Beurteilung von Luftschadstoffen in der Bauleitplanung Seminarbeitrag vom Einleitung

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1 1 Einleitung Die Berücksichtigung der Auswirkungen von Bauvorhaben auf die Luftqualität ist durch die Novellierung der 22. BImSchV im Jahre 2002 und der 33. BimSchV 2004 in den Focus der Öffentlichkeit gerückt. Darin wurden verbindliche, EU weit gültige, Grenzwerte für viele Luftschadstoffe festgesetzt. Diese sind nun unter Berücksichtigung der bereits vorhandenen hohen Luftschadstoffvorbelastung in den Ballungsgebieten einzuhalten, bzw. deren Einhaltung bei Überschreitungen so schnell wie möglich zu erreichen. Zur Beurteilung der bereits vorhandenen Vorbelastungssituation und der zukünftigen Luftschadstoffsituation nach Umsetzung eines Bauvorhabens gibt es eine Reihe von Verfahren. Diese reichen von Abschätzungen bzw. Screeningverfahren über komplexe rechnerische Verfahren bis zur Simulation städtebaulicher Situationen im Windkanal. Die geltenden Rechtsgrundlagen und Beurteilungsmöglichkeiten sowie die Untersuchungsmethoden werden im folgenden Artikel dargestellt. 2 Welche Luftschadstoffe sind zu beachten? Die Grenzwerte der 22. und 33. BImSchV gelten für verschiedene Luftschadstoffe. Diese unterscheiden sich in Ihrem chemischen Aufbau deutlich: So sind sowohl elementar vorkommende Stoffe, hier Blei (Pb), einfach aufgebaute Moleküle wie Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO 2 ), Stickoxide (NO, NO 2 ), Ozon (O 3 ), ebenso schädlich wie komplexe Moleküle, z.b. Benzol (C 6 H 6 ), Formaldehyd (CH 2 O) und die Gruppe der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK). Keine chemische Verbindung, sondern eine Zusammenballung vieler Moleküle, stellt der Feinstaub dar. Als Feinstaub werden alle Stäube mit einem aerodynamischen Durchmesser bis zu 10µm (PM10) bezeichnet. 3 Ausbreitung von Luftschadstoffen Luftschadstoffe breiten sich, wie auch z.b. Schallwellen oder Erschütterungen, vom Ausgangspunkt (Emissionsort) über die Luft (Transmission) zum Beurteilungsort (Immissionsort) aus. Am Emissionsort entstehen die Luftschadstoffe. Emittenten sind z.b. Gewerbebetriebe / Fabriken. Gemeinsam mit dem Verkehr, hier insbesondere dem Straßenverkehr, stellen sie die größten Schadstoffquellen dar. Auf dem Ausbreitungsweg werden die Luftschadstoffe verteilt. Der Schadstofftransport kann dabei auch über große Entfernungen und somit auch grenzüberschreitend erfolgen. Aus diesem Grund gelten in der gesamten EU die gleichen Grenzwerte für Luftschadstoffe. Neben der Ausbreitung kommt es auf dem Transmissionsweg auch zu chemischen Reaktionen der Schadstoffe untereinander und mit den weiteren Bestandteilen der Luft. So können sich hier z.b. mehrere Moleküle aneinander anlagern und so weitere Feinstaub-Partikel bilden. Am Immissionsort schließlich werden die Luftschadstoffe von Menschen, Tieren und Pflanzen aufgenommen und können unter Umständen zu Gesundheitsschäden führen. Die Grenzwerte der 22. und 33. BImSchV gelten ausschließlich für den Immissionsort. Andere gesetzliche Richtlinien wie z.b. die TA Luft hingegen, die bei der Genehmigung von Gewerbebetrieben heranzuziehen ist, gelten für den Emissionsort. Hier wird versucht den Ausstoß von Luftschadstoffen bereits am Ausgangspunkt so gering wie möglich zu halten. Eine Minderung der Schadstoffemissionen an der Quelle führt in der näheren und weiteren Umgebung zu einer Senkung der Luftschadstoffvorbelastung und kann dadurch dazu beitragen, die Grenzwerte einzuhalten. 