Seite 1 von 24

Abschlussbericht zum Vorhaben

„Analyse des quantitativen Einflusses der Holzverbrennung auf die Feinstaubkonzentration in Berlin und Brandenburg anhand des Tracers Levoglucosan“

Projektpartner: Das Land Berlin, vertreten durch die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Brückenstraße 6 10179 Berlin vertreten durch den Senator

Das Land Brandenburg, vertreten durch das Ministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg 14411 Potsdam vertreten durch die Ministerin

Bundesinstitut für Risikobewertung Max-Dohrn.Str. 8-10 10589 Berlin - nachfolgend „BfR“ genannt

Seite 2 von 24

Beteiligte Personen Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt: Martin Lutz Dr. Andreas Kerschbaumer Dr. Annette Rauterberg-Wulff Rainer Nothard Sebastian Clemen Ministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg Lutz Schaefer Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Brandenburg Rainer Offermann BfR Dr. Peter Laux Sandra Wagener

Seite 3 von 24

Einleitung Trotz Verbesserung der Luftqualität in den letzten Jahrzehnten in Deutschland ist die Belastung durch Feinstaub (PM10 = Partikel mit einem kleineren aerodynamischen Durchmesser als 10 µm) immer noch von hoher umweltwissenschaftlicher sowie politischer Relevanz. Ein Fokus in der andauernden Grenzwertdiskussion ist in erster Linie Russ aus Verkehrsemissionen. Maßnahmen zur Reduzierung dieser Emissionen z.B. durch die Einführung der Umweltzone finden seit einiger Zeit immer breitere Anwendung. Nichts desto trotz können mancherorts Grenzwerte nach wie vor nicht eingehalten werden, was die Identifizierung und Quantifizierung weiterer Feinstaubquellen immer dringlicher macht. Seit mehreren Jahren wird auch die Quelle Biomasseverbrennung diskutiert, bei der in erster Linie die Verbrennung von Holz eine große Rolle spielt, die in manchen Erdteilen zu den dominierenden Feinstaubquellen gehört. In Deutschland ist die Holzverbrennung als eine bedeutende Quelle für die Feinstaubbelastung allerdings bisher weniger berücksichtigt worden. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Verwendung von Holz als Heizmaterial in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen ist. Auch wenn die Relevanz der Holzverbrennung in Deutschland nicht mit anderen Regionen wie beispielsweise Texas, USA, Australien oder auch einigen ländlichen Regionen in Nordund Südeuropa zu vergleichen ist, hat sich in einer Studie aus dem Jahr 2012 in Berlin gezeigt, dass Holzverbrennung als potentielle Feinstaubquelle nicht zu vernachlässigen ist (Wagener et al. 2012). Dort wurden in den kälteren Monaten Konzentrationen über 6 µgC / m³ (Masse organischer Kohlenstoff, OC) gemessen. Diese Tendenz wurde in einem weiteren Projekt, welches Probenahmen über einen weiten Raum in NRW berücksichtigt, mit Spitzenwerten > 10 µg / m³ (Gesamt-PM10) bestätigt (Pfeffer und Breuer, 2012). In einer Studie aus dem Jahr 2010 in Baden-Württemberg konnte bereits für den Winter 2008/2009 Anteile bis zu 25% Holzverbrennung an PM10 festgestellt werden. Angesichts der Zunahme an Kaminöfen in den letzten 10 Jahren in Deutschland, wie schon von Pfeffer und Breuer (2012) aufgeführt (Abb. 1), ist dieser Trend nicht verwunderlich. Da bei der Holzverbrennung ebenfalls Russ, aber auch andere cancerogene Bestandteile wie polycyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), vor allem Benzo[a]pyren freigesetzt werden, ist die Erfassung der Holzverbrennung auch aus gesundheitsrelevanter Sicht von hohem Interesse.

Seite 4 von 24

Motivation Durch die Identifizierung der Holzverbrennung als wichtige Quelle für die Feinstaubbelastung in Berlin ist die Aufmerksamkeit auf diese Quelle in den Bundesländern Berlin und Brandenburg gestiegen. Da die Studie aus dem Jahr 2012, für die die Probenahmen im Jahr 2010 stattfanden nur Messstationen in Berlin berücksichtigt, sollen weitere Untersuchungen nun auch regionale Stationen aus Brandenburg mit einbeziehen, um gezielter den Ursprung dieser Quelle in der Stadt oder aus dem regionalen Hintergrund erfassen zu können. Mit Hilfe des Tracers Levoglucosan soll die Quelle identifiziert und unter Anwendung eines Emissionsfaktors quantifiziert werden.

