EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem Verkehrsschwerpunkt in Dresden

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1 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 25. Verkehrsplanerisches u. Verkehrsökolog. Kol. H. Gerwig

2 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 2

3 Stadtaerosol Sichtbar Saharastaub Stadtrand Dresden µg/m³ PM10 Kufstein hohe Konz. PM10 Ultrafeinstaub bleibt unsichtbar Folie 3

4 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 4

5 Wozu UFIPOLNET? EU-Kommission fordert mehr Forschung zu Ultrafeinstaub- Konzentrationen und negative Gesundheitseffekte EU-Kommission (DIMAS): Feinstaub (PM10): Menschen sterben daran pro Jahr in Deutschland (FAZ ) Margot Wallström, Vize-Präsidentin der Europäischen Kommission und Stavros Dimas, (Kommissar Umwelt) messen die partikuläre Luftverschmutzung September 2005 Ultrafeinstaub bislang selten gemessen: für kurze Zeit, an wenigen Orten Folie 5

6 Trend von Luftschadstoffen klassische Schadstoffe der Luftqualität wie Schwefeldioxid und Gesamtstaub (TSP) nahmen ab ultrafeine Staubpartikel (< 0,1 µm) und Partikelanzahl auf Niveau von vor 15 Jahren. Masse von Feinstaub (PM 2,5) Partikelanzahl insbesondere von Ultrafeinstaub Winter in Erfurt, Folie 6

7 Gesundheitsgefahr Ultrafeinstaub dringt tief in die Lunge ein Feinstaub steht laut US-EPA in Zusammenhang zu: Atemwegs- Erkrankungen Bronchitis verminderte Lungenfunktion Spiegel 14/2005 Vorzeitige Todesfälle bei Herz-Kreislauf- Erkrankungen Folie 7

8 Heute EU-Gesetze Regelung ab vermutlich 2007 CAFE Prozess (seit 2001) + Thematische Strategie zur Luftreinhaltung (Sep. 2005) > Revision Luftqualität-Richtlinien EU-Luftreinhalterahmenrichtlinie und 4 Tochterrichtlinien ->BImSchG PM10 TMW (Tagesmittelwert ) 35 mal 50 µg/m³ JMW (Jahresmittelwert) 40 µg/m³ US-EPA (9-2006, ca. ab 2010): PM2,5 TMW 35 µg/m³ (98 Perz.); JMW 15 µg/m³; PM10 TMW 1 mal 150 µg/m³ Vorläufig Einigung Parlament/Rat ( ) Review in 2013 PM2.5 + ggf. andere Schadstoffe, z.b. Partikelanzahl? Eine EU- Luftreinhalterichtlinie PM10 TMW 55 mal 50 µg/m³ JMW 40 µg/m³ PM2,5 JMW 25 µg/m³ (ab 2015 Grenzwert, davor Zielwert; im Hintergrund Messung u.a. Ruß, Nitrat) Folie 8

9 Partikelanzahl in Normen EU-Kommission Research for the Thematic Strategy on air pollution (EU COM(2005)446, ): In den kommenden Jahren sind weitere Forschungsarbeiten zu Emissionsquellen, Atmosphärenchemie und Schadstoffausbreitung sowie zu den Auswirkungen der Luftverschmutzung auf Gesundheit und die Umwelt einschließlich langfristiger epidemiologischer Studien auf europäischer Ebene erforderlich. EÙ-Kommission Vorschlag: Euro 5-Emissionsgrenzwert für Partikelanzahl (#/km) PKW zusätzlich zu Masse (EU COM(2005) 683 final 2005/0282 (COD): On type approval of motor vehicles with respect to emissions and on access to vehicle repair information, VDI Richtlinie 3867 Blatt 1 und 2: Messen von Partikeln in der Außenluft - Charakterisierung von Prüfaerosolen - Bestimmung der Partikelanzahlkonzentration und Anzahlgrößenverteilung Grundlagen bzw. Kondensationspartikelzähler (CPC) Folie 9

