Für Mensch & Umwelt TLUG Jena Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft Alfred Trukenmüller Fachgebiet II 4.1 / Grundsatzfragen der Luftreinhaltung
Zweck der Änderungen METEOROLOGISCHE DATENBASIS STÄRKEN Qualitätssicherung für meteorologische Daten und deren Übertragung Bereitstellung eines Niederschlagsdatensatzes Zulassung modellierter meteorologischer Daten Aktualisierte Grenzschichtprofile Referentenentwurf: www.bmub.bund.de/n53642/ METHODISCHE BRÜCHE HEILEN Zwischen Vorbelastung, (Gesamt-) Zusatzbelastung und Naturschutz durch konsequente Berücksichtigung der nassen Deposition Zwischen Schornsteinhöhenbestimmung und Ausbreitungsrechnung METHODISCHE LÜCKEN SCHLIEßEN Qualitätssicherung bei der Übertragung meteorologischer Daten Nasse Deposition Validierung und Anwendung prognostischer Windfeldmodelle Ungestörter Abtransport der Abgase mit der freien Luftströmung 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 2
Gliederung 1 AUSBREITUNGSRECHNUNG EINGANGSDATEN 2 AUSBREITUNGSRECHNUNG PARAMETRISIERUNG 3 AUSBREITUNGSRECHNUNG VORSCHALTMODELLE 4 VORSORGE SCHORNSTEINHÖHE 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 3
1 Ausbreitungsrechnung Eingangsdaten METEOROLOGIE 2002 Windrichtung Windgeschwindigkeit Ausbreitungsklasse oder Monin-Obukhov- Länge Alternativen: 1. Messungen am Standort der Anlage 2. Daten einer geeigneten DWD-Station oder einer entsprechend ausgerüsteten Station + Übertragbarkeitsprüfung METEOROLOGIE 2017 Windrichtung Windgeschwindigkeit Ausbreitungsklasse oder Obukhov-Länge Alternativen: 1. Dito, QS nach VDI 3783 Blatt 21 2. Dito, QS nach VDI 3783 Blatt 21 Dito, nach VDI 3783 Blatt 20 3. Modellierte Daten Nachweis der Eignung und Qualität der eingesetzten Modelle sowie der Repräsentativität des Datensatzes 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 4
1 Ausbreitungsrechnung Eingangsdaten METEOROLOGIE 2002 METEOROLOGIE 2017 Niederschlagsintensität Für das Bezugsjahr der meteorologischen Daten und den Standort der Anlage vom Umweltbundesamt bereitgestellte Daten Zeitraum: zunächst 10 Jahre Jahresniederschlag nur vom Ort abhängig Datenaufbereitung läuft Verfahren wurde im UFOPLAN 2010 validiert LANDBEDECKUNG 2002 CORINE-Kataster (CORINE Land Cover CLC) 10fache Bauhöhe des Schornsteins Überprüfung vor Ort LANDBEDECKUNG 2017 Landbedeckungsmodell Deutschland (LBM-DE) Das 15-fache der Freisetzungshöhe Überprüfung vor Ort 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 5
2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung GASE 2002 GASE 2017 Depositionsgeschwindigkeiten für Ammoniak Quecksilber Depositionsgeschwindigkeiten für Ammoniak Schwefeldioxid Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid Quecksilber (elementar) Quecksilber (oxidiert) Auswaschraten für Ammoniak Schwefeldioxid Stickstoffdioxid Quecksilber (oxidiert) 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 6
2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung TROCKENE (LINKS) UND NASSE DEPOSITION IM VERGLEICH Hq = 20 m Trockene (links) und nasse (rechts) Deposition von Ammoniak für eine Punktquelle in 20 m Höhe (oben) und in 200 m Höhe (unten) Hq = 200 m Maxima der nassen Deposition liegen immer nahe der Quelle und sind bei hohen Quellen ggf. wesentlich größer als Maxima der trockenen Deposition. 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 7
2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung STÄUBE 2002 STÄUBE 2017 Sedimentations- und Depositionsgeschwindigkeiten für Korngrößenklassen 1 4 Sedimentations- und Depositionsgeschwindigkeiten für Korngrößenklassen 1 4 Auswaschraten für Korngrößenklassen 1 4 GERUCHSSTOFFE 2017 ohne Berücksichtigung von Deposition Beurteilungsschwelle 0,25 GE E /m 3 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 8