Abb. 1: Umsatz von Einzelheizgeräten in Deutschland (aus HKI, 2009)

Experimentalteil Standort und Probenahme Für die Probenahme wurden drei Stationen in Berlin (Abb. 2, rot markierte Punkte) aus dem sich im Routine-Betrieb befindlichen Berliner Luftgütemessnetz (BLUME) und zwei Stationen in Brandenburg (schwarz markierte Punkte), ebenfalls aus dem sich im Routine-Betrieb befindlichen Messnetz des Landes Brandenburgs gewählt. Die Proben wurden mit einem Low Volume Sampler (2,3 m³ / h) für 24 h (0.00 – 0.00) gesammelt. Die zu analysierenden Proben wurden aus dem Routine-Bestand genommen. Für die Analyse wurden Proben aus dem Jahr 2012 aus Zeiträumen gewählt, in denen bereits durch die Routine-Analysen beider Länder besonders hohe Feinstaubkonzentrationen festgestellt wurden (Tabelle 1). Da Holz

Seite 5 von 24

verbrennung in erster Linie in den kälteren Monaten eine Rolle spielt, sollten vor allem Proben aus dieser Jahreszeit gewählt werden. Aufgrund einer vorherrschenden Inversionswetterlage kamen drei Wochen Ende Januar bis Mitte Februar 2012 in Betracht. Zur Überprüfung und Bestätigung des deutlichen Jahresgangs der Holzverbrennungsemissionen (Wagener et al. (2012)) wurde eine Woche im Juli gewählt. Um einen möglichen direkten Zusammenhang zwischen Kälteeinbruch im Herbst, anfänglicher Heizaktivität und erhöhten Levoglucosankonzentrationen festzustellen, wurde ein Zeitraum im Oktober gewählt, in dem es einen deutlichen Temperaturabfall gegeben hat. Da in Berlin nicht für jeden Tag Proben erhältlich waren, kommt es in diesen Datensätzen zu Datenlücken (Fehlen der Probe jedes 3. Tages). Auch im Probensatz der Station Blankenfelde-Mahlow (Bl-Mahlow) gibt es teilweise Datenlücken.

Buch

Hasenholz

Frankf. Allee Neukölln

Bl-Mahlow

Abbildung 2: Probenahme-Standorte in Berlin und Brandenburg (rot = Berlin, schwarz = Brandenburg).

Ein weiterer Unterschied zwischen den Probebeständen beider Bundesländer liegt in der Größenfraktion und dem Filtertyp. Während für Berlin PM2.5 auf Quartzfiltern vorlag, musste für Brandenburg auf PM10, gesammelt auf Glasfaserfiltern, zurückgegriffen werden. Um das

Seite 6 von 24

Verhältnis von Levoglucosan zwischen PM10 und PM2.5 zu bestimmen, wurden für 22 Proben, die sowohl in PM10 als auch in PM2.5 für die Station Buch zur Verfügung standen, beide Parameter bestimmt. Für sechs der 22 Proben gab es deutliche Differenzen zwischen beiden Fraktionen, die restlichen Proben wiesen ein Verhältnis nahe 1 zueinander auf, die Differenzen lagen überwiegend innerhalb der Fehlertoleranz. Unter Abgleich mit der Literatur (Jia et al. (2008) berichtete ein Verhältnis von PM2.5/PM10 von 0.89) sowie Abssprache mit Experten wurde für diese Studie von einem Verhältnis von 1:1 für beide Fraktionen ausgegangen, unter Berücksichtigung, dass dadurch Fehler entstehen können. Für die Auswertung wurden weiterhin meteorologische Daten hinzugezogen, die von der Messstelle der Freien Universität Berlin in Dahlem, im Südwesten von Berlin stammen. Die Niederschlagsdaten wurden im Grunewald, im Westen von Berlin aus dem BLUMEMessnetz genommen. Für die Trajektorienanalyse sowie für die Mischungsschichthöhen wurden GDAS 1-deg Daten für das Hysplit Model angewendet (500 m ü. NN), welche durch das Air Ressources Laboratory (ARL) (zugehörig zum National Oceanic and Atmospheric Administration der USA (NOAA)) bereitgestellt werden (http://ready.arl.noaa.gov/ HYSPLIT.php).

Tabelle 1: Ausgewählte Probenahmetage Berlin - Neu-

Berlin - Frankf.

kölln

Allee

26.01 – 13.02. 2012 23.07 – 29.07. 2012 17.10. – 31.10. 2012

Berlin - Buch

Brandenburg -

Brandenburg –

Hasenholz

Bl-Mahlow

Jeden 3. Tag Jeden 3. Tag

Jeden 3. Tag

keine Probe

keine Probe

keine Probe

Täglich

Jeden 3. Tag keine Probe

Täglich

Analytik In den letzten Jahren hat sich die organische Verbindung Levoglucosan als dominanter Marker für die Holzverbrennung herausgestellt. Levoglucosan ist ein Verbrennungsprodukt der Cellulose und dafür spezifisch, so dass durch die Erfassung dieser Substanz Holzverbrennung als Quelle klar identifiziert werden kann. Des Weiteren hat sich dieser Tracer als sehr stabil in der Atmosphäre herausgestellt (Fraser and Lakshmanan (2000)). In der vorangegangenen Studie aus dem Jahr 2012 wurde Levoglucosan ebenfalls als Tracer eingesetzt. Auf Basis der dort angewandten Analytik und der Methode nach Fabbri et al. (2008) wurde