10 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 10

11 Was ist Feinstaub (PM10)? PM10 = 10 Mikrometer ist 5-10 mal kleiner als Durchmesser menschlichen Haares: Folie 11

12 Was ist Ultrafeinstaub? Ultrafeinstaub Feinstaub Haar 0,01 0, µm mal kleiner als Durchmesser menschlichen Haares: < 0,1 Mikrometer bzw. < 100 Nanometer Folie 12

13 relative Konzentration relative Massenkonzentration von Gesamtstaub, PM10, PM2,5 und Ultrafeinstaub Kondensation Akkumulation Depositions-Mode Aitken-Mode Condensation, Droplet (Entstehungsnah, (Ferntransport, (Sedimentation) Koagulation) Regenauswaschung) PM 2,5 Zus.PM 10 -Anteil Zusätzlicher Gesamtstaub-Anteil Partikeldurchmesser in µm Ultrafein PM2,5 n. CHOW und WATSON 1998 PM10 TSP Folie 13

14 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 14

15 Aerosol unter dem (Elektronen)mikroskop: anthropogen bio/geogen Ammoniumsulfat: Pflanzenpollen Dieselruß, 7000fach Sandstaub Hochtemperaturverbrennung Seesalz Aerosolbilder: Martin Ebert; U Darmstadt; Saharastaub: aus Reller et al.: Staub Geschichten ; Dieselruß: U. Heinzmann (GSF) Folie 15

16 Aerosolbestandteile / -quellen Sekundäres Aerosol Ammonium Ammoniak: Landwirtschaft, Abwässer, Kfz Sulfat Schwefeldioxid: Kohleverbrennung Nitrat Stickoxide: Verkehrabgase, Industrie Org. Stoffe Sekundäres Organisches Aerosol SOA (anthopogen:kfz, Lösemittel; biogen: Pflanzenterpene) Primäres Aerosol/Partikel Org. Stoffe primäre Partikel: Gummiabrieb, Zellulose Ruß Elementarer Kohlenstoff: aus Diesel-Kfz, Kamine, Verbrennung Spurenelem. Hochtemperaturverbrennung, Bremsen, Eisenoxid aus Korrosion Seesalz Na, Cl, Mg (Sulfat) aus Seaspray Erdkruste Silizium, Aluminium, Eisen-Oxide, Calcium-, Titanverb. aus Aufwirbelung Verkehr, Boden, Folie 16

17 Horizontaler Schnitt der PM10 Luftkonzentration in Dresden 50 PM10 in µg/m³ städtischer Ursprung Orte: 1 verkehrsreiche Straße 2 städt. Hintergrund 3 regionaler Hintergrund 4 Stadtrand 0 Stadtgebiet Dresden Abb. modifiziert nach LENSCHOW et. al. (2001) Atmospheric Env. 35, S23-33 Δ Ort 1-2 = lokale Straße Anteile: Δ Ort 2-4= Städtischer Ursprung Ort 4= Stadtrand + reg. Hintergr. Folie 17

18 Verkehr städt. Hintergrund Stadtrand Ort 1 Ort 2 Ort 4 0,7% 6,0% 4,2% 11,4% 13,2% 10,7% PM 10 14,0% 20,2% 19,7% EC Organ. Stoffe Kruste Sulfat Nitrat Ammonium 0,5% 7,7% Seesalz (Na, Cl, 3,2% Spurenelemente (Oxide) Wasser+unbek. 13,6% 27 µg/m³ 21 µg/m³ 17 µg/m³ 15,1% 13,3% PM 10 9,4% 13,7% 23,4% 0,5% 2,4% 7,9% 21,9% 11,4% PM 10 7,5% 15,8% 20,0% 12,7% (Gerwig, 2005) Dresden: Mittelwert Feb Jul-Aug-2004 Folie 18

19 PM10-Quellen am Schlesischen Platz in Dresden Emissionsinventare verknüpft mit PM10 Konzentrationen der Hauptkomponenten an 3 Stationen (n. Lenschow-Ansatz) lokaler Verkehrsanteil Verkehr im Stadtgebiet 28,1% 23,4% Verkehr am Stadtrand und Ferntransport Haushalte (5 % Ammonium) 7,9% = 43,6% Verkehr Industrie Landwirtschaft + Natur 24,8% 12,3% 3,5% (Gerwig, 2005) Folie 19

