Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen zur PM 10 -Feinstaubbelastung an zwei Standorten in NRW

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Lisa Holst
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Breuer 2, D. Gladtke 2 und T.A.J. Kuhlbusch 1 1 Institut für Energie- und Umwelttechnik e.v.

1 Beitrag verkehrsbezogener und nicht fossiler Rußemissionen zur PM 10 -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 Bergisch Gladbach

2 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 PM 10 beitragen (Pfeffer et al., 2013) 2

3 Ziele des Projekts Quantifizierung des fossilen Anteils sowie des Beitrags der Biomasseverbrennung am BC und PM 10 Evaluierung der Handhabbarkeit der BC-Monitore Bestimmung von Black Carbon (BC): Optische Messung bei 7 Wellenlängen Elementarer und organischer Kohlenstoff (EC und OC): Thermo-optische Messung Levoglucosan: Ionenchromatographie 3

4 Messstandorte Verkehrsstation openstreetmap km Städtische Hintergrundstation 4

5 Quelldiskriminierung 1. Schritt Sandradewi et al. (2008) Ångstrømexponenten (Harrison et al., 2013): α Fossil = 0,8 1,1 1 α Biomasse = 0,9 2,2 2 5

6 Welche Zyklen lassen sich beobachten? 6

7 BC-Quelldiskriminierung - Gesamtübersicht BC (950 nm, in µg/m³) Verkehrsstation Biomasse Fossil gesamt Zeitraum: September 2013 Ende Dezember 2014 Tagesmittelwerte (n = 500) Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Sep 13 Jan 14 Okt 13 Feb 14 Mär 14 Nov 13 Apr 14 Dez 13 Mai 14 Jan 14 Jun 14 Feb 14 Jul 14 BC (950 nm, in µg/m³) Aug 14 Sep 14 Okt 14 Nov 14 Dez 14 Mär 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 Jul 14 Aug 14 Sep 14 Okt 14 Nov 14 Dez 14 Städtische Hintergrundstation Biomasse Fossil gesamt 7

8 BC-Quelldiskriminierung - Verkehrsbeiträge BCFossil-Konzentration (950 nm, in µg/m³) Verkehrsstation Sommer Verkehrsstation Winter Hintergrundstation Sommer Hintergrundstation Winter Wochentag 8

9 BC-Quelldiskriminierung - Biomasseverbrennungsbeiträge BCBiomasse-Konzentration (950 nm, in µg/m³) Verkehrsstation Winter Hintergrundstation Winter Verkehrsstation Sommer Hintergrundstation Sommer 0 Wochentag ähnliche Winter-Tagesgänge wurden u. a. für Werktage in London ermittelt (Fuller et al., 2014) BCBiomasse-Konzentration am Hintergrundst. (950 nm, in µg/m³) y = 0.83x R² = BC Biomasse -Konzentration am Verkehrsst. (950 nm, in µg/m³) 9

Ropkins, 2012) openair (Carslaw & Ropkins, 2012)

10 BC-Quelldiskriminierung Fossile und Biomasseverbr.-Beiträge Städtische Hintergrundstation openair (Carslaw & Ropkins, 2012) openair (Carslaw & Ropkins, 2012) Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function), jeweils oberes Quartil 10

11 BC-Quelldiskriminierung Beiträge fossiler Brennstoffe BC Fossil überwiegt (gesamter Zeitraum) openair (Carslaw & Ropkins, 2012) 50 m Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function) openstreetmap

(Carslaw & Ropkins, 2012) 50 m Wahrscheinlichkeiten

12 BC-Quelldiskriminierung Biomasseverbrennungsbeiträge BC Biomasse überwiegt (Winter 2013/2014) openair (Carslaw & Ropkins, 2012) 50 m Wahrscheinlichkeiten (Conditional Probability Function) openstreetmap

13 Quelldiskriminierung 2. Schritt Abschätzung des gesamten CM: CM = EC + 1,8 x OC Harrison et al. (2013) Quantifizierung der verschiedenen Quellbeiträge am CM Sandradewi et al. (2008a) und Herich et al. (2010) Sandradewi et al. (2008) und Favez et al. (2009): C 1 = µg/(mm²) Favez et al. (2009, 2010), Sandrewi et al. (2008) und Sciare et al. (2011): C 2 = µg/(mm²) 13

