Vergleich von Emissionsfaktoren bei zwangs- und freibelüfteten Ställen

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1 Vergleich von Emissionsfaktoren bei zwangs- und freibelüfteten Ställen Karl-Heinz Krause, Stefan Linke Johann Heinrich von Thünen-Institut Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei Institut für Agrartechnologie und Biosystemtechnik In Braunschweig Vortragsgliederung 1. Messen, Analysieren und Bewerten 2. Emissionen von freien Oberflächen 3. Zur Methodologie der Emissionsmessung 4. Beispiel eines sog. Atlantic-Stalles 5. Das Ende Der rote Faden

2 Anfänge Goethe, Faust Geschrieben steht: "Im Anfang war das Wort! Hier stock ich schon! Wer hilft mir weiter fort? Geschrieben steht: Im Anfang war der Sinn. Bedenke wohl die erste Zeile, dass deine Feder sich nicht übereile! Es sollte stehn: Im Anfang war die Kraft! Doch, auch indem ich dieses niederschreibe, schon warnt mich was, dass ich dabei nicht bleibe. Mir hilft der Geist! Auf einmal seh ich Rat! Und schreibe getrost: Im Anfang war die Tat! Erich Käster: Fabian. Die Geschichte eines Moralisten. Es gibt nichts Gutes, es sei denn man tut es. Zielsetzung Formuliert in DIN EN ISO Luftbeschaffenheit Ermittlung von zeitlich gemittelten Massenemissionen und Emissionsfaktoren Allgemeine Vorgehensweise (ISO 11771:2010); Deutsche Fassung EN ISO 11771:220

3 aus der DIN EN ISO Teil 1 aus der DIN EN ISO Teil 2

4 aus der DIN EN ISO Teil 3 Mastschweineställe mit Zwangslüftungen

5 Überfirstlüftung im Gardemaß Überfirstlüftung im Gardemaß

6 Geplanter Boxenlaufstall Windanströmung parallel zum Sheddach Schnappschuss einer numerischen Simulation

7 Ammoniakverteilung in einem Boxenlaufstall Ammoniak mit Isokonzentrationsflächen von 1 ppm bei Wind aus dem 270 -Sektor mit U = 4,5 m/s

8 Ammoniak mit Isokonzentrationsflächen von 1 ppm bei Wind aus dem 180 -Sektor mit U = 4,5 m/s Ammoniak mit Isokonzentrationsflächen von 1 ppm bei Wind aus dem 225 -Sektor mit U = 4,5 m/s

9 Umweltrelevante Freisetzungen luftfremder Stoffe Stoffübergang an der Systemgrenze zwischen Stall und Umwelt Abluftschächte als sog. Punktquellen Auslasszellen in Form von sog. Flächen- und Linienquellen Grundsatzfrage: Emissionsbestimmung pro Quelle oder pauschal für die ganze Stallanlage Vortragsgliederung 1. Messen, Analysieren und Bewerten 2. Emissionen von freien Oberflächen 3. Zur Methodologie der Emissionsmessung 4. Beispiel eines sog. Atlantic-Stalles 5. Das Ende Der rote Faden

10 Stofffreisetzungen von einer emitierenden Oberfläche Wind über Flur Stoffübergang Gülle Ammoniak, Geruch unter Flur Massenfluss Allgemein in abstrahierter Form gilt Massenfluss = Diffusionskoeffizient x Potenzialgefälle * m = D C z Integration zur messtechnischen Interpretierbarkeit C( z1) C( z z z * 2 ) m = D 2 1 = D * C B C h 0

11 Massenstrom am Beispiel von Ammoniak der Quelle o. Emissionsfaktor e f : Massenstrom pro Tiermasse e [ U ( t) ] V [ U ( )] 0( t) = C0 0 t M M = ( 0 t) GE f in resp. M T s GV g JahrTP e f M 0 = M T Mechansich ventiliertes System mit Einlassöffnung im Futtergang unter der Ventilation Vortragsgliederung 1. Messen, Analysieren und Bewerten 2. Emissionen von freien Oberflächen 3. Zur Methodologie der Emissionsmessung 4. Beispiel eines sog. Atlantic-Stalles 5. Das Ende Der rote Faden