20 PM10-Quellen am Schlesischen Platz in Dresden aus lokalem Verkehr lokaler Verkehr = Verkehrsstation - Stadthintergrund PM 10 -Anteil aus lokalem Verkehr 24 % 13 % Bodenstaub, Salz, Wasser Sulfat, Nitrat, Ammonium Organische Materie Ruß aus Reifenabrieb Ruß aus Motoremissionen 2 % 2 % 2 % 5 % (Gerwig, 2005) Folie 20

21 Massenanteil in % 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Dr. H. Gerwig 56 Woraus besteht Ultrafeinstaub? Ruß Sulfat, Nitrat, Ammonium Kohlenstoff im Ultrafeinstaub Sekundäres Aerosol im Akkumulationsmodus Organische Materie Bodenstaub, Salz, Wasser Erdkruste im Grobstaub (Gerwig, 2005) Stufen der Partikeldurchmesser in nm Akkumulationsmodus Tröpfchen Massenanteil Ruß nimmt mit sinkendem (560 bis 1800 nm AeD) 1/3 sekundäres Aerosol Partikeldurchmesser zu. (Ammonium, Sulfat und Nitrat) Ultrafeinstaub (56 bis 100 nm) Grobstaub (1.000 bis nm AeD) Über die Hälfte kohlenstoffhaltige Stoffe Bodenstaub, Wasser, See- bzw. Streusalz Ruß Hauptbestandteil des Ultrafeinstaubs Akkumulationsmodus Kondensation (100 bis 560 nm AeD) % kohlenstoffhaltig Folie 21

22 Ruß-Konzentration: bei mittlerer Tagestemperatur >7 C bzw. < 7 C Primäre Rußpartikel ca. 50 nm aus Verkehrsemission [Franck, 2004] Ruß in µg/m³ 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2,0 1,5 1,0 MOUDI Ruß aus Straßenverkehr: Ruß im Ultrafeinstaub ( nm / nm) ist unabhängig von Tagestemperatur entspricht damit Dieselruß AeD in nm > 7 C < 7 C 0,5 Berner 0, Partikelagglomerat ca. 400 nm aus Holzverbrennung [Gwaze et al. 2004] Ruß aus häuslicher Feuerung (Holz oder Kohle): - niedrige Temperaturen -> mehr Rußk im Akkumulationsmodus - Rußpartikel aus Holz- und Kohleofenverbrennung sind gleich groß Folie 22

23 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 23

24 Projekt: Was bedeutet UFIPOLNET? Ultrafine Particle Size Distributions in Air Pollution Monitoring Networks Korngrößenverteilung von Nanopartikeln in Messnetzen zur Luftüberwachung Ziel: Bau und Erprobung von bezahlbarem Messgerät für Ultrafeine Staubpartikel in Immissionsmessnetzen über 1 Jahr Projektlaufzeit: 12/ /2007 EU-Fördermittel: 400 TEUR sächsische Partner: 270 TEUR Folie 24

25 Nutzen Erkenntnisgewinn zum Wohle der sächsischen Bürger: Einschätzung Gesamtpartikelanzahl und Zusammensetzung in Fläche fehlt bislang Datensammlung zu kleineren Partikeln (0,1 µm) Planung für Überwachung der Luftqualität Analog zu vorausplanenden Messungen von u.a. BaP und Schwermetalle vor 4ter Tochterrichtlinie in Sachsen Folie 25

26 Partner: Wer macht mit? Leadpartner Sächs. Landesamt f. Umwelt und Geologie LfUG (mit UBG) und 6 Partner aus CR, D, S Unternehmen, wissenschaftliche Institute Luftqualitätsmessnetze Folie 26

27 Orte: Wo wird gemessen? Prague Smichov tunnel Dresden Schlesischer Platz Prototyp TOPAS UFP 330 Stockholm Hornsgatan Augsburg Friedberger Str. Folie 27