Seite 7 von 24

eine Methode, die Levoglucosan mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GCMS) erfasst, entwickelt. Dazu wurde ein Teil der Filterproben (1,7 cm Ø = 2,3 cm²) (Glasfaser (Whatman) und Quarzfaser (Pallflex®)) mit einer Dichlormethan / Methanol-Mischung (80:20) im Ultraschallbad extrahiert, das Extrakt mit Stickstoff bis zur Trockene eingeengt, daraufhin mit N,OBis(trimethylsilyl)trifluoroacetamid mit 1% Trimethylchlorosilan (BSTFA + 1% TMCS) und Pyridin derivatisiert und anschließend ins GC-MS injiziert. Die Identifizierung der Substanz erfolgte über einen Standard (Sigma Aldrich), als interner Standard wurde Methyl-b-Dxylanopyranosid (MXP) verwendet. Die Quantifizierung wurde selektiv im single-ionmonitoring Modus über die Massen 333 (Levoglucosan), sowie 204 und 217 (MXP) durchgeführt.

Datenqualität Die Nachweisgrenze für die Methode wurde über Blindfilter bestimmt (Mittelwert + 3*Standardabweichung) und lag bei 0,3 ng. Bei einer Analyse des Filters von 2,3 cm² und einer Injektion von 0,2 µl entspricht dies einer Konzentration von 11,9 ng / m³. Ca. 80% der Proben wurden doppelt bestimmt. Im Mittel lag die prozentuale Abweichung von zwei Messungen derselben Probe bei 2% (Standardabweichung = 5). Aufgrund der geringen Analysefläche des Filters wurden während der Methodenvalidierung für vier Filter jeweils zwei Stanzen analysiert. Hierbei lag die prozentuale Abweichung für drei Filter zwischen 1,9 und 4,3 %, bei der vierten Probe lag sie bei 14%. Des Weiteren wurde die Wiederholbarkeit für eine Probe (sieben Wiederholungen) gemessen, die eine relative Standardabweichung von 0,008 aufwies. Zur Quantifizierung wurde eine interne Kalibrierung durchgeführt (mind. 7 Datenpunkte). Die Kalibriergerade wies in den meisten Fällen ein R² > 0,998, mindestens aber ein R² > 0,995 auf.

Ergebnisse und Diskussion Konzentrationen Tabelle 2 gibt die Mittelwerte und Konzentrationsbereiche der einzelnen Stationen für Levoglucosan, und Tabelle 3 für PM10 bzw. PM2.5 an. Hierbei zeichnen sich deutlich, wenn auch nicht signifikant geringere Konzentrationen für den regionalen Hintergrund (Hasenholz) ab. Die Levoglucosankonzentrationen erreichen im Mittel bis zu 340 ng/m³ in Bl-Mahlow, in den kälteren Monaten (Januar/Februar/Oktober) werden dort sogar im Mittel 406 ng/m³ erreicht. Maximumkonzentrationen liegen bei > 1 µg/m³. Die Spitzenkonzentrationen liegen

Seite 8 von 24 höher als im Jahr 2010 in Berlin beobachtet (Wagener et al. (2012)), auch die geringeren Werte in den

wärmeren Monaten lagen im Jahr 2010 im Juli meist unter 10 ng/m³. Abgesehen von einigen Spitzenwerten ist der Konzentrationsbereich im Oktober zwischen den Jahren 2010 und 2012 vergleichbar für Berlin, und ebenso vergleichbar, mit einer leichten Tendenz zu geringeren Konzentrationen gegenüber den gemessenen Konzentrationen im Winter 2011/2012 in NRW (Pfeffer und Breuer 2012).

Tabelle 2: Mittelwert (Gesamt; (Winter/Herbst; Sommer)) und Konzentrationsbereiche von Levoglucosan an den 5 Stationen in ng/m³. N

Mittelwert

Min

Max

Standardabweichung

Neukölln

27

214 (255; 34)

11,9

654

154

Frankfurter Allee

28

207 (245; 33)

13,1

535

141

Buch

41

263 (307; 46)

9,6

952

229

Hasenholz

37

196 (225; 46)

18,4

559

148

Bl-Mahlow

27

339 (406; 44)

29,3

1237

299

Die Konzentrationen in der kalten Saison (Winter, Herbst) sind signifikant größer als die Werte im Sommer (Mann-Whitney-Test, p=0,05).

Tabelle 3: Mittelwert von PM10 und PM2.5 an den 5 Stationen in µg/m³. N

Mittelwert

Min

Max

Standardabweichung

PM10 Neukölln

42

36,1

13,2

96

16,8

PM2.5 Neukölln

42

29,6

9,5

85,8

16,0

PM10 Frankfurter Allee

41

40,9

16,0

100,6

17,2

PM2.5 Frankf Allee

42

30,5

8,1

86,7

15,6

PM10 Buch

42

30,1

11,5

85,2

15,5

PM2.5 Buch

42

25,5

7,3

77,0

14,8

PM10 Mahlow

41

33,2

9,4

88,4

17,7

PM10 Hasenholz

40

28,5

5,8

86,1

15,9

In Abbildung 3 sind die Zeitreihen für die 3 Untersuchungszeiträume aller fünf Stationen aufgeführt. Die Zeitreihen bestätigen die auch schon in der vorangegangenen Studie in Berlin beobachteten Konzentrationsunterschiede mit signifikant geringeren Konzentrationen im Sommer gegenüber Herbst und Winter.