12 Messumfang Welche Größen müssen gemessen werden? Ein Massenstrom an Ammoniak bzw. Geruch ist direkt nicht messbar. Behelfsweise werden zeit- und ortsgleich die Konzentration und der Volumenstrom gemessen. Wie groß sind die Fehler bei der Messung und wie groß ist überhaupt der Messfehler in Bezug auf eine jahresrelevante Aussage? Grundsätzlicher Unterschied zwischen Zwangslüftung und freier Lüftung Zwangslüftung Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Ausbreitungsklassen Emission Transmission Immission Emissionsmassenstrom Stoffeinträge Meteorologie Emissionsrhythmus Topographie Windabhängigkeit Exposition Reaktion auf Stoffeinträge Freie Lüftung Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Ausbreitungsklassen

13 Einsatz von Emissionsdaten Die Immissionskonzentration bestimmt sich wie folgt: V 0 ( α, U, AK) C( x, y, z) = C0 = C0D( α, U, AK) V atmosph Im Jahresmittel erhält man durch die Summation (Integration, sprich Mittelung) aller Einträge den Jahresmittelwert C( x, y, z) = C 36,9,6 α, U, AK H ( α, U, AK) C 0 ( α, U, AK ) D( α, U, AK ) = 0 V ( α, U, AK) V 0 ( α, U, AK ) atmosph( α, U, AK) Unzulässige Umformungen von Emissionsdaten - 1 Es gilt C0 ( α, U, AK ) D( α, U, AK ) C0 ( α, U, AK ) D( α, U, AK ) Beispiel für die Mittelung über drei Wertepaare: ( 4 3) + (2 1) + (7 5) ,3 13 q.e.d.

14 Unzulässige Umformungen von Emissionsdaten - 2 Es gilt C0 ( α, U, AK ) D( α, U, AK ) C0 ( α, U, AK ) D( α, U, AK ) Dennoch wird von einer falschen Umformung Gebrauch gemacht 36,9,6 V 0 ( α, U, AK ) H ( α, U, AK) C0 ( α, U, AK) = α, U, AK V atmosph( α, U, AK ) 36,9,6 M 0 e f α, U, AK 36,9,6 H ( α, U, AK ) = atmosph( α, U, AK ) V H ( α, U, AK ) α, U, AK V atmosph( α, U, AK ) Über den gewundenen Pfad der Forschung nach Daniel Hillel Theorie Irrglaube: Theorie ist Wahrheit instabile Computermodelle Vermutung Hypothese Modell Wissenszuwachs Herkömmliches Wissen Deduktion Verwaltung Induktion Deduktion Finanzielle Anreize Vorschauende Rückblicke Veröffentlichungspolitik Induktion Vorzeitiges Aufgeben Daten Beobachtung Messung Experiment Datenanhäufung Endlosexperimente

15 Ansatz zur ganzheitlichen Betrachtungsweise Dimensionsanalyse Volumenstrom V, Stallvolumen V, Konzentration am Auslass C 0, Konzentration am Boden C B, Tiermasse M T, Aufladezeit der Stalluft für luftfremde Stoffe: K -1 C 0 M V T = u f e N A B K mit N K = C C B 0 1 = X DEMAP Data based emission model of animal production Vorschlag für eine charakteristische Stallfunktion e spez e NH 3 = N e spec N = V& / V and 0 e spez = u u f f e CB A+ B Co = mg GV ( Umrechnung der Einheiten) e NH3 : Emissionsmassenstrom N: Volumenstromrate A and B: Konstante C B / C 0 : Verhältnis der Konzentrationen am Boden und am Auslass

