaltsdauer der Partikel in den einzelnen Zellen. Jedes Partikel repräsentiert einen Anteil der e- mittierten Masse. Werden sehr viele Partikel gestartet, so ist der Massenanteil pro Partikel

22 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 21 gering. Zufälligkeiten im Weg einzelner Partikel äußern sich somit bei der Immissionsberechnung weniger stark, als wenn nur wenige Partikel gestartet werden. Die räumliche Verteilung der Konzentrationen wird insgesamt sicherer abgeschätzt. Die Zahl der Partikel kann mit dem Parameter Qualitätsstufe [qs] beeinflusst werden. Je höher die Qualitätsstufe, umso höher ist die statistische Sicherheit des Ergebnisses. Bei niedriger Qualitätsstufe werden die Immissionsmaxima und die hohen Perzentile (Konzentrationsschwellen mit vorgegebenen Überschreitungshäufigkeiten) vom Ausbreitungsmodell ü- berschätzt. Die Ergebnisse liegen somit auf der sicheren Seite, sofern der genaue Ort der Immissionsmaxima weniger wichtig ist. Interessieren vor allem die Immissionskenngrößen an bestimmten Orten (Monitorpunkten), so ist mit hoher Qualitätsstufe zu rechnen. In der Regel muss die Qualitätsstufe > 0 sein. Vom Gutachter ist zu prüfen und darzustellen, dass die statistische Streuung des berechneten Jahresmittelwertes kleiner 3% und die statistische Streuung des berechneten Stunden- bzw. Tagesimmissionskennwertes kleiner als 30% sind. Diese Vorgaben werden in der TA Luft in Anhang 3 Punkt 9 gefordert: Die mit dem hier beschriebenen Verfahren berechneten Immissionskenngrößen besitzen auf Grund der statistischen Natur des in der Richtlinie VDI 3945 Blatt 3 (Ausgabe September 2000) angegebenen Verfahrens eine statistische Unsicherheit. Es ist darauf zu achten, dass die modellbedingte statistische Unsicherheit, berechnet als statistische Streuung des berechneten Wertes, beim Jahres-Immissionskennwert 3 vom Hundert des Jahres-Immissionswertes und beim Tages-Immissionskennwert 30 vom Hundert des Tages-Immissionswertes nicht überschreitet. Gegebenenfalls ist die statistische Unsicherheit durch eine Erhöhung der Partikelzahl zu reduzieren. Liegen die Beurteilungspunkte an den Orten der maximalen Zusatzbelastung, braucht die statistische Unsicherheit nicht gesondert berücksichtigt zu werden. Andernfalls sind die berechneten Jahres-, Tages- und Stunden-Immissionskennwerte um die jeweilige statistische Unsicherheit zu erhöhen. Die relative statistische Unsicherheit des Stunden- Immissionskennwertes ist dabei der relativen statistischen Unsicherheit des Tages Immissionskennwertes gleichzusetzen 4.6 Meteorologische Daten Eine der wichtigsten Eingangsgrößen zur sachgerechten Berechnung der Immissionskenngrößen sind die meteorologischen Eingangsdaten. Diese müssen sowohl für das Untersuchungsgebiet als auch für die langjährigen Verhältnisse repräsentativ sein. Daher sind die in den folgenden Kapiteln bis sowie in Kapitel 4.7 dargestellten Kriterien entscheidend für die Güte einer Ausbreitungsrechnung. Das Ausbreitungsmodell AUSTAL2000 geht bei der Verwendung meteorologischer Eingangsdaten deutlich über die alte TA Luft hinaus. So werden in AUSTAL2000 vertikale Strömungsprofile (Zunahme des Windes mit der Höhe, Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe) oder 3dimensionale Strömungsfelder, die dem Geländeeinfluss oder Bebauungseinfluss Rechnung tragen, berücksichtigt. Ferner kann mit stundenfeinen Zeitreihen der Meteorologie gerechnet werden, d.h. für jede Stunde des verwendeten Jahres fließen die Windrichtung, die Windgeschwindigkeit und die Ausbreitungsklasse bzw. die Monin-Obukhov-Länge ein. Trotz erweiterter Möglichkeiten des Modells AUSTAL2000 verbleiben etliche Sonderfälle, in denen das Modell nicht angewendet werden kann. Diese sind in Genehmigungsverfahren besonders zu beachten, da sie das Gutachten angreifbar machen Meteorologische Zeitreihe oder Ausbreitungsklassenstatistik In Nr der TA Luft werden zwei Möglichkeiten genannt, wie die meteorologischen Daten in der Ausbreitungsrechnung zu berücksichtigen sind:

23 22 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Die Kenngrößen für die Zusatzbelastung sind durch rechnerische Immissionsprognose auf der Basis einer mittleren jährlichen Häufigkeitsverteilung oder einer repräsentativen Jahreszeitreihe von Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Ausbreitungsklasse zu bilden. Eine Häufigkeitsverteilung der stündlichen Ausbreitungssituationen kann verwendet werden, sofern mittlere Windgeschwindigkeiten von weniger als 1 m/s im Stundenmittel am Standort der Anlage in weniger als 20 vom Hundert der Jahresstunden auftreten (Anhang 3 Punkt 12). In topografisch stark gegliedertem Gelände ist es häufig nicht möglich dieses Kriterium streng einzuhalten. Die Zeitreihe ermöglicht die Berücksichtigung jahreszeitlicher und tageszeitlich variabler Emissionen. - Jahreszeitliche Unterschiede treten z.b. bei Anlagen mit Saisonalbetrieb auf (z.b. Zuckerfabrik, Grastrocknung) - Tageszeitliche Unterschiede: treten z.b. bei 2-Schicht-Betrieben auf Gerade in topografisch gegliederten Gebieten wie in Baden-Württemberg herrschen in den Nachtstunden deutlich andere Ausbreitungsbedingungen (stabile Schichtung; abhängig von der Topographie auch Kaltluftabflüsse) als in den Tagstunden. Bei Verwendung einer Zeitreihe kann diesen Verhältnissen besser Rechnung getragen werden als beim Einsatz einer Ausbreitungsklassenstatistik Zeitliche Repräsentativität der meteorologischen Daten Während die Ausbreitungsklassenstatistik in der Regel für einen 10-Jahreszeitraum repräsentativ ist, wird bei Verwendung einer Zeitreihe in der Regel nur ein Jahr betrachtet. Es wird empfohlen, vom Deutschen Wetterdienst eine Expertise anfertigen zu lassen, welches Jahr als repräsentativ anzusehen ist. Alternativ ist vom Gutachter zu begründen, weshalb das betrachtete Jahr ausgewählt wurde. Die mit Zeitreihe gerechneten Immissionen führen in der Regel zu höheren maximalen Konzentrationswerten. Ist die Gesamtbelastung zu bestimmen und liegen Vorbelastungsmessungen vor, so müssen die Zeiträume der Messung und der Meteorologie identisch sein Räumliche Repräsentativität der meteorologischen Daten Zur räumlichen Repräsentativität der meteorologischen Daten wird in Anhang 3 der TA Luft unter Punkt 8.1 ausgeführt: Die verwendeten Werte sollen für den Standort der Anlage charakteristisch sein. Liegen keine Messungen am Standort der Anlage vor, sind Daten einer geeigneten Station des Deutschen Wetterdienstes oder einer anderen entsprechend ausgerüsteten Station zu verwenden. Die Übertragbarkeit dieser Daten auf den Standort der Anlage ist zu prüfen; dies kann z.b. durch Vergleich mit Daten durchgeführt werden, die im Rahmen eines Standortgutachtens ermittelt werden. Im Gutachten muss auf folgende Fragen eingegangen werden: 1. Welche Messstelle wurde zur Ermittlung der meteorologischen Eingangsdaten herangezogen? 2. Ist die Station für die Ausbreitungsverhältnisse im Rechengebiet repräsentativ? 3. Werden die lokalen Windsysteme von der Station ausreichend berücksichtigt? 4. Werden die zu erwartenden Hauptwindrichtungen von der Station genügend genau wiedergegeben? 5. Welche Methode wurde zur Übertragung der meteorologischen Daten einer Station

24 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 23 auf das Rechengebiet verwandt? (zu den gängigen Methoden gehören z.b.: Methode Kolb; Modellrechnungen mit METRAS oder FITNAH, diagnostisches Strömungsmodell) Üblicherweise werden Standortgutachten nur bei großen Genehmigungsverfahren erstellt. Es stellt sich daher die Frage, wie die räumliche Repräsentativität anderweitig beurteilt werden kann. 1. Die Plausibilität kann zunächst anhand der topografischen Lage in Zusammenhang mit der Häufigkeitsverteilung der Windrichtungen beurteilt werden. In Tälern findet man in der Regel zwei Hauptwindrichtungen parallel zum Talverlauf. In ausgedehnten Ebenen und in Hochlagen findet man häufig die Hauptwindrichtungen Westsüdwest und Ost. In Randlagen (Rheinebene am Fuß des Schwarzwaldes oder am Fuß der Schwäbischen Alb) können die Windrichtungsverteilungen sehr komplex sein. Dies ist auf lokale Windsysteme (nächtliche Kaltluftabflüsse) zurückzuführen. Die Abbildung 4-4 zeigt die Überlagerung der Windrichtungsverteilungen im Oberrheingraben (Station Kehl - links oben) mit den Einflüssen des von Südosten her einmündenden Kinzigtals. Auf kleinem Raum können markant unterschiedliche Windrichtungsverteilungen auftreten. Die folgenden Abbildungen zeigen ausgewählte Windrosen aus dem Windrosenatlas Baden-Württemberg. Links ist das Gelände mit der Windrose dargestellt, rechts nur das Gelände mit dem Standort der Windmessstation. In Gipfellagen findet man häufig Ost-West- Verteilungen. In Tallagen findet man unterschiedlich starke Kanalisierungen in Tallängsrichtung. In ebenem und leicht gewelltem Gelände sind die Windrichtungen über größere Winkelbereiche verteilt. In Randbereichen (Ebene-Höhenzug) können relativ komplexe Windverteilungen auftreten.