Seite 9 von 24

Abb. 3: Levoglucosan- und PM10-Konzentrationen an den fünf Stationen.

Tabelle 4a gibt die Korrelationen von Levoglucosan zwischen den Stationen für den gesamten Untersuchungszeitraum an. Die Korrelationen sind überwiegend signifikant, was auf eine gleichmäßige Verteilung der Levoglucosankonzentration über das Untersuchungsgebiet und somit auf eine regional geprägte Quelle hindeutet.

Tabelle 4a: Korrelation von Levoglucosan zwischen den Stationen; nach Pearson. Neukölln

Frankf.Allee

Buch

Hasenholz

Neukölln Frankf.Allee

0,93

Buch

0,83

0,77

Hasenholz

0,86

0,90

0,52

Mahlow

0,69

0,64

0,85

Fettgedruckte Zahlen zeigen signifikante Korrelationen.

-0,01

Seite 10 von 24

Tabelle 4b: Korrelation von Levoglucosan zwischen den Stationen, Winter; nach Pearson Neukölln Frankf.Allee Buch Hasenholz Neukölln Frankf.Allee

0,88

Buch

0,78

0,87

Hasenholz

0,95

0,88

0,49

Bl-Mahlow

0,23

0,52

0,62

0,41

Tabelle 4c: Korrelation von Levoglucosan zwischen den Stationen, Herbst; nach Pearson Neukölln Frankf.Allee Buch Hasenholz Neukölln Frankf.Allee

0,85

Buch

0,92

0,78

Hasenholz

0,37

0,41

0,31

Bl-Mahlow

0,97

0,93

0,88

0,46

In den Tabellen 4b und c sind zusätzlich die Korrelationen für die Periode Winter bzw. Herbst dargestellt, um zu überprüfen, ob die hohen Korrelationen nicht auf den starken saisonalen Verlauf zurückzuführen sind. In den meisten Fällen bleiben die Korrelationen hoch signifikant, es wird allerdings deutlich, dass Bl-Mahlow im Winter und Hasenholz im Herbst keine signifikanten Korrelationen mit den anderen Stationen aufweisen. Im Falle von Hasenholz kann man dies möglicherweise auf ein noch nicht einheitliches Heizverhalten zurückführen, da im Oktober die Heizsaison gerade startet. Es ist denkbar, dass durch unterschiedliche Witterungsbedingungen und unterschiedliches Heizverhalten zwischen Stadt und Land Unterschiede entstehen. Die Stadt-/ stadtnahen Gebiete weisen dagegen vermutlich aufgrund ihrer geringen Distanz zueinander immer noch signifikante Korrelationen auf. Im Winter ist dann im gesamten Untersuchungsgebiet bereits mit dem Heizen gestartet worden. Die geringen Korrelationen mit der Station Bl-Mahlow im Winter sind vorerst nicht zu erklären. Auf Grund der besonders hohen Konzentrationen dort ist allerdings zu vermuten, dass in der näheren Umgebung eine starke Quelle vorhanden ist. Abb. 3 zeigt, dass die Levoglucosankonzentrationen einen gegensätzlichen Trend zur Temperatur aufweisen. Tabelle 5 bestätigt, dass eine signifikant negative Korrelation zwischen

Seite 11 von 24 beiden Parametern vorliegt. Betrachtet man allerdings nur die kalten Monate im Winter und Herbst, um einen möglichen saisonalen Effekt auszuschließen, stellt sich heraus dass die Korrelationen nicht mehr, oder zumindest geringer signifikant sind. Das bedeutet, dass der

Anstieg der Levoglucosankonzentration zwar mit einem erhöhten Heizverhalten in den kälteren Monaten im Vergleich zur warmen Jahreszeit zu erklären ist, sich ein schwankendes Heizverhalten in Abhängigkeit von täglichen Temperaturschwankungen allerdings nicht widerspiegelt. Ähnliche Ergebnisse konnten auch bereits in der Studie aus dem Jahr 2012 in Berlin gezeigt werden. Einen deutlichen Zusammenhang zwischen dem Temperaturabfall im Oktober und dadurch erstmals stark ansteigende Levoglucosankonzentrationen ist nicht sichtbar (Abb. 3), was bedeutet, dass noch vor Mitte Oktober bereits mit dem Heizen gestartet worden ist. Am 17. Oktober (1. Messtag im Oktober) lag die Temperatur bei ca. 9°C. Temperaturen < 10°C scheinen demnach schon den Anlass zu geben, mit dem Heizen zu beginnen. Tabelle 5: Korrelationen von Levoglucosan mit PM10 / PM2.5 und meteorologischen Parametern für die Perioden Winter und Herbst. Temp. (Win-

Mischungs-

PM10

PM2.5

Temp.