28 Wie organisiert? LfUG Saxon State Agency for Environment and Geology, Dresden (Leadpartner) IfT Leibniz Institute for tropospheric research, Leipzig CHMU Chzech Hydrometeorological Institute, Prague ITM Department of Applied Environmental Science (ITM) University Stockholm GSF National Research Center for Environment and Health, Munich TOPAS GmbH Dresden TSI GmbH, Aachen (Cofinancer) Steering committee Chair: LfUG; Members: One representative of each partner Coordination and Management LfUG Assembly Team TOPAS, IfT sponsoring device parts TSI Technical implementation User requirements User group CHMU, ITM, GSF, LfUG Folie 28

29 Informationsmanagement Innen Projektbegutachtung/Besuche s: UFIPOLNET: wichtigste Informationen an alle z.b. durch Protokolle Grundlagen: Projektantrag, EU- Vorschriften, eigene Financial Guidelines, Exceldateien, Verträge. Protokolle zu Meetings! Adressen zentral + up to date halten Wunsch: internes Internet für wichtige Dokumentation von Protokollen, Absprachen Skizzen, Berichten, Bildern Folie 29

30 Transnationale Aufgabenbewältigung Treffen Kick-Off-Meeting vor Beginn erster Arbeiten Regelmäßig mit allen Partnern (jährlich) Meetings zwischen Partnern mit gemeinsamen Aufgaben (alle 1-2 Monate) Kommunikation Schriftverkehr in Englisch , Telefonkonferenzen, persönliche Treffen, Telefonate, selten Briefverkehr Folie 30

31 UFIPOLNET PROJEKT Aufgaben T2 Designing T1 Management T3 Implementation T4 Measuring activities T6 Dissemination T5 Evaluation Folie 31

32 Aufgaben / Zwischenziele 2004 Timetable UFIPOLNET LIFE 04 ENV/DE/ progress progress intermediate final Managment 1 final congress sep / oct 07 Designing 2 Implementation 3 Measuring 4 Evaluation Dissemination old plannig 4 Prototypen fertig trotz Verzögerung (10 Monate) Vergleichsmessungen zu herkömmlichen Geräten positiv Folie 32

33 Wie werden Ergebnisse verbreitet? Realisiert UFIPOLNET-Newsletter Vorträge Flyer in DE, EN, CZ, SV Info-Tafeln (Messcontainer) Pressemitteilungen Berichte Geplant: Jedermann-Bericht (2007) Konferenz Sep/Oct 07: Ultrafine Particles in Urban Air Zeitschriftenartikel Folie 33

34 Abschluss-Konferenz «Ultrafine Particles in Urban Air» ca. 100 Teilnehmer hauptsächlich aus deutschsprachigen Ländern 2 Tage in Dresden Verm Oktober 2007 Inhalt: Ultrafeinstaubmessungen u.a. in Dresden, anderen Orten UFIPOLNET und darüberhinaus sowie rechtliche und gesundheitliche Aspekte In SAB, Sächsischer Aufbaubank Infos ab Januar 2007 unter: Folie 34

35 Informationstafel +Flyer am Messcontainer in Dresden Schlesischer Platz: ca Kfz pro Tag Folie 35

36 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 36

37 Messung in Dresden bisher: Twin DMPS (IfT) (Löschau, 2005) DMPS = Differential Mobility Particle Sizer Institut für Troposphärenforschung: IfT-Leipzig nm ( nm und 3 20 nm) Reduktion für Datenbank UBG: Halbstundenmittelwerte 8 Korngrößenklassen Folie 37

38 Ultrafeinstaub: Wie hoch ist die Konzentration? Partikelanzahl pro Kubikzentimeter (Löschau, 2004) Durchschnittlicher Werktag (1 Jahresmittel) Bsp. Korngrößenverteilung verkehrsreiche Kreuzung Dresden, Schlesischer Platz Durchschnittlicher Werktag: Minimum 3:00 h Maximum 8:00 h mehr als 90% Partikel zwischen nm Konzentration variiert mit Ort: ländlich niedriger als in Stadt Folie 38