25 24 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Abbildung 4-4: Häufigkeitsverteilung der Windrichtungen im Raum Offenburg

26 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 25 Tal mit Nordost-Südwest-Verlauf: Dettingen/Teck am Fuß der Schwäbischen Alb Oberrheingraben: Karlsdorf Tal mit Nordwest-Südost-Verlauf: Baden-Baden

27 26 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU Berglage: Hornberg Ebene: Ludwigsburg Leicht gewelltes Gelände: Böblingen

28 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 27 Randlage: Emmendingen 2. Eine weitere Plausibilitätsprüfung kann anhand von Windrosen aus Baden- Württemberg gewonnen werden, die an den Luftmessstationen des Landes gewonnen wurden. Die Windrosen findet man auf den Internetseiten der LfU ( unter > Luft > Umweltmeteorologie. Bei den Windrosen ist jedoch zu prüfen, ob diese durch örtliche Hindernisse (Gebäude, Vegetation) beeinflusst wurden. Im Gutachten ist die ausgewählte Windrose in die topografische Karte einzutragen. 3. Ob Kaltluftabflüsse vorhanden sind und welche Windrichtungen dabei auftreten kann mit dem Modellsystem Geruchsausbreitung in Kaltluftabflüssen (GAK) geprüft werden. Das Screeningmodell liegt den GAÄ auf CD vor. 4. Der Deutsche Wetterdienst bietet eine qualifizierte Prüfung der Übertragbarkeit (QPR) der meteorologischen Daten vorhandener Stationen auf den Standort der Anlage an. In vielen Fällen lässt sich jedoch keine geeignete Station finden. 4.7 Berücksichtigung von Gelände und Bebauung Die Standort-repräsentativen meteorologischen Daten allein reichen nicht aus, um eine sachgerechte Immissionsprognose zu erstellen. In topografisch strukturiertem Gelände können sich die Wind- und Ausbreitungsverhältnisse über kurze Entfernungen ändern. Dies muss bei den Ausbreitungsrechnungen berücksichtigt werden Berücksichtigung von Gelände Wann Geländeunebenheiten zu berücksichtigen sind, wird in der TA Luft Anhang 3 Punkt 11 wie folgt formuliert: Unebenheiten des Geländes sind in der Regel nur zu berücksichtigen, falls innerhalb des Rechengebietes Höhendifferenzen zum Emissionsort von mehr als dem 0,7-fachen der Schornsteinbauhöhe und Steigungen von mehr als 1:20 auftreten. Die Steigung ist dabei aus der Höhendifferenz über eine Strecke zu bestimmen, die dem 2-fachen der Schornsteinbauhöhe entspricht. In Baden-Württemberg müssen Geländeunebenheiten häufig berücksichtigt werden. Entscheidendes Kriterium ist in den meisten Fällen