ter/Herbst)

schicht

Niederschlag

Levo_Neukölln

0,85

0.85

-0,58

-0.32

-0.62

-0,27

Levo_FrankfAllee

0,86

0.87

-0,70

-0.51

-0.61

-0,28

Levo_Buch

0,66

0.68

-0,45

-0.22

-0.49

-0,20

Levo_Bl-Mahlow

0,68

-

-0,65

-0.56

-0.56

-0,19

Levo_Hasenholz

0,89

-

-0,46

-0.18

-0.52

-0,22

Auffällig sind auch die Korrelationen mit PM10. Alle Stationen zeigen signifikante bis hoch signifikante Korrelationen (r > 0.7) mit PM10 in den kälteren Monaten. Das bedeutet, dass hohe PM10-Werte und somit auch mögliche Überschreitungstage durchaus auch mit erhöhter Holzverbrennung erklärt werden können. Da die Berliner Stationen Levoglucosan in PM2.5 wiedergeben, sind für diese zusätzlich Korrelationen mit PM2.5 aufgeführt, die vergleichbar sind mit denen mit PM10. Das heißt dass PM2.5 und PM10 miteinander an allen Stationen hoch signifikante Korrelationen nahe 1 aufweisen (nicht in Tabelle dargestellt). Am 28. und 29.01.2012, an dem sowohl die Levoglucosankonzentrationen als auch die PM10-Konzentration sehr hoch sind, sowie am 05.02. und 12. – 14.02.2013 und am 20. und 21. Oktober, wurden sehr niedrige Mischungsschichten gemessen (zwischen 210 und 370 m). Trotz der eher gering signifikanten Korrelation mit der Mischungsschicht zwischen -0,49 und – 0,62 scheint dort ein sichtbarer Zusammenhang zu bestehen.

Seite 12 von 24

Windrichtungsanalyse Aufgrund der relativ geringen Datenbasis ist es schwierig, eine signifikante Windrichtungsanalyse durchzuführen. Dennoch können die in Abb. 4 gezeigten Windrosen einen ersten Überblick über mögliche vorherrschende Windrichtungen an Tagen mit hohen Levoglucosankonzentrationen geben. Der Messzeitraum war tendenziell stärker von östlichen Winden geprägt, wobei auch südliche und westliche Winde häufiger beobachtet werden konnten. Für die Windgeschwindigkeit hingegen lässt sich keine vorherrschende Richtung mit hohen Windgeschwindigkeiten klar identifizieren. Für die Levoglucosankonzen-trationen in Abhängigkeit der Windrichtung zeichnet sich im Gegensatz zur Windgeschwin-digkeit eine Tendenz zu höheren Konzentrationen für die Winde aus östlicher Richtung ab, wobei an den Stationen Buch und Bl-Mahlow hohe Konzentrationen auch bei Südwinden zu beobachten sind. Da es bei den Berliner Stationen für die drei Tage mit den hohen Konzentrationen in BlMahlow und Buch bei Süd-/südöstlichen Winden Datenlücken gibt, lässt sich hier nicht klären, ob sich dieser Trend auch für diese Stationen beschreiben ließe. Ein differenzierteres Bild stellen die Analysen der Windtrajektorien dar. Im Anhang A sind die Trajektorien für die acht Tage mit den höchsten Levoglucosan-Konzentrationen (berechnet nach dem Mittelwert über alle Stationen) aufgeführt. Hier zeichnet sich kein eindeutiges Bild ab, was darauf schließen ließe, dass erhöhte Holzverbrennung mit Ferntransport aus einem bestimmten Gebiet zu erklären ist. Dies könnte zum einen darauf hindeuten, dass Holzverbrennung eine weitestgehend diffuse Quelle darstellt, zum anderen ist es denkbar, dass die Mischungsschicht die erhöhten Konzentrationen ausreichend beeinflusst, dass ein möglicher lokaler Ursprung durch diese Korrelation verdeckt wird. Dagegen spricht allerdings, dass im Jahr 2010, in dem die Datenpunkte weder spezifisch aus Zeiten mit hohen PM10-Werten bzw. geringen Mischungsschichten kamen, auch kein deutlicher Trend festgestellt werden konnte. Um dies jedoch signifikant bestimmen zu können, muss ein größerer Datensatz herangezogen werden.

Seite 13 von 24

Abb. 4: Windgeschwindigkeit und Levoglucosankonzentration an den Stationen in Abhängigkeit der Windrichtung

Anhang B fasst die Trajektorien zusammen, in denen die Konzentrationen am Standort BlMahlow signifikant höher waren als am Standort Hasenholz. Auch hier lässt sich kein Trend erkennen, der darauf schließen ließe, dass an Tagen mit besonders hohen Konzentrationen

Seite 14 von 24 in Bl-Mahlow im Vergleich mit anderen Stationen eine eindeutige Windrichtung vorherrschte. Aus dem Vergleich der Ergebnisse aus der Windrosen- und Trajektorienanalyse lässt sich schließen, dass erhöhte Levoglucosanwerte zwar eher mit Emissionen aus Orten östlich von

Berlin einhergehen, Spitzenkonzentrationen allerdings nicht zwingend mit dem Ferntransport aus östlicher Richtung zu begründen sind. Dass Gebiete östlich von Deutschland nicht zwingend für die hohen Levoglucosankonzentrationen verantwortlich ist wurde auch bereits durch die deutlich geringeren Konzentrationen in Hasenholz im Gegensatz zu der städtischen / stadtnahen Stationen deutlich, was darauf hindeutet, dass die zunehmende Bevölkerung in Richtung Berliner Großraum einen deutlichen Beitrag leistet.

