IER

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Emission, Ausbreitung, chemische Umwandlung und Deposition von Luftschadstoffen

Mis

c hu ngs

sch

icht

höh

e

Advektion chemische Umwandlung Immissionen Dispersion

Emissionen

Deposition

Quellen

Wirkungen

IER

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Begriffsbestimmungen Emission:

"Emissionen im Sinne dieses Gesetzes sind die von einer Anlage ausgehenden Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen und ähnliche Erscheinungen." (BundesImmissionsschutzgesetz (BimSchG) § 3, Absatz 3) Emissionen sind Quellen atmosphärischer Konzentrationen.

Immission:

„Immissionen im Sinne dieses Gesetzes sind auf Menschen, Tiere und Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur- und sonstige Sachgüter einwirkende Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen und ähnliche Umwelteinwirkungen." (BundesImmissionsschutzgesetz § 3, Absatz 2)

Deposition:

• • •

Ablagerung einer Luftverunreinigung am Boden, auf Pflanzen, Materialien oder Gewässern. Depositionen sind Senken atmosphärischer Konzentrationen. Man unterscheidet:

nasse Deposition: feuchte Deposition: trockene Deposition:

Die Ablagerung wird verursacht durch Regen oder Schnee Ablagerung, verursacht durch Nebel, Tau oder Reif Sonstige Deposition

1

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Volumen- und Massenkonzentrationen Volumenkonzentration: 6

ppm

parts per million

ein Schadstoffmolekül auf 10 Luftmoleküle oder 3 3 ein cm Schadstoff pro m Luft.

ppb

parts per billion

Ein Schadstoffmolekül auf 10 Luftmoleküle oder 3 3 ein mm Schadstoff pro m Luft. (Im 9 amerikanischen Englisch steht "billion" für 10 .)

9

Massenkonzentration: 3

3

mg/m

Milligramm Schadstoff pro m Luft. 3

3

μg/m

Mikrogramm Schadstoff pro m Luft.

Umrechnung:

Volumenkon zentration (Gas) ⋅ Dichte(Gas ) = Massenkonz entration( Gas)

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Bezugssauerstoffgehalt

EB = EM EB OM OB

21 − OB • EM 21 − OM

gemessene Emission Emissionen, bezogen auf den Bezugssauerstoffgehalt gemessener Sauerstoffgehalt in Volumen-% Bezugssauerstoffgehalt in Volumen-%

z. B. nach 13. BImSchV für Heizöl, Gas: OB = 3%, Feste Brennstoffe: OB = 6%, Gasturbinen: OB = 13%

2

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Quellen von Luftschademissionen • Industrielle Prozesse • Transport, Lagerung, Gewinnung und Umschlag von Gütern (z.B. Energieträgern) • Anwendung lösemittelhaltiger Produkte • Verbrennung (in mobilen und stationären Quellen) • Viehhaltung und Düngung • Biologische und natürliche Prozesse

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Industrielle Prozesse • Kokereien • Zementherstellung • Roheisengewinnung • • • • • •

Staub, CO, NH3, H2S, VOC Staub, NOx, CO, SO2, NOx Staub, Schwermetalle, SO2, NOx Stahlherstellung Feinstaub, CO NE-Metallherstellung Feinstaub, CO, Schwermetalle Glasherstellung Feinstaub, NOx Raffinerien VOC, H2S, SO2, NOx Papierherstellung SO2, Feinstaub Viehhaltung und Düngung NH3, N2O

3

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Transport, Lagerung, Gewinnung und Umschlag von Gütern • • • • •

Kohle-, Öl und Gasgewinnung Methan Kohleumschlag Staub Umschlag von Öl VOC Gastransport (Leckagen) Methan Handhabung radioaktiver Stoffe Emission radioaktiver Stoffe ->Strahlung • Umschlag nichtenergetischer Staub Stoffe (Erze, Sand, Düngemittel, Zement, Getreide)

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Biologische und natürliche Prozesse • Methanerzeugende Bakterien Methan (Feuchtgebiete, Reisanbau, Mülldeponien, Gülle, Wiederkäuer/ Viehhaltung, Ozeansedimente, Leckagen von Erdgasspeichern) • Biosyntheseprozesse VOC (z. B. Wälder) • Blitze NO • Erosion, Meersalz, Sporen Feinstaub • Vulkane SO2 , PM • Biomasseverbrennung NOx, PM, CO, VOC • Böden NOx

4

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SO2 emissions from Volcanic activities vs. Anthropogenic activities in Italy

Anthropogenic 27%

Volcanoes 73%

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Emissions EU27+CH+NO 2000 Natural (1) vs. Anthropogenic Sources (2) PM2.5

3000

2000

2500

1600

2000

in 1000t

in 1000t

PM10

1500

1200

400

500

Sea Salt not included !

800

1000

0

0 1

1

2

2

Biomass Burning (open fires) PBAP’s Volcanoes Wind Blown Dust Antropogenic

5

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Emissions EU27+CH+NO 2000 Natural (1) vs. Anthropogenic Sources (2) NMVOC

12000

12000

10000

10000

8000

8000

in 1000t

in 1000t

SO2

6000 4000

Forest Forest

6000 4000 Other Land

2000

2000 use

Other Land use

0

0

1

1

2

2

Sea DMS

Biomass Burning (open fires)

Volcanoes

Forest and Other Land use

Antropogenic

Antropogenic

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Emissions of Sea Salt in the NATAIR Domain 1997/2001 Caspian Sea, Black Sea, Mediterranean Sea, Baltic Sea, Atlantic Ocean

Sea Salt (wet mass)

Sea Salt (dry mass)

140000

4500

120000

3750 in 1000t

in 1000t

100000 80000 60000

3000 2250 1500

40000

750

20000 0

0

PM10

PM2.5

PM10

PM2.5

6

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NMVOC – Annual Cycle Anthropogenic vs. Forest and Other Land Use Emissions EU27+CH+NO 4500 4000

in 1000t

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1

2

3

4

5

6 7 8 Month

ANTHROPOGENIC 2000 5000 0 5 9 2003 FOREST AND OTHER LAND 1USE

9 10 11 12

FOREST AND OTHER LAND USE 97/01

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Verbrennung von fossilen Energieträgern Produkte