4 Aktuelle Probleme durch Luftschadstoffe Besonders durch die Überschreitung der Feinstaubgrenzwerte in der jüngsten Vergangenheit wurde die Luftschadstoffproblematik in der Öffentlichkeit viel diskutiert. Vielen Stadtverwaltungen ist erst dadurch die Dringlichkeit der Situation vollständig zu Bewusstsein gekommen. Der Grund hierfür liegt in der novellierten 22. BImSchV begründet, die bereits 2002 in Kraft getreten ist. Sie sieht für alle relevanten Luftschadstoffgrenzwerte so genannte Toleranzmargen vor, die im Laufe der Jahre abnehmen. Dadurch werden die einzuhaltenden Grenzwerte von Jahr zu Jahr strenger. Der Grenzwert für Feinstaub erreichte erstmals im Jahr 2005 seinen endgültigen Wert von 40 µg/m³ im Jahresmittel. Schwerwiegender für die aktuelle Feinstaubproblematik sind jedoch die pro Jahr zulässigen 35 Überschreitungstage des Tagesmittelwertes von 50 µg/m³ Feinstaub, die seit 2005 einzuhalten sind In vielen Städten wurden im Jahr 2005 diese 35 Überschreitungstage bereits im Frühjahr ausgeschöpft. Als Konsequenz hieraus z.b. Fahrverbote für Lastkraftwagen an besonders belasteten Straßenverläufen erlassen. Eine ähnliche Situation liegt 2006 vor. Auch in diesem Jahr sind vielerorts die 35 zulässigen Tage bereits erreicht worden (siehe Tabelle 1). Simrockallee Bonn-Bad Godesberg Tel: 0228 / Fax: 0228 / bonn@peutz.de Seite 1

2 Neben den durch den Menschen verursachten Quellen gibt es natürliche Staubquellen wie z.b. Seesalz, Wüstensand, Asche aus Vulkanausbrüchen usw., welche der Feinstaubvorbelastung zugerechnet werden. Die Gesundheitsrelevanz von Feinstaub ist durch seine Lungengängigkeit begründet. Aufgrund seines geringen Durchmessers gelangt ein Teil des Feinstaubs direkt in die Lunge und dort auch die feinsten Bereiche, die Lungenbläschen. Gröbere Stäube werden vorher im Nasenrachenraum ausgefiltert bzw. bleiben an den Flimmerhärchen und dem Sekret in der Luftröhre hängen und werden anschließend heraustransportiert. Tab. 1: Liste der Tage mit Feinstaubkonzentrationen > 50 µg/m³ als Tagesmittelwert; Stand ; Quelle: Umweltbundesamt Der Jahresmittelwert von 40 µg/m³ Feinstaub (PM 10) wird allerdings trotz mehr als 35 Überschreitungstagen des Tagesmittelwertes in der Regel eingehalten. Im Fall von Stickstoffdioxid ergibt sich ein umgekehrtes Bild Hier werden in der Regel die 18 zulässigen Überschreitungen des 1-Stunden-Mittelwertes von 200 µg/m³ eingehalten. Allerdings liegen häufig Überschreitungen des Jahresmittelwertes von 40 µg/m³ vor. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die Grenzwerte für Stickstoffdioxid (NO 2 ) erst ab 2010 gültig sind. Zur Zeit liegen die Grenzwerte aufgrund von Toleranzmargen noch deutlich höher. Wie beim Feinstaub ist jedoch in Zukunft mit einer Verschärfung der Problematik zu rechnen. 5 Was ist Feinstaub (PM10)? Als Feinstaub werden Stäube mit Partikelgrößen von 0,1 bis 10 µm bezeichnet. Feinstaub entsteht zum Teil während der Schadstoffausbreitung durch chemische Reaktionen in der Luft. Der weitaus größte Teil entsteht jedoch durch Verbrennungsprozesse. Etwa ein Drittel des in der Luft vorkommenden Feinstaubes wird durch den Kraftfahrzeug- Verkehr, und hier insbesondere durch Lastkraftwagen, erzeugt. Daher ist vor allem der Straßenverkehr verantwortlich für die für die oftmals schlechte lokale Luftqualität, da hier der Abstand von Feinstaubquelle zu Immissionsort gering ist. Gerade in Straßenschluchten ohne ausreichende Durchlüftung ergeben sich hohe lokale Feinstaubkonzentrationen und damit auch häufig mehr als 35 Ü- berschreitungen