Beitrag der Holzverbrennung an PM10 Um den Beitrag der gesamten Holzverbrennung an PM10 bestimmen zu können, ist ein Umrechnungsfaktor für das Verhältnis zwischen Levoglucosan und PM10 aus Holzverbrennung (PM10bb) nötig. Dieser wird in der Regel während der Messungen nicht mitbestimmt, weshalb auf die gemessenen Verhältnisse aus anderen Studien zurückgegriffen werden muss, die explizit auf die Bestimmung des Levoglucosan/PM10bb-Verhältnisses (oder oft auch auf Levoglucosan/OCbb) ausgerichtet waren. Solche Studien basieren auf der direkten Messung von Holzverbrennung unter Ausschluss anderer Quellen. Vorangehende Studien zeigen, dass dieses Verhältnis sehr schwanken kann, da es von der Art der Verbrennung, von der Holzart oder auch vom Feuchtegrad des Holzes abhängen kann. Daraus erschließt sich, dass das für einen Ort bestimmte Verhältnis nicht zwingend für einen anderen Ort verwendet werden kann. Verhältnisse für Levoglucosan/OCbb liegen beispielsweise zwischen 0.036 und 0.54 für unterschiedliche Baumarten in den USA (Engling et al. 2006, Fine et al. 2002, Fine et al. 2004). In der vorangegangenen Studie in Berlin für das Jahr 2010 wurde ein Faktor nicht aus direkten Messungen, sondern mittels Quellenanalyse bestimmt (Positive-MatrixFaktorisierung (PMF)) und lag im Mittel bei 0.045. Studien aus Schweden oder für den mittel/südeuropäischen Raum haben für ihre Quellenberechnung auf ein Verhältnis von 0.08 und 0.2 (Genberg at al., 2011) oder 0.16 (Gelencsér et al., 2007) zurückgegriffen. Das Verhältnis von 0.045 für den Berliner Raum liegt somit im unteren Bereich der in der Literatur beschriebenen Verhältnisse. In der Studie aus NRW wurde anhand von Messungen nahe der Holzverbrennungsquelle ein Verhältnis von 0.08 ermittelt, welches sich allerdings auf Levoglucosan/PM10bb bezieht. In Österreich wurde in einer Studie aus dem Jahr 2011 ein Faktor von 0.05 beschrieben. Im Vergleich mit Levoglucosan/OCbb sollte sich Levoglucosan/PM10bb sogar noch verkleinern, was bedeutet, dass das in Berlin anhand der PMF-Analyse bestimmte Verhältnis auf PM10 bezogen noch kleiner ausfallen würde. Um einen möglichst realitäts-

Seite 15 von 24 nahen Beitrag der Holzverbrennung zu ermitteln, wurde daher für diese Studie ein Größenbereich zwischen 0.045 und 0.08 mit einer höheren Gewichtung zu kleineren Faktoren als Umrechnungsfaktor angewendet und mit einer Sensitivitätsanalyse (Latin-Hypercube) ein

Mittelwert und der dazugehörige Größenbereich (10- und 90-Percentil) berechnet (Tabelle 6). Die ermittelten Beiträge der Holzverbrennung liegen zwischen 0.4 und 25 µg / m³ (Abb. 5) für die Jahreszeiten Herbst und Winter, was prozentual einem Beitrag von 3.2 – 48.4% an PM10 entspricht. Dieser ist an der Station Frankfurter Allee am geringsten (Tabelle 6), da dort der Verkehr als starke lokale Quelle im Vordergrund steht, in Bl-Mahlow ist er am höchsten. Trotz der ländlichen Umgebung in Hasenholz, wo Quellen wie Verkehr eine geringere Rolle spielen, trägt die Holzverbrennung erstaunlicher Weise auch weniger zu PM10 bei als in Buch oder Bl-Mahlow. Dies deutet darauf hin, dass in der Umgebung von Buch, aber vor allem in der Umgebung von Bl-Mahlow im Süden von Berlin vermehrt Holzverbrennung stattfinden muss im Vergleich zum innerstädtischen Bereich oder auch im regionalen Hintergrund. Es sei erneut an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei der Berechnung von PM10bb für die Berliner Stationen Levoglucosan-Konzentrationen aus der PM2.5 Fraktion herangezogen wurden, unter der Voraussetzung, dass PM2.5 und PM10 in einem Verhältnis von 1:1 stehen.