Nebenprodukte aus Inhaltstoffen

Vollständiger Verbrennung

Unvollständiger Verbrennung

der Luft

des Brennstoffes

CO2, H2O

CO, Ruß, VOC

NOx

SO2, SO3, H2S, NOx, Schwermetalle, Staub, HCl, Furane

Umwandlung im Abgas: Aerosole, Dioxine/ Furane, NO2u Vermeidung/ Verminderung durch Brennstoffsubstitution Energieeinsparung Erneuerbare und nukleare Energieträger

Verbrennungsführung Mehr Sauerstoff Höhere Temperatur Höhere Verweilzeit

Weniger Sauerstoff Niedrigere Temperatur Geringere Verweilzeit

Brennstoffwahl Additive Brennstoffaufbereitung

Rauchgasreinigung

7

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Schwefelgehalt von Brennstoffen •

Hauptsächlich im Brennstoff chemisch gebunden (anorganischer Schwefel (Pyrit) kann abgeschieden werden, z. B. aus Kohle)

•

Verbrennungsprodukt SO2 (80° - 400°): farbloses, steckend riechendes Gas → SO3 bei Abkühlung/ Sauerstoffüberschuss (1-4%) → H2S bei Sauerstoffmangel (KAT bei fettem Gemisch oder gedrosselten Braunkohlefeuerungen)

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Entschwefelung von Brennstoffen •

Erdgas: H2S Vorkommen wird wegen Korrosionsgefahr durch alkalische Gaswäschen ausgewaschen, dann Claus Prozess: 1/3 des H2S: 2 H2S + 3O2 → 2 H2O+ 2 SO2 2/3 des H2S: 4 H2S + 2 SO2 → 4 H2O+ 6 S (katalytisch)

•

Öl: Schwefelverbindungen schwerflüchtig, daher bei der Destillation Anreicherung in schweren Fraktionen (schweres Heizöl, Rückstandsöl); Entschwefelung durch Hydrodesulfurierung im Hydrofiner unter Verwendung von Wasserstoff: R-S-H + H2 -> R-H + H2S weiter mit Claus-Prozess; der Wasserstoff wird im Reformer gewonnen.

8

Energie und Umwelt

Grenzwerte und Schwefelgehalte

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Schwefelgehalt (Grenzwert) in Gewichtsprozent

Brennstoff Schweres Heizöl Rückstandsöl Schiffe

< 1,0 (ab 2003, 93/ 12 EWG) < 4,5%, durchschn. 2,7%; ab 2012: 1300 C° • Sauerstoffüberschuss • Verweilzeit des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Zone hoher Temperaturen

N organisch gebunden im Brennstoff > 750 C° Stickstoffgehalt von Kohle: 0,5 – 2 Gew.- % Heizöl: 0,1 – 0,6 Gew.- %

N aus Verbrennungsluft in der Flammenzone CH + N2 C2 + N2

HCN + N 2 CN

-> Oxidation zu NO Umwandlungsrate: Kohle: 20 – 40 % leichtes Heizöl: 80 – 90 %

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Schematische Darstellung der NO-Entstehung bei Feuerungen in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur

Kohle mit unterschiedlichem N-Gehalt

schweres Heizöl

Quelle: Baumbach

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Zusammenhang zwischen Schadstoffkonzentration im Abgas bzw. spez. Verbrauch und Luftverhältnis bei Ottomotoren

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Entstehung von NOx in Umweltmedien Blitze:

Denitrifikation in Böden durch Bakterien, anaerob

thermisches NOx N2 + O2

2 NO

NO3-

Dünger, Nitrat- und Ammoniumdeposition

NO2NO N2O N2

biogene Emission in die Atmosphäre

14

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NOx-Emissionen 2004 in Bayern – vorläufige Werte natürliche Emissionen sonstige nicht (Böden, Blitze)* gen.-bed. 2% sonstiger Anlagen Straßenverkehr 4% 1% Haushalte PKW-Verkehr 7% 16% gen.-bed. Anlagen 18% NOx-Emissionen

Davon Kaltstart: 1,5 %

Bayern 2004 (215 kt)**

Schienen-, Schiffs-, Luftverkehr 5%

LKW-Verkehr 37%

Offroadverkehr 10%

** vorläufige Ergebnisse

Davon Traktoren 6,5%

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NOx-Emissionen in Deutschland Landwirtschaft

4000

3500

Kraft- und Fernheizwerke

3000

Industriefeuerungen 2500

Kleinverbraucher

2000

Haushalte

1500

1000

Straßenverkehr

500

Übriger Verkehr 20 03

20 00

19 97

19 94

19 91

19 88

19 85

19 82

19 79

19 76

19 73

19 70

0

Industrieprozesse

15

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Referenzszenario für NOx-Emissionen in Deutschland 2.000 [kt]

1.800

Militär

1.600

Landwirtschaft*

04

1.400

Produzierendes Gewerbe 1.200

Industrieprozesse

1.000

Verbrennung von Brennstoffen (Haushalte + Gewerbe) Energieindustrie

800 600 400

Verkehr 200 0

2000

2010

2020

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NOx emissions in EU25 year 2000 (EMEP Webdab March 2005) Total 11 200 kt NOx. Projection for 2020: -49 % (IIASA Baseline Nov 2004) 0,1% 16%

20%

Combustion in energy and transformation industry Small combustion plants Combustion in manufacturing industry

5%

Production processes Road transport

11%

Other mobile sources and machinery Waste treatment and disposal

46%

2%

Agriculture

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NMVOC Quellen Verkehr

Straßenverkehr (Abgas- und Verdunstungsemissionen) sonstiger Verkehr

Verarbeitung, Lagerung, Umschlag von Mineralölprodukten Feuerungen Lösemittelverdunstung

