Kolloquium Luftreinhaltung durch Photokatalyse 2015
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Vorgestellt werden Ergebnisse aus der Untersuchung "Vergleich verschiedener Modellierungsprogramme zur Berechnung von Luftschadstoffen". Die Untersuchung wurde begleitend zu der Pilotstudie "NO2-Reduktion an Ti02-dotierten Lärmschutzwänden (LSW) an der A1" durchgeführt. Projektziel war der Vergleich von drei Ausbreitungsmodellen sowie die Auswahl eines geeigneten Modells für ein zu entwickelndes Online-Monitoring-System. Es wurde festgestellt, dass sich die Modellergebnisse infolge der Umsetzung kleinräumiger Details unterscheiden sowie dass alle Modelle lediglich geringe NOx-Minderungen in Folge der katalytischen Oberflächenbeschichtung anzeigen. In den numerischen Modellen wird die photokatalytische Wirkung der Ti02-beschichteten Lärmschutzwand über einen Depositionsprozess berücksichtigt. Unter Berücksichtigung der Hintergrundbelastung und der NOx-NO2-Umwandlung würde sich die Wirkung des Katalysators im Maximum auf weniger reduzieren. Die Messungen zeigten keine eindeutige Wirkung bezüglich der Immissionskonzentrationen im Bereich der beschichteten beziehungsweise unbeschichteten LSW an.
Es werden erste Ergebnisse des von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsprojekts "Hauptstudie zur Wirksamkeit von Tunnelwänden als Träger photokatalytischer Oberflächen" (FE 9.0184/2011/ARB) vorgestellt. Ziel war die Erarbeitung von technischen Lösungen zur Stickoxidreduktion an einem Tunnelstandort durch die Konzeptionierung und den Bau abgeschlossener photokatalytischer Reaktoren (Tunnelkassetten) sowie deren Validierung im Tunnel "Rudower Höhe" an der Bundesautobahn A113 in Berlin. Dabei wird künstliches UV-Licht als Energiequelle für den Schadstoffabbau eingesetzt. Es wird speziell über die Modellierungen berichtet, mit Hilfe derer die Tunnelkassetten sowohl strömungstechnisch als auch in Hinblick auf den photokatalytischen Abbauwirkungsgrad optimiert wurden.
Vorgestellt werden Vorgehensweise, Datenaufbereitung, Modellaufbau und Ergebnisse des BASt-Projekts "Numerische Simulation der Stickoxidminderung durch photokatalytische Oberflächen an Verkehrswegen". Die Vorteile des Konzepts liegen in der Berücksichtigung von Zeitreihen (Eingangsdaten, Ausbreitungsrechnung) und in der Tatsache, dass die Depositionsgeschwindigkeit als zeitlich variable Eingangsgröße bei der Modellierung berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse liegen entsprechend als Zeitreihen vor (Jahres- oder Tagesgänge können untersucht werden). Es ergab sich eine Minderung der NO2-Belastung um maximal knapp 1.5% im Nahbereich der Lärmschutzwand. Wesentlicher Faktor bei der Wirksamkeit photokatalytischer Oberflächen ist die Interaktion zwischen Gesamtbelastung und Depositionsgeschwindigkeit im Tagesverlauf.
Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität in Städten waren bisher bei der Verminderung von Stickoxiden nur bedingt erfolgreich. Interessant ist, ob der Einsatz der Photokatalyse hier weiterhelfen kann. Photokatalytische Anwendungen wurden schon in einigen Pilotstudien untersucht, zum Beispiel an Straßen beziehungsweise Modell-Canyons sowie in Tunneln. Teilweise wurden international sehr positive Ergebnisse erzielt, geichzeitig liegen aus anderen internationalen Projekten Ergebnisse unterhalb der Messgenauigkeit vor. Die vorgestellten Ergebnisse werden anhand verschiedener Variablen betrachtet und die erwartbare Atmosphärenrelevanz diskutiert. Zusammengefasst wird, dass basierend auf bekannten Feldmessungen für die Photokatalyse eine mittlere NOx-Reduktion von nur wenigen Prozent (in Hauptstraßenschluchten) zu erwarten ist. Dieses Potenzial muss mit anderen Maßnahmen verglichen werden (Kosten/Nutzenanalyse). Materialien müssen vor ihrem Einsatz in der Atmosphäre sorgfältig auf ihre Aktivität untersucht werden. Erfüllen die Oberflächen die Voraussetzungen, um als aktiv eingestuft zu werden, ist ihr Einsatz zur Luftreinhaltung klar zu empfehlen.