Tabelle 6: PM10bb und sein prozentualer Anteil an PM10 an den Stationen für Herbst und Winter Median PM10bb -3

10%-Percetnil – 90%-3 1)

% PM10bb an

Min – Max %

(µg m )

Percentil PM10bb (µg m )

PM10 (Median)

PM10bb an PM10

Neukölln

4.0

3.4 – 4.5

12.1

6.0 – 23.7

FrankfAllee

4.3

3.7 – 4.8

10.0

3.5 – 22.7

Buch

4.6

3.9 – 5.1

14.0

3.2 – 48.4

Hasenholz

3.4

2.9 – 3.8

12.3

6.2 – 26.3

Blankenfelde-Mahlow

6.6

5.7 – 7.5

15.8

10.4 – 37.3

1) 2)

2)

bezogen auf berechneten Median durch Angabe eines Faktorgrößenbereichs. bezogen auf gesamten Konzentrationsbereich.

Abb. 5 zeigt die PM10-Überschreitungstage des Grenzwerts von 50 µg m-³. Man kann erkennen, dass an diesen Tagen auch erhöhte Levoglucosankonzentrationen gemessen wurden. Tage, an denen Überschreitungen durch die vollständige Reduktion von Holzverbrennung hätten vermieden werden können gab es allerdings selten. Für NRW im Winter 2011/2012 zeigte sich ein deutlicherer Einfluss von Holzverbrennung auf die Überschreitungstage. Dort wurde berechnet dass ortsabhängig zwischen 20% und 50% der Überschreitungstage durch vollständige Vermeidung von Holzverbrennung hätten vermieden werden können.

Seite 16 von 24 Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass die hier angewandten Verhältnisbereiche im unteren Bereich der Literatur liegen. Es ist demnach nicht auszuschließen, dass der Anteil der Holzverbrennung dadurch überschätzt wird. Geht man von einem höheren Faktor von 0,08 aus (Wert aus NRW), würden die hier präsentierten Konzentrationen bezogen auf den Median über den Messzeitraum Herbst / Winter und gemittelt über alle Stationen um 1,2 µg überschätzt sein (3.8% Anteil PM10).

Abbildung 5: Zusammensetzung von PM10bb und PM10rest an den fünf Stationen. Die gestrichelte Linie gibt den Grenzwert von PM10 an.

Holzverbrennung und PAK Auch wenn Benzo[a]pyren kein eindeutiger Tracer für Holzverbrennung ist, da er auch aus anderen Quellen stammt, konnte in NRW (Pfeffer und Breuer (2012)) ein deutlicher Zusammenhang zwischen Levoglucosan- und Benzo[a]pyren-Konzentrationen gezeigt werden. Auch an den Berliner Stationen, in denen Benzo[a]pyren nur wöchentlich erfasst wird, sowie in Bl-Mahlow (jeden 3. Tag im Herbst / Winter, 1 Datenpunkt im Juli) konnte trotz der geringen Datenpunkte eine signifikant geringere Konzentration im Juli (0.02 ng m-3) gegenüber Herbst und Winter (1.4 ng m-3) beobachtet werden. Es ist also anzunehmen, dass der deutli-

Seite 17 von 24 che Jahresgang der Benzo[a]pyren-Konzentrationen auch auf Holzverbrennung zurückzuführen ist.

Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieser Studie wurden für das Jahr 2012 für drei Berliner sowie zwei Brandenburger Messstationen PM10 und PM2.5 Proben auf den Tracer Levoglucosan analysiert, um darüber den Beitrag der Holzverbrennung zum Feinstaub im Untersuchungsgebiet zu quantifizieren. Es zeigte sich, dass Holzverbrennung erheblich zu Feinstaub in den kälteren Jahreszeiten beitragen kann, wobei Spitzenkonzentrationen von 25 µg m-3 bzw. 48% Anteil-PM10 erreicht wurden. Die Konzentrationslevel waren überwiegend vergleichbar zwischen den Stationen, lediglich die Station im regionalen Hintergrund zeigte deutlich niedrigere Konzentrationen. Die Quelle zeigte einen ähnlich verteilten Konzentrationsverlauf zwischen den Stationen, was zunächst darauf hindeutet, dass es sich um eine eher regional geprägte Quelle handelt. Trotz erhöhter Levoglucosankonzentrationen bei Winden aus östlicher Richtung konnte kein Gebiet identifiziert werden, dass für besonders hohe Konzentrationen durch Ferntransport verantwortlich gemacht werden kann. Dies und das Ergebnis, dass die Konzentrationen an der Station im regionalen Hintergrund gegenüber den städtischen und stadtnahen Stationen deutlich reduziert waren, deutet darauf hin, dass es sich weniger um eine Quelle aus dem überregionalen Hintergrund, sondern um eine diffus verteilte Quelle handelt. Das bedeutet, dass Holzverbrennung im Gegensatz zur Quelle Verkehr, welche durch Hot Spots an bestimmten Orten kennzeichnet ist, gleichmäßiger über ein großflächiges Gebiet zu hohen Konzentrationen in der kalten Jahreszeit beiträgt, was diese Quelle umso mehr in das Interesse der Reduzierungsmaßnahmen von Feinstaub rücken sollte. Weitere Untersuchungen werden angestrebt, in denen das Datenaufkommen größer und dichter ist, was eine effizientere und signifikantere Windrichtungsanalyse möglich machen soll. Zudem sollten auch Tage berücksichtigt werden, die nicht von Inversionswetterlagen geprägt sind um vergleichen zu können, wie stark der Einfluss der meteorologischen Bedingungen auf die Konzentrationen von Holzverbrennung in der Atmosphäre sind. Des Weiteren ist es von Interesse, einen möglichen Beitrag von weiteren Staubinhaltsstoffen zur Holzverbrennung zu quantifizieren. Emissionen aus Holzverbrennung sind zudem nicht nur für die Außenluft von Interesse. Viele Haushalte verfügen nach wie vor über offene Kamine im Haus, wodurch die Verbraucher direkt diesen Emissionen ausgesetzt sind. Aufgrund der Bestandteile von Russ oder auch PAKs begründet sich hier die Notwendigkeit, über die Auswirkungen der Holzemissionen auf den Menschen weitere Untersuchungen anzustreben.