Lackanwendung, Entfettung, Reinigung Befettung, Konservierung, Abbeizmittel Druckfarben und Druckhilfsmittel Klebstoffe, Putz- und Pflegemittel, Körperpflege Waschmittel

branchentypische Emissionen

Chemischreinigungen, Chemische Industrie Kunststoff- und Gummiverarbeitung Herstellung von Spanplatten Gießereien, Textilveredelung Nahrungs- und Genußmittelherstellung

biogene Emissionen

Laub- und Nadelwälder

kursiv: Quellen mit einem Anteil von mehr als 5%

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VOC Stoffklassen Kohlenwasserstoffe Alkane:

Methan Ethan Propan n-Butan n-Pentan n-Hexan n-Heptan Oktan

CH4 CH3-CH3 (C2H6) CH3-CH2-CH3 CH3-(CH2)2-CH3 CH3-(CH2)3-CH3 CH3-(CH2)4-CH3 CH3-(CH2)5-CH3 CH3-(CH2)6-CH3

(C3H8) (C4H10) (C5H12) (C6H14) (C7H16) (C8H18)

Alkene CH2=CH2 CH2=CH-CH3

Monoolefine

Ethen 1-Propen

Diolefine

Isopren (C5H8) Terpene (C5H8)n, n=2,3,4,...

Aromaten

Benzol

C6H6 Toluol (Methylbenzol) Xylol (Dimethylbenzol)

(C2H4) (C3H6)

C6H5-CH3 C6H4-(CH3)2

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VOC Stoffklassen Sauerstoffhaltige organische Verbindungen: Ether

Dimethylether

CH3-O-CH3

Alkohole

Methanol Ethanol

CH3-OH CH3-CH2-OH

Phenole

Phenol

C6H5-OH

Aldehyde

Formaldehyd (Methanal) Acetaldehyd (Ethanal)

H-CHO CH3-CHO

Ketone

Aceton (Dimethylketon)

CH3-CO-CH3

Halogenkohlenwasserstoffe: FCKW

Trichlorfluormethan (R11) Dichlordifluormethan (R12)

CFCl3 CF2Cl2

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Stoffliche Auflösung der Emissionen VOC-Split Lösemittel 1998

CKW 1%

Aldehyde 0,02%

Ketone 6%

Carbonsäuren 0,07%

VOC-Split Verkehr 1998 Ketone 1%

Sonstige 2%

Aldehyde 11%

Ester 10% Alkane 23%

Glykolderivate 8% Ether 2%

Aromaten 20% Alkohole 27%

Sonstige 0,04%

Alkene 1%

Alkine 0,02%

Alkane 36% Aromaten 30%

Alkine 4%

Alkene 18%

18

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NMVOC emissions in EU25 year 2000 (EMEP Webdab March 2005) Total 11100 kt NMVOC. Projection for 2020: -45 % (IIASA Baseline Nov 2004) 1% 7,7%

1%

6%

Combustion in energy and transformation industry

0,5%

Small combustion plants

11%

Combustion in manufacturing industry

6%

Production processes Extraction and distribution of fossil fuels

32%

Solvent and other product use Road transport Other mobile sources and machinery

35%

Waste treatment and disposal

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NMVOC-Emissionen in Deutschland 4000

3500

Landwirtschaft Kraft- und Fernheizwerke Industriefeuerungen

3000

Kleinverbraucher 2500

Haushalte 2000

Straßenverkehr

1500

Übriger Verkehr

1000

Gew. u. Vert. v. Brennst.

500

0

Industrieprozesse Lösemittelverwendung

70 973 976 979 982 985 988 991 994 997 000 003 1 1 1 1 2 1 1 19 1 1 2 1

19

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VOC Emissionen bei der Verwendung von Konsumgütern in Deutschland 1998 Verbrauch (t/a) 74.000

Frostschutz

Lösemittelgehalt (%) 50

NMVOC Emissionen (t) 37.000

Haarspray

38.000

60

Autowaschmittel

65.000

20

23.000 13.000

Schönheitspflegemittel

113.000

11

12.430

Alkoholverbrauch

750.000*

100

Geschirrspülmittel

112.000

5

7.500 ** 5.600

Toilettenwässer

7.600

50

3.800

Rasierwässer

8.000

30

2.400

Waschmittel

42.000

7

2.940

4.200

50

2.150

Parfums * reines Äthanol

** bei Annahme einer Verdunstungsrate von 1%

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Disaggregierung der NMVOC-Verkehrsemissionen in Deutschland in 1998 Running losses 7% Cold start 24%

Diurnal losses 8% Hot Soak losses 10%

Non-urban exhaust gases 28%

Urban exhaust gases 23%

20

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Stündliche Stündliche NMVOC NMVOCEmissionen Emissionenin in Deutschland Deutschland (Beispiel) (Beispiel) 350

160

160

alle Sektoren 140

300

NMVOC Emissionen [t/h]

Ausserorts Kaltstart Hotsoak losses

120

250

Innerorts Diurnal losses Running losses

140

120

Verkehr

IndProzesse 100

100

80

80

60

60

40

40

20

20

200

Lösemittel 150

KFEU

100

50

Verkehr

0

0 0

6

12

18

Montag 19. Jan. 1998

24

0

12

6

18

24

0 0

Montag 19. Jan. 1998

12

6

18

24

Montag 20. Juli 1998

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NH3 emissions in EU25 year 2000 (EMEP Webdab March 2005) Total 3900 kt NH3. Projection for 2020: -4 % (IIASA Baseline Nov 2004) 1% 0,4%

0,1% 1% 2% 4%

Combustion in energy and transformation industry Small combustion plants Combustion in manufacturing industry Production processes Road transport Other mobile sources and machinery

92%

Waste treatment and disposal Agriculture

21

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NH3-Emissionen in Deutschland 2000 in kt 1% 3%