Anwendungsmöglichkeiten und erste Ergebnisse aus Pilotstudien zur Photokatalyse an Straßenbauwerken
(2015)
Zur Frage, ob photokatalytisch aktive Oberflächen im Straßenbau eine Lösung des Stickoxidproblems darstellen können, stellt der Beitrag erste Ergebnisse aus Pilotstudien zu TiO2-Anwendungen vor. Diese betreffen die Untersuchung einer Lärmschutzwand mit TiO2-Beschichtung (A1, Niedersachsen), eine photokatalytisch aktive Straßenoberfläche (NOxer(R)-Belag, B433 in Hamburg, Decke mit Ti02-haltiger Zementschlämme, derzeit noch in Auswertung) sowie einen Tunnel (Tunnelkassetten mit TiO2-Matten im Tunnel Rudower Höhe in Berlin, A113, fortgeführt in Bezug auf die Untersuchung der Haltbarkeit der Kassettensysteme). Ausführlich dargestellt werden die Untersuchungen zur Beschichtung der Lärmschutzwand an der Al mit Titandioxid-haltiger Suspension, den zugehörigen forschungsbegleitenden Studien, sowie den Ergebnissen in Bezug auf die NO2-Minderungsrate. Die bisher durchgeführten Auswertungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Die Entwicklung der Minderungsraten lässt vermuten, dass photokatalytische Suspensionen zum Teil mehrere Monate benötigen, um sich frei zu brennen und die aktiven TiO2-Partikel an die Oberfläche treten zu lassen. Schon die Lärmschutzwand allein bewirkt eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentrationen im direkten Hinterland durch Verfrachtung der Luftschadstoffe in höhere Luftschichten.
Mit Fokus auf Nordrhein-Westfalen (NRW) wird das urbane NO2-Problem umrissen. Um die Jahresgrenzwerte einzuhalten, sind beispielsweise in allen Straßenschluchten in NRW Reduktionen nötig. Die Europäische Kommission hat gegen mehrere Mitgliedsstaaten, darunter Deutschland, Vertragsverletzungsverfahren wegen der Überschreitung von NO2-Grenzwerten eröffnet. Dargestellt werden die Langzeittrends bezüglich der gemessenen Abnahme bei der Stickoxidbelastung. Potenzielle Maßnahmen können hinsichtlich ihrer möglichen Wirkungen durch den Einsatz von Modellen abgeschätzt werden, zum Beispiel Umweltzonen, Fahrverbote, Elektrofahrzeuge. Die Ergebnisse der Messungen und Modellrechnungen werden dargestellt und kritisch beleuchtet. Als Fazit ergibt sich, dass das urbane NO2-Problem nicht einfach zu lösen ist, Minderungen der NOx-Emissionen spiegeln sich nicht in der gleichen Größenordnung in der Abnahme der NO2-Belastung wieder. Bei zusätzlich wirksamen Maßnahmen wie beispielsweise einem höheren Anteil von Elektrofahrzeugen fehlt die (schnelle) praktische Umsetzbarkeit. Eine Kombination aus lokalen, regionalen und europaweiten Maßnahmen ist nötig, um das Problem zu lösen.
Ausgehend von den rechtlichen Grundlagen für die Luftreinhaltung sowie den Grenzwertfestlegungen für Feinstaub (PM10) sowie Stickoxide (NO2) wird auf die heutige Luftqualität in Städten mit Schwerpunkt Stuttgart eingegangen. Dargelegt werden die festgestellten Überschreitungen bei den Grenzwerten für PM10 und NO2. Eingegangen wird auf die Maßnahmen zur Reduzierung der Luftbelastung in Stuttgart und die Wirkungen in Bezug auf die Senkung der Grenzwert-Übersschreitungen beziehungsweise Jahresmittelwerte von PM10 und NO2 an den Hotspot-Stationen "Am Neckartor" und "Hohenheimer Straße". Abschließend wird ein perspektivischer Ausblick gegeben: obwohl die Luftsituation in den Städten kontinuierlich besser geworden ist, gibt es an stark befahrenen städtischen Straßen weiterhin Grenzwertüberschreitungen. Die EU-Vertragsverletzungsverfahren machen weitere Maßnahmen notwendig. Die Städte brauchen praxiserprobte Maßnahmen und keine langfristigen, kostspieligen Pilotversuche mit unsicherem Ausgang.