Seite 18 von 24

Seite 19 von 24

Referenzen

ARL http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php

Bestimmung des Beitrags der Holzfeuerung zum PM10-Feinstaub an zwei Messstationen in Baden-Württemberg von Oktober 2008 bis Dezember 2009, LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg 76231 Karlsruhe, Postfach 100163, Dezember 2010, 48 Seiten

Engling, G., Carrico, C. M., Kreidenweis, S. M., Collett Jr, J. L., Day, D. E., Malm, W. C., Lincoln, E., Min Hao, W., Iinuma, Y., and Herrmann, H: Determination of levoglucosan in biomass combustion aerosol by high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection. Atmos. Environ., 40, 299–311, 2006.

Fabbri, D., Modelli, S., Torri, C., Cemin, A., Ragazzi, M., Scaramuzza, P.: GC-MS determination of levoglucosan in atmospheric particulate matter collected over different filter materials. J. of Env. Monit., 10, 1519-1523, 2008.

Fine, P. M., Cass, G. R., and Simoneit, B. R. T.: Organic compounds in biomass smoke from residential wood combustion: Emissions characterization at a continental scale, J. Geophys. Res.-Atmos107, 8349, 2002.

Fine, P. M., Cass, G. R., and Simoneit, B. R. T.: Chemical characterization of fine particle emissions from the wood stove combustion of prevalent United States tree species, Environ. Eng. Sci., 21, 705–721, 2004.

Fraser, M.P., Lakshmanan, K.: Using levoglucosan as a molecular marker for the long-range transport of biomass combustion aerosols. Env. Sci. and Techn. 34, 4560–4564, 2000.

Gelencsér, A., May, B., Simpson, D., Sánchez-Ochoa, A., Kasper-Giebl, A., Puxbaum, H., Caseiro, A., Pio, C., and Legrand, M.: Source apportionment of PM2.5 organic aerosol over Europe: Primary/secondary, natural/anthropogenic, and fossil/biogenic origin, J. Geophys. Res.-Atmos., 112, 1–12, 2007.

Seite 20 von 24

Genberg, J., Hyder, M., Stenström, K., Bergström, R., Simpson, D., Fors, E., O., Jönsson, J., A. and Swietlicki, E.: Source apportionment of carbonaceous aerosol in southern Sweden. Atmos. Chem. Phys., 11, 11387–11400, 2011. Jia, Y., Clements, A., L., Fraser, M., P.: Comparison of Sugar Composition in Fine and Coarse Particulate Matter at Four Sites in Eastern Texas and Central Arizona. Presentation, Berkeley, US, Aug. 2008.

Pfeffer, U., Breuer, L.: Einfluss von Holzverbrennung auf die Partikelbelastung (PM10) in Nordrhein-Westfalen. Vorlage zur 104. Sitzung des LAI-Ausschusses Luftqualität / Wirkungsfragen / Verkehr am 22. Und 23. Januar 2013 in Naumburg/Saale, 2006.

Schmidl, C., Luisser, M., Padouvas, E., Lasselsberger, L., Rzaca, M., Ramirez-Santa Cruz, C., Handler, M., Peng, G., Bauer, H., Puxbaum, H.: Particulate and gaseous emissions from manually and automatically fired small scale combustion systems, Atmospheric Environment 45, 7443 – 7454, 2011.

Wagener, S., Langner, M., Hansen, U., Moriske, H.-J., Endlicher, W.: Spatial and seasonal variations of biogenic tracer compounds in ambient PM10 and PM1 samples in Berlin, Germany. Atmospheric Environment 47, 33-42, 2012. Wagener, S., Langner, M., Hansen, U., Moriske, H.-J., Endlicher, W.: Source apportionment of organic compounds in Berlin using positive matrix factorization – assessing the impact of biogenic aerosol to an urban area. Science of the Total Environment 435-436, 392-401, 2012.

Seite 21 von 24 Anhang A: Trajektorien der Tage mit den höchsten Levoglucosankonzentrationen

Seite 22 von 24

Seite 23 von 24 Anhang B: Trajektorien der Tage mit besonders erhöhten Levoglucosankonzentrationen in Blankenfelde-Mahlow gegenüber Hasenholz.

Seite 24 von 24