Total: 625 kt

11%

Animal Breeding Use of Fertilisers Industrial Processes Other Sources

85%

Source: UBA

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NH3 - Emissionen in Deutschland 1000 900 800

Sonstige Quellen

600 500

Industrieprozesse

400

Düngeranwendeung

300 Tierhaltung

200 100 0 19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00

kt / Jahr

700

Jahr

22

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Emission Trends for NH3 by relevant sectors 4

EU15 NH3 Emissions in 1998 and 2010

4

Source: EMEP

3

[Mt]

3

Other

2

Transport

2

Industry

1

Energy

1

Agriculture

0

1998

2010

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CO-Emissionen in Deutschland 2000 in kt 2% 13%

Total: 4945 kt

12% 0% 3%

2%

Industrial Processes Production and Distribution of Fossil Fuels Other Mobile Sources Road Transport

17%

Households Small Combustion Industrial Combustion Public Power Plants 51%

Source: UBA

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EU 15 CO-Emissionen 2000 in Gg Andere mobile Quellen 7,4%

Andere 4,7%

Produktionsprozesse 8,2%

Straßenverkehr 54,0%

Industriefeuerungen 9,2%

Kleinfeuerungen 16,4%

Quelle: EMEP

Gesamt: 30862 Gg

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CO - Emissionen in Deutschland 18000 16000 Kraft- und Fernheizwerke Industriefeuerungen

12000

Kleinverbraucher

10000

Haushalte Straßenverkehr

8000

Übriger Verkehr

6000

Gew. u. Vert. v. Brennst.

4000

Industrieprozesse

2000 0 19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00

kt / Jahr

14000

Jahr

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Quecksilber - Emissionen in Europa (EU27+CH+N) 160 140 Hg emission [tons/year]

other sources chlorine production waste incineration cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

Hg

120 100 80 60 40 20 0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

MFTR = maximum feasible technical reduction, bau = business as usual

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Blei-Emissionen in Europa (EU27+CH+N) 10000

other sources non-exhaust (transport) gasoline combustion waste incineration cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

Pb Pb emission [tons/year]

8000

6000

4000

2000

0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

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Arsen- Emissionen in Europa (EU27+CH+N) 450

As

400

As emission [tons/year]

350 300 250

other sources non-exhaust (transport) waste incineration cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

200 150 100 50 0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

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Cadmium - Emissionen in Europa (EU27+CH+N) 450

Cd

400

other sources non-exaust (transport) waste incineration cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

Cd emission [tons/year]

350 300 250 200 150 100 50 0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

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Nickel - Emissionen in Europa (EU27+CH+N)

5000

other sources non-exhaust (transport) waste incineration cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

Ni Ni emission [tons/year]

4000

3000

2000

1000

0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

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Chrom - Emissionen in Europa 2000

Cr

1800

other sources non-exhaust (transport) cement production non-ferrous metals production iron and steel production energy generation

Cr emission [tons/year]

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 The base year 2000

BAU+climate 2010

MFTR 2010

BAU+climate 2020

MFTR 2020

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Anteil anthropogener Primärpartikel an der PM10-Konzentration Anteil PM10 Idealisiertes Beispiel der Beiträge zur atmosphärischen Aerosolmasse im ländlichen Hintergrund nach (Schneider 1999)

Organische Verbindungen aus der Verbrennung

Elementarer Kohlenstoff

Primärpartikel anorganisch

Partikel aus photochemischen Prozessen

Anteil anthropogener Primärpartikel > 30 % urban/straßennah bis zu 70 %

Biogene Aerosole

Ammoniumnitrat

Seesalzaerosole

Ammoniumsulfat

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Verkehr

Lenschow – Berlin Frankfurter Allee Str.-Verkehr

Aufw.+Abrieb 15%

Quelle: Kuhlbusch IUTA e.V.

7%

Hintergrund

Aufw.+Abrieb 1%

Str.-Verkehr 11% übrige 7% Hausbrand 3%

Industrie 14% Heiz-/Kraftwerke 9% Hausbrand 5%

Landwirtschaft Heiz-/Kraftwerke 4% Industrie 1% 1% Aufw.+Abrieb übrige 6% 7% Str.-Verkehr Stadt 9% übrige: Lösemittel, mobile Maschinen, Müllverbrennung, Sonstige

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Beiträge zur PM10-Konzentration – Straßen hotspots (Quelle: Stadt Stuttgart)

Arnulf-Klett-Platz

Neckartor

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PM [µg/m³]

40

Berlin Umland

Verkehr, lokale Quellen Wohngebiete

35 30 25 20

urbaner Hintergrund regionaler Hintergrund

15 10

hemisphärische/natürliche Hintergrundbelastung

29

IER

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PM emission sources to be considered Road transport: PC, MC, LDV, HDV - diesel/gasoline, 2 / 4 stroke exhaust gas, tyre, brake and road abrasion and suspension Offroad machinery: construction, agriculture, military, industry, households/gardening - exhaust and non-exhaust Other transport: railway, shipping, aviation - exhaust and non-exhaust Power & heat plants: public and industrial plants (incl. waste incineration) Small combustion plants: commercial, institutional and residential plants Production processes: industrial/commercial plants (incl. process furnaces) Material handling: grain, ore, coal, fertilizer, sand, gravel, cement etc. Other processes: tobacco smoking, fireworks, agriculture, food production, construction processes

IER

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PM10 emissions in EU27 (IIASA Baseline Nov 2004) 2500

Emissions [kt] m

2000 other sources 1500

industrial production small combustion

1000

power and heating plants other transport

500

road non exhaust road exhaust

0 2000

Year

2020

30

IER

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PM2.5 emissions in EU27 (IIASA Baseline Nov 2004) 1800 1600

Emissions [kt] m

1400 1200

other sources

1000

industrial production small combustion

800

power and heating plants other transport

600 400

road non exhaust 200

road exhaust

0 2000

2020

Year

IER

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Natural Emissions 1997/2001 (Average Meteorological Conditions in EUROPE) vs. Different Anthropogenic Emission Szenarios in EU27+CH+NO* 25000

in 1000t

20000

15000

10000

5000

* NOX data refers to EU15 and is given as NO2. Sea salt emissions are not included.