des Tagesmittelwertes. Der Feinstaub, der bis in die tieferen Bereiche der Lunge gelangt, lagert sich dort im Lauf der Zeit ab und kann durch die ständige Reizung des Lungengewebes auf die Dauer zu Lungenkrebs führen. Erschwerend kommt hinzu, das sich aufgrund der sehr großen Oberfläche eines Feinstaubpartikels andere Luftschadstoffe daran anlagern und diese mit dem Feinstaub ebenfalls tief in die Lunge gelangen. Wie weit ein Partikel in die Atemwege eindringt, hängt vom Durchmesser ab. Vor allem die Feinstaubanteile mit einer Größe bis zu 2,5 µm können die Bronchien und die Lungenbläschen erreichen und sind daher besonders schädlich. Zurzeit wird die Einführung eines zusätzlichen Feinstaubgrenzwertes für Stäube bis 2,5 µm (PM 2,5) diskutiert, welcher den heutigen PM10-Grenzwert ergänzen bzw. sogar ersetzten soll. 6 Rechtsgrundlagen 6.1 EU-Recht und nationales Recht EU-weit gelten die gleichen Grenzwerte (und bis 2010 Toleranzmargen). Grundlage hierfür ist die 1996 verabschiedete Rahmenrichtline 96/62/EG über die Beurteilung und die Kontrolle der Luftqualität. Hierin ist vorgesehen, dass flächendeckend für das Gebiet der europäischen Gemeinschaft Grenzwerte, Zielwerte, Langfristziele oder Alarmschwellen festzulegen sind, die Luftqualität nach einheitlichen Kriterien regelmäßig zu beurteilen ist und die Öffentlichkeit zu informieren ist. In den darauf folgenden Jahren wurden bisher insgesamt vier Tocherrichtlinien verabschiedet welche die Grenzwerte für verschiedene Luftschadstoffe festlegen. Diese Richtlinien sind von den Mitgliedsstaaten der EU innerhalb festgelegter Zeiträume in nationales Recht umzusetzen. Simrockallee Bonn-Bad Godesberg Tel: 0228 / Fax: 0228 / bonn@peutz.de Seite 2

3 Dies ist in Deutschland für die 1. und 2. Tocherrichtlinie im Jahr 2002 mit der 22. BImSchV und für die 3. Tochterrichtlinie im Jahr 2004 mit der 33. BImSchV geschehen. Die Umsetzung der 4. Tochterrichtlinie ist noch nicht erfolgt. Stichtag hierfür ist der 15. Februar Abb. 1: Zusammenhang zwischen EU-Recht und dessen Umsetzung in deutsches Recht Ergänzend zum Bundesimmissionsschutzgesetz gelten in Deutschland unter anderem noch die TA Luft, sowie weitere Richtlinien und Normen. 6.2 Immissionsgrenzwerte Die 22. und 33. BImSchV setzen die 1. bis 3. Tochterrichtlinien der EU in deutsches Recht um und regeln die Grenzwerte für die Luftschadstoffe Schwefeldioxid (SO 2 ), Stickoxide (NO, NO 2 ), Feinstaub (PM 10), Kohlenmonoxid (CO), Benzol (C 6 H 6 ), und Ozon (O 3 ). Tab. 3: Immissionsgrenzwerte der 33. BImSchV Grenzwerte für die Gruppe der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe sowie Schwermetalle müssen noch in deutsches Recht umgesetzt werden (4. Tochterrichtlinie). 7 Einfluss der Vorbelastung bei der Beurteilung von Schadstoffimmissionen Eine hohe Feinstaubvorbelastung führt oft zu Überschreitungen des Tagesmittelwertes von 50 µg/m³ und den maximal zulässigen 35 Überschreitungstagen pro Jahr. Ein Vergleich der Zahl der Tage mit einem Feinstaubmittelwert von mehr als 50 µg/m³ in Deutschland und den Niederlanden aus dem Jahr 2002 zeigt, das es in der EU offenkundig unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung der Überschreitungstage gibt (siehe Abbildung 2). Tab. 2: Immissionsgrenzwerte der 22. BImSchV Simrockallee Bonn-Bad Godesberg Tel: 0228 / Fax: 0228 / bonn@peutz.de Seite 3