39 PM10 Tagesgang µg/m ³ 60 Straßenschlucht In Stadt an Straße 30 städtischer Hintergrund ländlicher Hintergrund (Löschau, 2006) 0 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 Folie 39

40 KfZ-Tagesgänge 4 Messstationen* in Dresdens Zentrum Summe 4 stationen 2003 Tagesganglinien Kfz Fr Sa So Di - Do Anzahl Fahrzeuge (Gerwig, 2005) Uhrzeit * Ammonstr., Carolabrücke, Königsbrücker Str. und Radeburger Str. Folie 40

41 Schwerverkehr-Tagesgänge 4 Messstationen in Dresdens Zentrum Summe 4 Zählstellen 2003 Tagesganglinien SV Fr Sa So Di - Do Anzahl Fahrzeuge Uhrzeit (Gerwig, 2005) Folie 41

42 UFI (500) nm Halbstundenmittelwerte, 6 Korngrößenklassen: >20 >30 >50 >70 >100 >200nm 19 Rack 710mm hoch, 410mm tief Vorteile kein Butanol keine radioaktive Quelle kostengünstig Folie 42

43 Partikelanzahl pro Kubikzentimeter NC cm -3 Partikelanzahl Jahresmittelwerte verschiedener Jahre , bisherige Messsysteme an UFIPOLNET Mess-Orten > Gesamt 3 or 7nm 2) nm nm NC nm nm Dresden Augsburg Stockholm Prague Gesamtpartikelanzahl: Augsburg = 1/2x Dresden; Stockholm = 2xDresden Folie 43

44 µg/m³ Dr. H. Gerwig NOx und PM10 Jahresmittelwerte verschiedener Jahre , bisherige Messsysteme an den UFIPOLNET Mess-Orten NOx NO2 NO PM Dresden Augsburg Stockholm Prague NOx korreliert gut mit der Partikelanzahl (laut Literatur) Erwartung: Prag = Dresden; Stockholm > Dresden Folie 44

45 EU-Projekt zur Messung von Ultrafeinstaubpartikeln an einem 1. Wozu UFIPOLNET? 2. Von Feinstaub zu Ultrafeinstaub 3. Woraus besteht Feinstaub in Dresden? 4. Das Projekt Nutzen Partner Orte Organisation Ergebnisverbreitung 5. Partikelanzahlmessungen in Dresden 6. Zusammenfassung Folie 45

46 Zusammenfassung Grundlage: Ultrafeinstaub-Messungen sind notwendig um Gesundheitsgefahren besser einzuschätzen, Konzentrationsmessungen zu selten, zu kurz Ultrafeinstaub in Stadt: hauptsächlich Ruß + Organische Stoffe Projekt: 4 Prototypen fertig trotz Verzögerung; günstiger und einfacher als Vergleichbare Geräte Vergleichsmessungen positiv Sachsen erhält 270 TEUR Fördermittel Publikation: Webseite, Newsletter, Flyer Abschlußkonferenz Sep oder Okt Messungen zum Vergleich der 4 Standorte bis mind. Ende 2007 geplant Folie 46

47 Dokumentation Report Inhaltsstoffe Quellgruppenquantifizierung von PM10 an einer Verkehrsmessstation in Dresden; Gerwig, H.; Bittner, H.; Brüggemann, E.; Gnauk, T.; Herrmann, H.; Löschau, G.; Müller, K. Gef. Reinhalt. Luft, 2006, 66, Folie 47

48 Denn Staub bist du, zu Staub musst du zurück. Genesis 3, 19 Jedes Materiepartikel kann als ein Garten voller Pflanzen und ein Teich voller Fische aufgefasst werden. Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Entnommen aus: Hg: Armin Reller und Jens Soentgen: Staub - Spiegel der Umwelt; Soffgeschichten - Buchreihe des Wissenschaftszentrums Umwelt der Universität Augsburg in Kooperation mit dem oekom e.v.; Band 1; 2005; oekom-verlag, München. Folie 48

49 wird mit Unterstützung des Finanzierungsinstruments der Europäischen Gemeinschaft und der Finanzierung des Freistaats Sachsen durchgeführt Folie 49