0 CH4

NH3

NOX

PM10

PM2.5

SO2

NMVOC

Natural Emission (97/01)

Anthropogenic 2000

Anthropogenic Emissions 2010 CLE

Anthropogenic Emissions 2010 MFTR

31

IER

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Emission sources in Germany year 2000 (v March 2006) PM: 506 kt

PM10: 248 kt 9%

13%

14%

15%

PM2.5: 147 kt

25%

39%

22%

27%

32% 14%

35%

5%

10%

3%

5%

16% 8%

6%

Transport processes - engines Transport processes - abrasion and suspension Power and heat plants Small combustion plants Industrial production processes Other anthropogenic sources*

* agriculture, construction, mining, fire works, smoking, barbecues

IER

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Mobile sources in Germany year 2000 Road, diesel engines Road, gasoline engines Road, tyre & brake abrasion

~124 kt

Road, dust suspension

range of estimated values for PM10

TSP PM10

Nonroad, engines

PM2.5

Nonroad, abrasion & dust suspension

0

10

20

30 40 Emissions [kt]

50

60

32

IER

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Power and heat plants in Germany year 2000 Public plants - lignite Public plants - hard coal Public plants - petroleum products Public plants - gases Industrial plants - lignite Industrial plants - hard coal

PM PM10

Industrial plants - petroleum products

PM2.5 Industrial plants - gases Waste incineration

0

1

2

3 4 Emissions [kt]

5

6

IER

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Small combustion in Germany year 2000 Households - wood Households - lignite Households - light fuel oil Households - hard coal Commercial plants wood

PM

Commercial plants fuel oil

PM10 PM2,5

Commercial plants coals etc.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Emissions [kt]

33

IER

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Processes in Germany year 2000 Iron and steel industry Other anthr. Processes* Mineral industry Agriculture Material handling Chemical industry Wood and paper industry Non-ferro metal industry PM PM10 PM2,5

Food industry Coal industry Other industries * agriculture, construction, mining, fire works, smoking, barbecues

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Emissions [kt]

IER

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Most significant emission sources in Germany year 2000 20 processes emitting 74 % of anthropogenic PM2.5 Small combustion households - wood Other mobile sources agriculture - diesel engines Road traffic passenger cars - diesel engines Other mobile sources construction - diesel engines Road dust suspension Commercial and residential barbecues Cement production Public power plants - lignite Sinter production Road traffic light duty vehicles - diesel engines Marine ships - heavy fuel oils, diesel Road traffic lorries w/o trailer - diesel engines Oxygen steel production Public power plants - hard coals Pig iron production Road traffic lorries with trailer - diesel engines Road articulated lorry - diesel engines Small combustion commercial - wood Small combustion households - coal Fireworks

PM10 [t] 18427 15580 7913 7600 25423 6164 7215 5024 8728 4221 4293 4147 4373 4286 13399 3731 3651 2803 2437 2589

PM2,5 [t] 17111 14760 7571 7200 6411 6164 4466 4217 4192 4039 3993 3968 3887 3709 3594 3570 3493 2438 2285 1726

Smoking: 1 300 t PM2.5

34

IER

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Kenntnislücken und Unsicherheiten ¾ Diffuse Quellen in der Industrie (z.B. aus Hallenöffnungen), Landwirtschaft, Bauwirtschaft und im Verkehr (Abrieb und Aufwirbelung) ¾ Staubinhaltsstoffe, quellenspezifische ‚Fingerprints‘ ¾ Emissionsanteile von PM2,5 und kleinerer Fraktionen ¾ Biogene und natürliche Emissionen ¾ Zeitlich und räumlich aufgelöste Emissionen einschließlich der Vorläufersubstanzen von Sekundäraerosolen

IER

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Trend der Feinstaubemissionen in Deutschland von 2000 bis 2010 300

Umschlag staubender Güter

Emissionen in kt/a

270 240

Sonstige anthropogene Prozesse

210

Öffentl. und industr. Kraft- und Heizwerke

180

Sonst. Verkehr & Offroad-Fahrzeuge

150

Kleinfeuerungen 120 90

Straßenverkehr (Aufwirbelung)

60

Straßenverkehr (Abgas, Abrieb)

30

Produktionsprozesse

0 2000 PM10: 285 kt

2010 PM10: 276 kt

2000 PM2,5: 168 kt

2010 PM2,5: 148 kt

35

IER

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Zusammensetzung der natürlichen Atmosphäre mittlere Konzentration Gas N2 O2 Ar Ne Kr Xe (H2O CO2 He CH4 H2 N2O CO O3 NH3 SO2 HNO3 NOx

Säulenhöhe in iso- ungefähre Verweilzeit barer Atmosphäre

[ppm]

[m]

780.840 209.460 9.340 18 1,1 0,09 4.400 332 5,2 1,65 0,58 0,33 0,05 0,4 -4 10 -5 10 -5 10 -6 10

6.586 1.767 79 0,15 0,009 37 2,8 0,04 0,014 0,005 0,003 0,003

Konzentration in sauberer Troposphäre [ppb]

Konzentration in belasteter Luft

120 20-80 1 1-10 0.02-0.3 0.1-0.5

1000-10.000 100-500 10-25 20-200 3-50 50-750

[ppb]

6

10 a 10 a 10 d) 100 a 10 a 7a 2a 100 a 65 d 7d 1-20 d 1-40 d 1d 1-2 d

IER

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Temperatur, Wasserdampf und Ozon Höhe [km] Stratopause

50 45 40 35 30 25 20 15

Tropopause

10 5 0 -60

-40

-20

0

Temperatur [oC]

0

2

4

Ozon [ppm]

6

0

2000

4000

6000

H2O [ppm]