Maximale Mischungsschichthöhe (m) Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft 2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung GRENZSCHICHTPROFILE 2017 Konsistent nach VDI 3783 Blatt 8 (Dezember 2016) Basieren auf Literatur, Vergleichs- und Validierungsrechnungen und praktischen Erwägungen (siehe VDI 3783 Blatt 8, Anhang B) Umfangreiche Vergleiche mit Messungen (Wettermast Hamburg, DWD-Station Lindenberg, ZAMG-Station Kittsee) und Modellen: Testfall von Cuxart für arktische Grenzschicht Richtlinie, numerische Modelle, z.b. Cuxart-Testfall: idealtypische insbesondere stabile Grenzschicht. Hamburg, Lindenberg und Kittsee: stabile Schicht am Boden im Mittel begleitet von nicht-stabilen Schichten darüber (Blätterteig): In der TA Luft nach Einschätzung des Richtlinien-Ausschusses nicht abbildbar. 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 AKTerm AKS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 9
2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung WINDPROFILE 2017: PASSEN ZU NUMERISCHEN 1D-MODELLEN. NATUR IST KOMPLEXER Nicht mehr ad-hoc festgelegt, sondern in VDI 3783-8 aus Turbulenzprofilen berechnet. AK I und II WINDGESCHWINDIGKEIT Gute Übereinstimmung mit Profilen von METRAS-PCL AK III/2, IV und V 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 10
2 Ausbreitungsrechnung Parametrisierung WINDPROFILE 2017: PASSEN ZU NUMERISCHEN 1D-MODELLEN. NATUR IST KOMPLEXER Nicht mehr ad-hoc festgelegt, sondern in VDI 3783-8 aus Turbulenzprofilen berechnet. WINDRICHTUNG AK I und II Gute Übereinstimmung mit Profilen von METRAS-PCL AK III/2, IV und V 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 11
3 Ausbreitungsrechnung Vorschaltmodelle ABGASFAHNENÜBERHÖHUNG 2002 Schornsteine: VDI 3782 Blatt 3 (Juni 1985) Kühltürme: VDI 3784 Blatt 2 (März 1990) ABGASFAHNENÜBERHÖHUNG 2017 Dreidimensionales Modell PLURIS 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 12
3 Ausbreitungsrechnung Vorschaltmodelle WINDFELDMODELLE 2017 Bebauung: Prognostische Modelle müssen Anforderungen der RL VDI 3783 Blatt 9 erfüllen Geländeunebenheiten: Prognostische Modelle müssen Anforderungen der RL VDI 3783 Blatt 7 erfüllen Geländeunebenheiten: Prognostische Modelle müssen gemäß RL VDI 3783 Blatt 16 angewendet werden. Windrichtung Planetarium Stuttgart 1.4.1997 21:00 Uhr TA Luftuntypisch, da instationär 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 13
4 Vorsorge Schornsteinhöhe ANHANG 2 AUSBREITUNGSRECHNUNG Neuer Abschnitt 14 Ausbreitungsrechnung zur Bestimmung der Schornsteinhöhe Ebenes Gelände Rauigkeitslänge 0,5 m 25 ungewichtete Einzelsituationen Ausbreitungsklassen I, II, III/1, III/2 alle 9 Windgeschwindigkeitsklassen Effektive Quellhöhe (Bauhöhe plus Endüberhöhung) Keine Deposition Statistische Streuung des relevanten Konzentrationswertes < 5% Ungewichtet: Keine Häufigkeiten, keine AKS, standortunabhängig VORBERECHNETE FAHNEN (FAHNENBIBLIOTHEK) 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 14
4 Vorsorge Schornsteinhöhe SCHORNSTEINHÖHE PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (2) Effektive Quellhöhe (alt) Effektive Quellhöhe (neu) Abgasfahnenüberhöhung Schornsteinbauhöhe 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 15