16 Messen Analysieren Bewerten mit DEMAP N V = V K k = V M 0 M T C0 V = M 0 = m0 T = f e C 0 V 0 M T = N e N A B K DEMAP Datenbasiertes Emissionsmodell der Tierproduktion Ammoniak Geruch Ammoniak Geruch Ammoniak Geruch Konstante A Putenstall 13, ,7474 Rinderstall 14, ,2386 Schweinestall 14, ,4369 Konstante B 0,1133 0,0154 0,1344 0,0323 0,2251 0,1466 Vortragsgliederung 1. Messen, Analysieren und Bewerten 2. Emissionen von freien Oberflächen 3. Zur Methodologie der Emissionsmessung 4. Beispiel eines sog. Atlantic-Stalles 5. Das Ende Der rote Faden

17 Offene Ställe: simulierte Ammoniakwolken in der Schweine- und Rinderhaltung große Bauhöhe kleine Bauhöhe Ableitung der Emissionen beim offenen Schweinestall niedriger Bauhöhe

18 Simulation unterschiedlicher Anströmbedingungen Emissionsmassenstrom pro Abteil

19 Meteorologischer Einfluss (AKTerm) auf das Emissionsverhalten Anwendung der meteorologischen Daten (AKTerm) auf ein Emissionsmodell zur Bestimmung des stündlichen Emissionsmassenstromes. Ammoniakzeitreihen Vergleich der Regressionen Messw ert Lineare Regression Nichtlineare Regression 4,00 3,50 3,00 C_NH3 [mg/m3] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 aus Rösler, Praktikumsbericht, siehe Begleitext zur Veranstaltung

20 Tiermassebezogener Emissionsmassenstrom für Ammoniak in Abhängigkeit vom dimensionslosen Konzentrationsverhältnis X Emissionsmassenströme für Geruch und NH 3

21 Vortragsgliederung 1. Messen, Analysieren und Bewerten 2. Emissionen von freien Oberflächen 3. Zur Methodologie der Emissionsmessung 4. Beispiel eines sog. Atlantic-Stalles 5. Das Ende Der rote Faden Bocca della verita, Mund der Wahrheit, Rom. Darstellung des italischen Gottes Faunus, der für die Einhaltung von Versprechungen zuständig war. Legt man die Hand in den Mund, kann man den wahren Emissionsfaktor erfragen. Man muss aber nicht bis nach Rom fahren, hier tut es auch eine Anfrage beim KTBL.

22 Emissionsfaktoren nachgefragt Frage Was muss man tun, wenn eine neue Stallkonzeption vorliegt? Welches Emissionsverhalten ist angesagt? Antwort Man macht eine konservative Abschätzung, d.h. man orientiert sich an den Emissionsfaktoren, die bei der betreffenden Tierhaltung üblich sind. Übersetzt: Man hat keine Ahnung. Man greift auf vorhandene Daten zurück. Man macht nichts falsch und trägt dafür noch nicht einmal Verantwortung. Unsere Sicht der Dinge Hintergrund unserer Untersuchungen: 1.Erlangen von Emissionsdaten bei geschlossenen und offenen Stallanlagen durch Messungen und Simulationen. 2.Einbettung in das kausalanalytische Emissionsmodell DEMAP zur Bestimmung spezieller Emissionszustände. 3.Solange man auf der Emissionsseite bleibt (Kataster) kann man Daten mit beliebigen Statistiken produzieren. Man darf sie nur nicht für Ausbreitungszwecke verwenden.

23 Um in die richtige Richtung zu gehen, kann man den Sachverhalt auch umdrehen. Es passt schon. Bestimmung von Emissionsfaktoren Emissionsfaktoren lassen sich am ehesten noch für solche Quellen rechtfertigen, die nicht direkt äußeren Einflüssen ausgesetzt sind: Ställe mit Zwangslüftung Umwelt Zwangsentlüftung Stall Umwelt Freie Lüftung Stall Emissionsfaktoren direkt einsetzbar als Anfangswert bei einer Ausbreitungsrechnung Emissionsfaktoren nur in Verbindung mit meteorologischen Parametern

24 Schluss Habe fertig. Trappatoni Schulterklopfen in der Landwirtschaft