36

IER

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Stabilität der atmosphärischen Schichtung Z 1

34 5

2

labil

stabil T

Verschiedene Temperaturprofile der bodennahen Luftschichten: 1) Neutrale (adiabatische) Schichtung: T nimmt mit der Höhe so ab wie die Temperatur eines nach oben ausgelenkten Luftpakets aufgrund adiabatischer Expansion: ca. 1 oC/100 m. 2) Überadiabatische (instabile) Schichtung: Ein nach oben ausgelenktes Luftpaket wird wärmer sein als die Umgebungsluft, daher leichter, und so zusätzlichen Auftrieb erhalten. 3) Unteradiabatische (stabile) Schichtung: Ein nach oben ausgelenktes Luftpaket wird kälter sein als die Umgebungsluft, daher schwerer; es will in seine Ausgangslage zurückkehren. 4) Isotherme (stabile) Schichtung: Temperatur ist konstant, unabhängig von der Höhe. 5) Inversion (extrem stabile Schichtung): Temperatur nimmt mit der Höhe zu.

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IER

Schichtung der bodennahen Luft im Wechsel von Tages- und Jahreszeit

37

IER

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Verteilung von Luftschadstoffen durch Turbulenzen

The Atmospheric Boundary Layer Height Stratosphere:

No water vapour

Tropopause

10 km

Free troposphere: Adiabatic lapse rate

1 km

Water vapour, clouds, no turbulence, no pollutants

Mixing height

stable

Boundary layer: (Mixing layer)

unstable

Turbulence, pollution

Ground surface T

IER

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Vertikalprofil des turbulenten Mischungskoeffizienten in der Mischungsschicht

Höhe [% der Mischungsschicht] 100

typische Mischungsschichthöhen:

200 m (klare Winternacht) bis 1600 m (klarer Sommertag)

90 80 70 60

Vertikalprofil des turbulenten Diffusionskoeffizienten bei neutraler Schichtung [O'Brien, J.Atmos.Sci. 27 (1970)]

50 40 30 20 10 4

Bodenreibungsschicht 1

2

3

4

Km (Koeffizient der turbulenten Diffusion, relative Einheiten)

38

IER

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Corioliskraft

F C = 2 ⋅ ρ ⋅ u ⋅ Ω ⋅ sin φ Mit: FC r u W f

horizontale Komponente der Corioliskraft Dichte der Luft Horizontalgeschwindkeit Erdrotation (2π/Tag) geographische Breite

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IER

Einfluß der Corioliskraft

39

IER

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Zirkulationsmuster

IER

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Atmosphärische Daumenwerte Daumenwerte Skalenhöhe der Atmosphäre

8 km

Höhe der Mischungsschicht

0.5 km

Windgeschwindigkeit in der Mischungsschicht

8 m/s

Vertikale Temperaturabnahme in der Troposphäre

8 K/km

Atmosphärische Verweilzeit typischer klassischer Schadstoffe

1-7 Tage

Atmosphärische Verweilzeit von Wasserdampf

10 Tage

Atmosphärische Verweilzeit von CO2

100 Jahre

Durchmesser von Hoch- und Tiefdrucksystemen

1000-3000 km

Lebensdauer eines Hoch- oder Tiefs

1 Woche

Durchmischung der Troposphäre einer Hemisphäre

4 Wochen

Durchmischung der ganzen Troposphäre

1 Jahr

Austausch Troposphäre-Stratosphäre

1-2 Jahre

40

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IER

Troposphärisches Ozon: Vergleich der langjährigen MessSerien von 1876 bis 1907 bei Montsouris (Paris) und 1956 bis 1982 bei Arkona (Rügen)

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IER

Troposphärischer (2, 4, 6 und 8 km Höhe) und stratosphärischer (20, 22, 24 km Höhe) Ozontrend 1976-1990 am Hohenpeissenberg bei München

41

IER

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Photochemische Primärreaktion zur Ozonbildung NO2 + hν (λ ≤ 420 nm) →

O +O2 +M →

NO + O

O3 + M

(M = energieabsorbierendes Molekül wie N2, O2)

→ NO2 + O2

NO + O3

Es stellt sich in ein Gleichgewichtszustand zwischen NO, NO2 und O3 ein, bei dem keine Netto-O3-Produktion erfolgt: c[O3] mit

=

(J/k) × c[NO2] / c[NO]

Photolysefrequenz Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient der Rückreaktion

J k

IER

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Bedeutung und Entstehung des OH-Radikals

O3

+

hν (λ < 320 nm) Â

O

O

+

H2O

Â

2 OH

R-H

+

OH

Â

R

+

O2

+

H2O

c(OH) = 106 Molekül cm-3

42

IER

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Beitrag der Kohlenwasserstoffe zur Ozonbildung: Oxidation des NO zu NO2 OH-Radikale brechen die Kohlenwasserstoffe (und CO) auf:

hν

OH• + RH OH• + CO

O + O2 NO

+

Aus den organischen Resten R durch Reaktion mit dem Luftsauerstoff Peroxiradikale (HO2 oder RO2):

NO2 + O2

O3

H2O + R CO2 + H

HO2• RO2•

H + O2 R + O2 RO2

OH

Die Peroxiradikale oxidieren NO zu NO2: HO2• + NO RO2• + NO

Kohlenwasserstoffe

NO2 + OH• NO2 + RO•

IER

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H-Abstraktion, Reaktion mit OH ⇒

CH3

+ O2

⇒

CH3O2

CH3O2

+ NO

⇒

CH3O

+ O2

⇒

CH4

+ OH

+

H2O

CH3O

+

NO2

HCHO

+

HO2

Rekombination mit O2 CH3 Reaktion mit NO

HCHO

+ OH

⇒ CHO + H2O

CHO

+ O2

⇒ CO

CO

+ OH

⇒ CO2 + H

H

+ O2

⇒ HO2

HO2

+ HO2

⇒ OH

+ NO

+ NO2

3x HCHO = Formaldehyd

Summenreaktion

CH4

+ 4 O2 + 4 NO ⇒ CO2 +

2 H2O +

4 NO2

43

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Troposphärischer Abbau von Alkanen am Beispiel von Propan 1)