14 Welche Zyklen lassen sich beobachten? 14

15 BC-Quelldiskriminierung Beiträge zu PM 10 Prozentualer Anteil CM an PM Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai 2014 Monat Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Hintergrundstation Biomasse Verkehrsstation Biomasse Hintergrundstation Fossil Verkehrsstation Fossil Anteile PM 10,Biomasse im Winterhalbjahr: (Pfeffer et al., 2013): Ca. 11 % in NRW (Piazzalunga et al., 2011): Max. 15 % in Mailand 15

16 Wie plausibel sind die Ergebnisse? 16

17 Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan Simoneit et al. 1999: Als Monotracer für Holzverbrennung eingeführt Analyse erfolgte von PM 10 -Quarzfaserfiltern Simoneit et al. (2002) 17

18 Quantifizierung der Biomasseverbr. - Monotracer Levoglucosan 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 PM Biomasse = F x Levoglucosan Maenhaut et al., 2012: Fuller et al., 2014 Pfeffer et al., 2013: Saarnio et al., 2012: 10.7 (Flandern) 11 (London) 13 (Nordrhein-Westfalen) 24 ± 9 (Finnland) 18

19 Biomasseverbrennungskomponente - Quantifizierungsansätze Verkehrsstation (n = 79) CM aus der Biomasseverbrennung (über BCBiomasse bestimmt, in µg/m³) y = 1.24x R² = CM aus der Biomasseverbrennung (über BCBiomasse bestimmt, in µg/m³) y = 1.11x R² = 0.92 nur Winter PM 10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³) PM 10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³) Städtischer Hintergrund (n = 258) CM aus der Biomasseverbrennung (über BCBiomasse bestimmt, in µg/m³) y = 0.96x R² = CM aus der Biomasseverbrennung (über BCBiomasse bestimmt, in µg/m³) y = 0.89x R² = 0.90 nur Winter PM 10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³) PM 10 aus der Biomasseverbrennung (über Levoglucosan bestimmt, in µg/m³) 19

20 Welchen Beitrag leisten Biomasseverbrennung und Verkehr zu Überschreitungstagen? 20

21 Überschreitungstage Anzahl Überschreitungstage Jahr Verkehrsstation Städtischer Hintergrund LANUV-Jahresberichte ( ) 21

22 Quelldiskriminierung (anhand von BC, EC, OC) Beiträge zu PM 10 Verkehrsstation: Insgesamt 10 Überschreitungstage 4 Tage weniger abzüglich CMBiomasse Dieselben Tage + ein zusätzlicher ohne CMFossil 100 PM10 (in µg/m³) CMFossil CMBio übriges PM Datum 22

23 Quelldiskriminierung (anhand von BC, EC, OC) Beiträge zu PM 10 Städtische Hintergrundstation: Insgesamt 12 Überschreitungstage 2 Tage weniger abzüglich CMBiomasse Dieselben Tage + ein zusätzlicher ohne CMFossil 100 PM10 (in µg/m³) CMFossil CMBio übriges PM Datum 23

24 Erkenntnisse? 24

25 Quelldiskriminierung 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? 25

von n = 10) 25 % der Tage (Hintergrundstation, von n = 12) CM Biomasse und CM Fossil

26 Beträge zur Feinstaubbelastung Insbesondere im Winter machen CM große Anteile an PM 10 aus CM trägt zur Anzahl der Überschreitungstage bei: 50 % der Tage (Verkehrsstation, von n = 10) 25 % der Tage (Hintergrundstation, von n = 12) CM Biomasse und CM Fossil tragen im betrachteten Zeitraum ungefähr gleich stark zur Anzahl der Überschreitungstage bei 26

27 Konsequenzen? 27

28 Konsequenzen CM aus Verkehrsemissionen Inwieweit wirken sich Veränderungen in der Fahrzeugflotte und das Inkrafttreten neuer Abgasnormen aus? CM aus der Biomasseverbrennung Inwieweit wirkt sich das Inkrafttreten neuer Grenzwerte (2..Stufe der 1. BImSchV ab Januar 2015) aus? Sind weitere Maßnahmen zur Emissionsreduzierung notwendig? 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank an meine Kollegen und an die Mitarbeiter des LANUV! Danke außerdem an die Mitarbeiter von Magee Scientific für ihre Unterstützung hinsichtlich technischer Fragen. 29

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