Bodennahe Konzentration (logarithmisch) Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft 4 Vorsorge Schornsteinhöhe SCHORNSTEINHÖHE PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (1) 10 12 Scharparameter: Effektive (!) Quellhöhe (m) Bestimme für 25 Einzelsituationen die effektive Quellhöhe, bei der der S-Wert eingehalten wird Methode: Interpolation zwischen abgespeicherten Maxima für diskrete Werte von h eff 14 16 18 20 51,6 m S-Wert 40 80 160 48 10 m 100 m 1 km 10 km Entfernung von der Quelle (logarithmisch) 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 16
4 Vorsorge Schornsteinhöhe Beispiel 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 17
4 Vorsorge Schornsteinhöhe Grundgleichungen des Nomogramms, Darstellung nach Janicke (2016) Gauß-Fahnenmodell c x, y, z = y Q 2 2πσ y σ z u e 2σ2 h z 2 y e 2σ2 z + e h+z 2 2σ2 z σ y x = Fx f 2 σ z x = Gx g 3 mit empirischen, stabilitätsunabhängigen Fahnenparametern und ohne Berücksichtigung der Mischungsschichthöhe Die Maximalkonzentration in Bodennähe ist c = α Q uh 2 4 Die Höhe h ist die Summe aus Bauhöhe H und Überhöhung h = E a /u Q c = α u H + E a u 2 5 E hängt von Abgastemperatur und Volumenstrom ab (α und a sind Zahlenwerte, die von F, G, f, g und (dem Windprofil abhängen) 1 Je nach Windgeschwindigkeit u ergibt sich eine andere Maximalkonzentration. Die höchste Maximalkonzentration ergibt sich für umax = Ea 6 H Aus dieser Betrachtung folgt H = h, d. h. bei der Windgeschwindigkeit, bei der die Maximalkonzentration erreicht wird, ist Bauhöhe H und Überhöhung h immer gleich groß. Einsetzen in (5) liefert oder cmax = α Q 4E a H = S 7 H = α Q 8 4E a S Aus den Quelleigenschaften Q und E und dem S-Wert folgt die Bauhöhe H 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 18
E in (m m 2 /s) 2 /s Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft 4 Vorsorge Schornsteinhöhe ALTE UND NEUE SCHORNSTEINHÖHEN (BEISPIEL Q/S = 10 3 ) reine Konvention Ob neuberechnete Höhe größer oder kleiner ist, kommt darauf an Typischer Fall: neuberechnete Höhe ist kleiner 11,000 100 reine Konvention 10 10 100 H H' in (m) m 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 19
Silo Rezirkulationszone Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft 4 Vorsorge Schornsteinhöhe UNGESTÖRTER ABTRANSPORT DER ABGASE MIT DER FREIEN LUFTSTRÖMUNG als Voraussetzung für ausreichende Verdünnung der Abgase Denn: die verwendeten Modelle gelten nur oberhalb der Bestands- bzw. Verdrängungsschicht Konkretisiert in der Neufassung der VDI 3781 Blatt 4: Mündung außerhalb der Rezirkulationszone 5.5.2.1 ALLGEMEINES Die Lage und Höhe der Schornsteinmündung muss den Anforderungen der Richtlinie VDI 3781 Blatt 4 (Entwurf, Ausgabe Dezember 2015) genügen 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 20
Rekapitulation der Ziele METEOROLOGISCHE DATENBASIS STÄRKEN Qualitätssicherung für meteorologische Daten und deren Übertragung Bereitstellung eines Niederschlagsdatensatzes Zulassung modellierter meteorologischer Daten Aktualisierte Grenzschichtprofile Referentenentwurf: www.bmub.bund.de/n53642/ METHODISCHE BRÜCHE HEILEN Zwischen Vorbelastung, (Gesamt-) Zusatzbelastung und Naturschutz durch konsequente Berücksichtigung der nassen Deposition Zwischen Schornsteinhöhenbestimmung und Ausbreitungsrechnung METHODISCHE LÜCKEN SCHLIEßEN Qualitätssicherung bei der Übertragung meteorologischer Daten Nasse Deposition Validierung und Anwendung prognostischer Windfeldmodelle Ungestörter Abtransport der Abgase mit der freien Luftströmung 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 21
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Alfred Trukenmüller alfred.trukenmueller@uba.de www.uba.de/themen/luft 09.11.2016 / Umweltmeteorologie wer und was die Luft bewegt 22