H-Abstraktion, Reaktion mit OH

CH 3 − CH 2 − CH 3 + OH → CH 3 − CH (⋅) − CH 3 + H 2 O 2)

Rekombination mit O2, Bildung von Peroxylradikalen

CH 3 − CH (⋅) − CH 3 + O2 + M → CH 3 − CH (O2 ) − CH 3 + M 3)

Reaktion mit NO

CH 3 − CH (O2 ) − CH 3 + NO → CH 3 − CH (O ) − CH 3 + NO2 4)

a) Reaktion mit O2

CH 3 − CH (O ) − CH 3 + O2 → CH 3 − C (O ) − CH 3 + HO2 Aceton b) thermischer Zerfall

CH 3 − CH (O ) − CH 3 → CH 3 − CH 3 − CHO Acetaldehyd

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

IER

Tagesgänge von VOC, NOx und O3 an einem Sommertag in Los Angeles

44

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Isoplethendiagramm der maximalen täglichen Umgebungskonzentrationen von Ozon (in ppb) für Sydney

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Ortsabhängigkeit der Ozonkonzentrationen in der Stadt ist wegen der NO Emission die Ozon-Konzentration niedriger als auf dem Land

45

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Ausbildung einer Ozon-"Reservoir"-Schicht: tags gebildetes Ozon wird nachts gespeichert und befindet sich am nächsten Tag wieder in der Mischungsschicht

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Schwefelchemie - Hauptreaktionen

Gasphase:

SO2 + OH

M

→

Flüssigphase: HO • SO2 + O2 + H2O →

HO • SO2 HO2 + H2SO4

46

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

N-Atmosphärenchemie: tagsüber, vereinfacht NO3

+ hv – O3 O3

+

HONO

+OH +hv–OH

+O3

NO

NO2

+

hv

–

O3

+O H

+ RO2 , + HO2

HNO3

H3 +N

OH + RH

H2O + R

R + O2

RO2

NH4NO3

NO3s

aq

Deposition

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

N-Atmosphärenchemie nachts, vereinfacht NO

+O3

NO3 3 +O

NO2

het

+NO2

-NO2

N2O5 het

+H20 +NaCl het +NH3

NO3-

aq, p

Deposition

47

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Reaktionsschema für die saure Deposition im EMEP-Modell

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Größenbereiche typischer atmosphärischer Aerosolpartikel, Aerosolnomenklatur und Sedimentationsgeschwindigkeiten Partikelgröße

EMWellenlänge

0.001 μm

0.01 μm

Röntgenstrahlung

0.1 μm

Ultraviolet

1.0 μm

Sichtbar

10.0 μm

Nahes Infrarot

Tabakrauch Seesalzaerosol

Gasmoleküle Verbrennungs -prozesse Kohlenstoffpartikel

Typische Partikel- und Molekülgrößen

Viren

Bakterien Dunst (fest oder flüssig)

Staub, Nebel

Partikel Kondensationskerne zur Wolkenbildung Aitenkerne

Nomenklatur Sedimentationsge schwindigkeit [cm/sec]

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

48

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Entstehung von sekundären Aerosolen Gasförmige Aerosolvorläufer

Ammoniak (NH3), Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOX)

SO2 => HSO3 => H2SO4 NO2 => HNO3

Konzentrationen Temperatur atmosph. Stabilität Luftfeuchte Niederschlagsverhältnisse Strahlung

Anorganische sekundäre Aerosole (Ammoniumsulfat und –nitrat) NH4HSO4

(NH4)2SO4

Flüchtige organische Verbindungen (NMVOC)

Komplexe Oxidationsprozesse infolge atmosph. Radikalbildungen (O3, OH, NO3)

Organische sekundäre Aerosole Große Produktanzahl aus zahlreichen Reaktionen, unterschiedliche Lebensdauern

NH4NO3

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich Chemische Umwandlung von Gasen zu Dämpfen

heißer Dampf Kondensation

Die wichtigsten Quell-, Umwandlungs- und Depositionsmechanismen für das atmosphärische Aerosol

Dämpfe (niedriger Dampfdruck)

Primärpartikel Koagulation

homogene Keimbildung

KettenAggregate

Kondensationswachstum der Kerne

Natürliche Emissionen: Bodenerosionen, sea spray, Vulkanausbrüche Anthropogene Emissionen:

Tropfen

Partikel aus mechanischem Abrieb und Umschlagvorgängen, Ascheemissionen aus fossilen Feuerungen

Koagulation Koagu -lation

0.001

0.01

Ausregnen und Auswaschen 0.1

Sedimentation 1

2

10

Aitkenkerne, Nukleationsmode

Akkumulationsmode

Gröbere Partikel

überwiegend thermisch (primär) und sekundär gebildete Primärkeime

überwiegend durch Koagulation gebildet, primär und sekundär

hauptsächlich mechanisch erzeugte Aerosole

Partikeldurchmesser 100

μm

49

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Abhängigkeit der atmosphärischen Verweilzeit von der Partikelgröße

Quelle: Ad-hoc Arbeitsgruppe des DECHEMA/GDCh/DBG Arbeitsausschusses "Chemie der Atmosphäre"

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Anzahl-, Oberflächen- und Volumenverteilung sowie Entstehungsprozesse typischer atmosphärischer Aerosole 6

0

0.8 0.6 0.4 0.2 0

( ΔV / Δlog DP) x10-1

( ΔS/ Δlog DP) x10-3

1.0

Volumen

1

Oberfläche

2

Anzahl

(ΔN / Δlog DP) x10-5

1.2

Anzahl

5 Oberfläche

4

Volumen

3 2 1 0 0.01 Nukleationsmode

0.1 1 10 Partikel Durchmesser, µm Akkumulationsmode

Grobstaub

Quelle: Ad-hoc Arbeitsgruppe des DECHEMA/GDCh/DBG Arbeitsausschusses "Chemie der Atmosphäre"