4 Abb. 2: Vergleich der Zahl der Tage mit Tagesmittelwerten der Partikelkonzentration > 50 µg/m³ in Deutschland und den Niederlanden (2002); Quelle: Umweltbundesamt Besonders im Süden der Niederlande sind deutliche Unterschiede in der Anzahl der Überschreitungstage gegenüber Deutschland zu erkennen. Da Luftschadstoffe an der Grenze aber nicht Halt machen liegen hier noch einige Unstimmigkeiten vor. Genaue Messdaten der Schadstoffvorlastung in der Nähe eines zu betrachtenden Untersuchungsgebietes sind eine wichtige Eingangsgröße für Schadstoffuntersuchungen egal welcher Art (Grobscreening, Mikroskalige Betrachtung, Windkanaluntersuchung), da sie in vollem Umfang in die Beurteilung der Schadstoffkonzentration und den Vergleich mit dem jeweiligen Grenzwert einfließt. Im Fall der Feinstaubbelastung ergeben sich in einigen EU-Ländern aufgrund hoher Vorbelastungswerte kreative Ansätze die Feinstaubvorbelastung rechnerisch zu senken. So werden z.b. in einigen Ländern natürliche Feinstaubquellen zur Beurteilung vom Messwert der Vorbelastung abgezogen. In den Niederlanden wird der Anteil des Feinstaubes, der aus Meersalz besteht, von der Vorbelastung abgezogen. Als Argumentation für diese Vorgehensweise wird angeführt, das Meersalz gesund sei, schließlich kommen viele Menschen deswegen ans Meer. Die Meersalz-Korrektur führt zu einer rechnerischen Senkung der Vorbelastung um bis zu 8 µg/m³ im Jahresmittel. Mitgliedsstaaten mit großen innerstaatlichen Wüsten planen eine Wüstensandkorrektur, um den Anteil von Feinstaub durch Sandstürme von der Vorbelastung abzuziehen. Abbildung 3 zeigt an Hand eines Beispiels für eine Sandverwehung ausgehend von der Sahara bis nach Sizilien und Sardinien eindrucksvoll, dass Wüstensand auch über weite Strecken transportiert werden kann. Abb. 3: Auswirkungen eines Sandsturms in der Sahara auf die Feinstaubbelastung in Italien; Quelle: NASA Der Ansatz natürliche Feinstaubanteile von der anthropogenen Feinstaubbelastung abzuziehen wird in Deutschland nicht angewendet und ist im Hinblick auf die Gesundheitsrelevanz von Feinstaub kritisch zu betrachten. 8 Untersuchungsmethoden Zur Ermittlung von Luftschadstoffbelastungen im Vorfeld und nach Durchführung eines Bauvorhabens gibt es verschiedene Untersuchungsmethoden. Diese reichen über ein einfaches Grobscreening, mikroskalige Simulationsverfahren bis hin zu Windkanaluntersuchungen. Wie in Kapitel 7 beschreiben steht und fällt die Qualität jeder Schadstoffprognose mit der Genauigkeit der Eingangsdaten. Daher sind diese von besonderer Bedeutung und sind daher im Vorfeld von Untersuchungen sorgsam zu überprüfen. Zu den Eingangsdaten zählen neben der Schadstoffvorbelastung Angaben zu Verkehrsmengen, topografische Daten und Klimadaten bzw. Windstatistiken. Diese Daten fließen in die Erstellung eines digitalen Simulationsmodells, oder im Fall einer Windkanalstudie in ein maßstäbliches Modell, ein. Anschließend erfolgen die Berechnungen (Simulation) oder Messungen (Windkanal) zunächst der Windfelder im Untersuchungsgebiet und darauf aufbauend der zu erwartenden Schadstoffkonzentrationen. Simrockallee Bonn-Bad Godesberg Tel: 0228 / Fax: 0228 / bonn@peutz.de Seite 4

5 8.1 Grobscreening Ein Grobscreening soll schnell Aussagen über die zu erwartende Luftqualität durch Änderungen eines Straßenverlaufs oder einer Veränderung der Verkehrsmengen usw. liefern. für Feinstaub (PM 10) und der Stundenmittelwerte für Stickstoffdioxid (NO 2 ) ermittelt werden. Hierzu kann z.b. das Rechenverfahren gemäß des Merkblatts für Luftverunreinigungen an Straßen (MLuS) verwendet werden. Mit diesem Modell können die zu erwartenden Schadstoffkonzentrationen in einem Abstand von bis zu 200m von einer Straße mit