29 28 Leitfaden zur Beurteilung von TA Luft Ausbreitungsrechnungen in Baden-Württemberg LfU die Höhendifferenz zwischen Emissionsort und dem Gelände im Rechengebiet. Das Ausbreitungsmodell AUSTAL2000 enthält als Bestandteil ein mesoskaliges diagnostisches Strömungsmodell. Das Modell ist in der Lage, die 3dimensionale Strömung in mäßig strukturiertem Gelände zu berechnen. Aufgrund der einfachen Physik kann das Modell nicht in steilem Gelände angewandt werden, da es das Abreißen der Strömung an Geländekanten nicht nachbildet. Abbildung 4-5 verdeutlicht dies an einem Beispiel. Abbildung 4-5: In leicht gewelltem Gelände liegt die Strömung an, während sich in steilerem Gelände Wirbel ausbilden (Abriss der Strömung) Zur Grenze der Anwendbarkeit führt die TA Luft aus (Anhang 3 Punkt 11): Geländeunebenheiten können in der Regel mit Hilfe eines mesoskaligen diagnostischen Windfeldmodells berücksichtigt werden, wenn die Steigung des Geländes den Wert 1:5 nicht überschreitet und wesentliche Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten ausgeschlossen werden können. Neben dem Kriterium Geländesteigung wird in der TA Luft auf lokale Windsysteme verwiesen. Hierunter fallen in der Praxis zumeist Kaltluftabflüsse, die sich bei wolkenarmen Wetterlagen; etwa in der Zeit zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang; ausbilden können. In großen Tälern (z.b. Oostal, Renchtal, Kinzigtal, Elztal, Dreisamtal) treten Kaltluftabflüsse z.t. bis in die Vormittagsstunden auf. Das in AUSTAL2000 enthaltene Strömungsmodell ist nicht in der Lage, die Kaltluftabflüsse zu simulieren. Aus diesem Grund müssen üblicherweise Messungen an den Stationen vorliegen, die von Kaltluftabflüssen beeinflusst sind. Diese Messungen beinhalten die meteorologischen Besonderheiten sowie die lokalen Windsysteme und können als Eingangsdaten für das diagnostische Strömungsmodell von AUSTAL2000 dienen. Wurden die Winddaten vom Standort entfernt erhoben, so berechnet das Windfeldmodell von AUSTAL2000 vor allem bei den stabilen Ausbreitungsklassen (Kaltluftabflüsse) falsche Strömungsfelder. Dies wird anhand der gemessenen Windrichtungsverteilung am Wetteramt Freiburg (Abbildung 4-6 linke Seite) und der auf der Basis der Messungen in Bremgarten auf das Wetteramt Freiburg umgerechneten Windrichtungsvertei-

30 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens 29 lungen (Abbildung 4-6 rechte Seite) deutlich. Obwohl beide Stationen in der Rheinebene liegen und der räumliche Abstand nur wenige Kilometer beträgt, unterscheiden sich die Verteilungen deutlich. Während die Windverhältnisse am Wetteramt Freiburg durch lokale Windsysteme beeinflusst werden (Kaltluftabflüsse aus dem Dreisamtal bei den stabilen Ausbreitungsklassen I und II, nordwestliche Windrichtungen bei den labilen Ausbreitungsklassen IV und V), fehlen diese Systeme in Bremgarten. Sie können vom diagnostischen Windfeldmodell somit nicht berücksichtigt werden.

31 Abbildung 4-6: Windrosen linke Seite: Gemessene Windrichtungsverteilungen am Wetteramt Freiburg bei unterschiedlichen Ausbreitungsklassen Windrosen rechte Seite: Auf der Basis von Bremgarten berechnete Windrichtungsverteilungen am Wetteramt Freiburg. Thermisch bedingte Windsysteme Südostwinde bedingt durch Kaltluftabfluss (Klasse I und II) sowie Nordwestwinde bei wolkenarmem Wetter (Klasse IV und V) fehlen.

32 LfU Anforderungen an den Inhalt eines Prognosegutachtens Berücksichtigung von Bebauung Neben dem Geländerelief beeinflussen auch Hindernisse, z.b. Gebäude im näheren Umfeld der Quelle, die Ausbreitung. In Lee der Gebäude bilden sich Nachlaufbereiche aus, in denen die Strömung bodennah gegen die Anströmung gerichtet ist. Weiterhin sind in Gebäudenähe die vertikalen Strömungskomponenten in der gleichen Größenordnung wie die Horizontalen. In Lee der Hindernisse findet man deshalb abwärtsgerichtete Luftströmungen, die im Dachniveau freigesetzte Luftbeimengungen verstärkt nach unten führen können. Beispiele zeigt die nachfolgende Abbildung. Abbildung 4-7: Typische Beeinflussungen der Ausbreitung im Nahbereich von Gebäuden (aus Oke, 1978). Der Wirkungsbereich der Hindernisse wird in der TA Luft mit dem 6-fachen der Schornsteinbauhöhe angegeben. In diesem Umkreis sind die nachfolgend aufgeführten Bedingungen zu prüfen (TA Luft Anhang 3 Punkt 10): Beträgt die Schornsteinbauhöhe mehr als das 1,2fache der Gebäudehöhen oder haben Gebäude, für die diese Bedingung nicht erfüllt ist, einen Abstand von mehr als dem 6fachen ihrer Höhe von der Emissionsquelle, kann in der Regel folgendermaßen verfahren werden: a) Beträgt die Schornsteinbauhöhe mehr als das 1,7fache der Gebäudehöhen, ist die Berücksichtigung der Bebauung durch Rauhigkeitslänge und Verdrängungshöhe ausreichend. b) Beträgt die Schornsteinbauhöhe weniger als das 1,7fache der Gebäudehöhen und ist eine freie Abströmung gewährleistet, können die Einflüsse mit Hilfe eines diagnostischen Windfeldmodells für Gebäudeumströmung berücksichtigt werden. Dies wird im nachfolgenden Flussdiagramm nochmals verdeutlicht.