50

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Modelle der Ausbreitung, chemischen Umwandlung und Deposition von Luftschadstoffen Zweck von Ausbreitungsmodellen: Voraussage von Immissionskonzentrationen und Depositionen Massenbilanz der einzelnen Schadstoffe :

δc i = Qi − S i δt mit

ci Qi Si

Konzentration des Stoffes mit Index i Quellrate für Schadstoff i Senkenrate für Schadstoff i

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Quellen und Senken von Schadstoffen Quellen:

Senken:

•

Emission

•

Deposition

•

Chemische Umwandlungen, bei denen der Stoff ensteht

•

chemische Umwandlungen, bei denen der Stoff umgewandelt wird

•

Advektion: der Stoff wird durch den Wind herantransportiert

•

Advektion: der Stoff wird durch den Wind wegtransportiert

•

Diffusion: der Stoff wird durch turbulente Diffusion angereichert

•

Diffusion: der Stoff wird durch turbulente Diffusion verdünnt

Notwendige Eingangsdaten: •

Emissionsdaten

•

Informationen über die Depositionsrate

•

Informationen über den Wind und die Turbulenz

•

Informationen über Größen, die die Luftchemie beeinflussen, z.B. Temperatur, Feuchte, solare Einstrahlung

51

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Das Boxmodell

Ci : einheitliche Konzentration in der Box

Ca: Qg: gesamte Emissionen

Hintergrundkonzentration außerhalb der Box

Mischungsschicht Höhe h

Windgeschwindigkeit u

Boxbreite x

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Eulersches Modell

1 -10 km

ortsfestes Gitter mit 103-105 Boxen

100 - 2000 km

52

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Das Trajektorienmodell 100 km

Rezeptor Box bewegt sich mit dem Wind

IER

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Lagrange-Partikel-Modell

Δx

Δt u'

Δt

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IER

Gaußsches Fahnenmodell

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IER

Annahmen beim Gaußschen Fahnenmodell • •

• •

Die Quelle emittiert mit konstanter Emissionsrate Q. Das Windfeld ist homogen und stationär, d.h. Windrichtung und Windgeschwindigkeit u sind im ganzen Untersuchungsgebiet und über den Betrachtungszeitraum konstant. Auch die turbulente Diffusion ist räumlich und zeitlich unveränderlich Die Windgeschwindigkeit ist groß genug (u > 1 m/s) daß die Diffusion in Windrichtung gegenüber der Advektion vernachlässigt werden kann.

54

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Immissionsberechnungen beim Gaußschen Fahnenmodell C(x,y,z) = x,y,z

C(x,y,z) Q h σ y, σ z u

kartesische Koordinaten eines Rezeptors horizontal in Windrichtung (x), horizontal senkrecht zu Windrichtung (y) und vertikal über Grund (z). Ursprung des Koordinatensystems am Fuß des Schornsteins. Massenkonzentration des Schadstoffs am Rezeptor (x,y,z) Emissionsmassenstrom des Schadstoffs aus der Emissionsquelle Höhe der Abgasfahne über Grund horizontale und vertikale Standardabweichung der Normalverteilung Windgeschwindigkeit (in Höhe der Abgasfahne)

Mit Reflexion der Fahne: Cr(x,y,z)

1 ( z − h) 2 Q y2 • • exp(− 2 ) • exp(− ) u 2Πσ y z σ z 2σ y 2σ z2

Cr(x,y,z) =

1 ( z + h) 2 Q y2 ) • • exp(− 2 ) • exp(− u 2Π σ y z σ z 2σ y 2σ z2

zusätzliche Massenkonzentration des Schadstoffs am Rezeptor (x,y,z) aufgrund der Reflexion am Boden

Gesamtbilanz:

C (x,y,z) + Cr (x,y,z) = Ctotal(x,y,z)

IER

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Parametersätze zur Bestimmung von σ y und σ z σy = F * xf

σ z = G* xg Meteorologie

F

f

G

g

heißer Sommertag (labile Schichtung)

0,40

0,91

0,41

0,91

klare Nacht

0,31

0,71

0,06

0,71

(stabile Schichtung)

55

IER

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Example for an online Gaussian plume model

http://www.shodor.org/master/environmental/air/plume/index.html

IER

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DREAM – a combined Model http://www.dmu.dk/atmosphericenvironment/WEPTEL/DREAM/ The DREAM (the Danish Rimpuff and Eulerian Accidental release Model) is a comprehensive, high-resolution three-dimensional tracer model, which has been developed for studying short and large scale atmospheric transport, dispersion, and deposition (wet and dry) of radioactive air pollution caused by a single but strong source, as e.g., the Chernobyl accident

2D-Animation

3D-Animation

56

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

The EURAD Model http://www.eurad.uni-koeln.de/index_e.html The EURopean Air Pollution Dispersion (EURAD) model system simulates the physical, chemical and dynamical processes which control emission, production, transport and deposition of atmospheric trace species. EURAD operates a Forecast-Database at: http://db.eurad.uni-koeln.de/prognose/datenbank_e.html

Ozon forecast for Europe for Jan 17, 2003

Ozon forecast for Germany for Jan 17, 2003

IER

Energie und Umwelt Prof. Dr.-Ing. Rainer Friedrich

Ein regelmäßiges Großexperiment zur Emissionsminderung: Das Wochenende Wochengang von AOT40 Tagesmittelwerte, April - September 1990 UMEG Messungen

500 400 300 200 100 0 Montag

Dienstag

Mittwoch

Großstadt: AOT40/Tag [ppb-h] 4 Stationen

Donnerstag

Freitag

Samstag

Mittelwert: AOT40/Tag [ppb-h] 39 Stationen

Sonntag Land: AOT40/Tag [ppb-h] 2 Stationen

57