wenigen Eingangsgrößen abgeschätzt werden. Die Topographie und klimatische Einflüsse können hierbei aber nicht berücksichtigt werden. Die Wirkung von Kreuzungen, Tunnelmündern und seitlichen Abschirmungen (Lärmschutzwände / Wälle) können jedoch einzeln berücksichtigt werden. Die weiteren Randbedingungen weitgehend standardisiert. Die Ergebnisse eines Grobscreenings sind mit großen Unsicherheiten behaftet. In der Regel sind die Ergebnisse deutlich überschätzt. Ergibt ein Grobscreening also eine Einhaltung der Grenzwerte, so ist in der Regel auch in der Realität von einer Einhaltung auszugehen. Sollte das Grobscreening jedoch eine Überschreitung der Grenzwerte ergeben, so ist aufgrund der Unsicherheiten eine genauere Untersuchung der Schadstoffsituation mit einem mikroskaligen Simulationsmodell oder einer Windkanaluntersuchung erforderlich. 8.3 Mikroskalige Simulation Gegenüber einfachen Abschätzungsverfahren bieten mikroskalige Simulationsmodelle den Vorteil, dass auch die lokale Topographie und die Einflüsse dichter Bebauung im Untersuchungsgebiet berücksichtigt werden können. Auch die Windverhältnisse des Untersuchungsgebiets gehen in Form von Windstatistiken in die Berechnungen ein. Durch die genauere Berücksichtigung der Eingangsdaten und eine Ausbreitungsrechnung für eine Vielzahl betrachteter Windszenarien ergeben sich mit mikroskaligen Untersuchungen wesentlich genauere Ergebnisse als mit Screeningmodellen. Als Ergebnis einer mikroskaligen Simulation ergeben sich Bereiche gleicher Schadstoffkonzentrationen als Jahresmittelwerte. Daraus können auch die Konzentrationswerte einzelner Immissionsorte ermittelt werden. Aus den Jahresmittelwerten können mit geeigneten Formeln und statistischen Auswertungen anschließend die Überschreitungshäufigkeiten der Tagesmittelwerte Abb. 4: Beispiel für die Verteilung eines Luftschadstoffes aus einem Parkhaus für eine Windrichtung (50 ); Bild: Peutz Consult GmbH 8.4 Windkanaluntersuchungen Zur Zeit liefern Windkanaluntersuchungen die realistischsten Ergebnisse, da die Untersuchung mit echten Luftströmungen durchgeführt wird. Die Ermittlung der Schadstoffbelastungen erfolgt unter Verwendung eines Tracergases, welches an den Emissionsorten eingebracht wird. An den zu betrachtenden Immissionsorten wird die Konzentration des Tracergases mit Hilfe von Sensoren gemessen. Aus dem Verhältnis der eingebrachten Gasmenge zu den Konzentrationen am Messort lassen sich Verdünnungsfaktoren für verschiedene Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten ermitteln. Die zu erwartenden Schadstoffkonzentrationen und Überschreitungshäufigkeiten werden anschließend durch eine Überlagerung mit der Windstatistik berechnet. 9 Zusammenfassung Die Feinstaubbelastungen in innerstädtischen Lagen in der Nähe von Verkehrswegen überschreiten auf Grund der bereits vorhandenen hohen Vorbelastung und der Zusatzbelastungen durch Straßenverkehr oftmals die Immissionsgrenzwerte der 22. BImSchV. Weitere Überschreitungen werden vielerorts wegen Grenzwertverschärfungen bzw. des Auslaufens der gesetzlichen Toleranzmargen bis 2010 bei Stickstoffdioxid (NO 2 ), Benzol (C 6 H 6 ) und Ozon (O 3 ) hinzukommen. Luftschadstoffuntersuchungen können hier helfen, Problembereiche im Vorfeld zu erkennen und Lösungen zu erarbeiten. Die zur Verfügung stehenden Untersuchungsmethoden reichen vom Grobscreening für erste Einschätzungen bis zu detaillierten Windkanaluntersuchungen an maßstäblichen Modellen. Simrockallee Bonn-Bad Godesberg Tel: 0228 / Fax: 0228 / bonn@peutz.de Seite 5