04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Developing a cloud-based air quality monitoring platform using low-cost sensors(2024) Samad, Abdul; Kieser, Joschka; Chourdakis, Ioannis; Vogt, UlrichConventional air quality monitoring has been traditionally carried out in a few fixed places with expensive measuring equipment. This results in sparse spatial air quality data, which do not represent the real air quality of an entire area, e.g., when hot spots are missing. To obtain air quality data with higher spatial and temporal resolution, this research focused on developing a low-cost network of cloud-based air quality measurement platforms. These platforms should be able to measure air quality parameters including particulate matter (PM10, PM2.5, PM1) as well as gases like NO, NO2, O3, and CO, air temperature, and relative humidity. These parameters were measured every second and transmitted to a cloud server every minute on average. The platform developed during this research used one main computer to read the sensor data, process it, and store it in the cloud. Three prototypes were tested in the field: two of them at a busy traffic site in Stuttgart, Marienplatz and one at a remote site, Ötisheim, where measurements were performed near busy railroad tracks. The developed platform had around 1500 € in materials costs for one Air Quality Sensor Node and proved to be robust during the measurement phase. The notion of employing a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller for the efficient working of a dryer that is used to reduce the negative effect of meteorological parameters such as air temperature and relative humidity on the measurement results was also pursued. This is seen as one way to improve the quality of data captured by low-cost sensors.Item Open Access Feasibility study on the use of NO2 and PM2.5 sensors for exposure assessment and indoor source apportionment at fixed locations(2024) Chacón-Mateos, Miriam; Remy, Erika; Liebers, Uta; Heimann, Frank; Witt, Christian; Vogt, UlrichRecent advances in sensor technology for air pollution monitoring open new possibilities in the field of environmental epidemiology. The low spatial resolution of fixed outdoor measurement stations and modelling uncertainties currently limit the understanding of personal exposure. In this context, air quality sensor systems (AQSSs) offer significant potential to enhance personal exposure assessment. A pilot study was conducted to investigate the feasibility of the NO2 sensor model B43F and the particulate matter (PM) sensor model OPC-R1, both from Alphasense (UK), for use in epidemiological studies. Seven patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) or asthma had built-for-purpose sensor systems placed inside and outside of their homes at fixed locations for one month. Participants documented their indoor activities, presence in the house, window status, and symptom severity and performed a peak expiratory flow test. The potential inhaled doses of PM2.5 and NO2 were calculated using different data sources such as outdoor data from air quality monitoring stations, indoor data from AQSSs, and generic inhalation rates (IR) or activity-specific IR. Moreover, the relation between indoor and outdoor air quality obtained with AQSSs, an indoor source apportionment study, and an evaluation of the suitability of the AQSS data for studying the relationship between air quality and health were investigated. The results highlight the value of the sensor data and the importance of monitoring indoor air quality and activity patterns to avoid exposure misclassification. The use of AQSSs at fixed locations shows promise for larger-scale and/or long-term epidemiological studies.Item Open Access Novel metal mesh filter using water-based regeneration for small-scale biomass boilers(2020) Baumgarten, Björn; Grammer, Peter; Ehard, Ferdinand; Winkel, Oskar; Vogt, Ulrich; Baumbach, Günter; Scheffknecht, Günter; Thorwarth, HaraldParticulate matter emissions are a key issue of modern biomass boilers. A novel gas cleaning method using a metal mesh filter combined with water-based cleaning was developed and tested. The filter was tested batch-wise. Flue gas of a commercial 50-kW boiler was filtered until a pressure drop of 2000 Pa was reached. Afterwards, the filter was regenerated. The initial prototype used ultrasound in order to remove the filter cake from the filter candles. Regeneration was complete and, even after boiler malfunctions producing tar, the filter cake could still be removed. Given the good results, a second cleaning mode, flushing the filter candles with water, was tested. The results were as good as with ultrasonic cleaning. Peak mass collection efficiency was very high with 98 ± 2% (burning wood pellets). However, directly after cleaning, the first layer of filter cake has to be developed. In this initial phase, collection efficiency is low. Service time until maximum pressure drop was reached depended on the gas velocity. Using pellets as fuel, at a gas velocity of 66.6 m/h, 12-h service time was reached and 4.1 g dust was collected per square meter filter surface, while at 33.3 m/h, service time increased to 55 h and collected dust to 13.9 g/m2. Using low-quality wood chips, the raw gas dust loading was much higher but also the maximum loading of the filter was higher with 13.3 to 28.9 g dust separated per square meter. Still, the service time decreased to 3.4 respective 38 h. Peak collection efficiency increased to 99.5 ± 0.8%. The overall collection efficiency including the buildup of the filter cake depends on the gas velocity and fuel. It ranges from 74 ± 4 to 91 ± 1%. The feasibility of the filter concept could be proven, and further development towards a commercial application is in progress. Metal mesh filters with countercurrent cleaning showed a high potential given their simple and robust design, as well as high collection efficiency.Item Open Access Evaluation of a metal mesh filter prototype with wet regeneration(2021) Baumgarten, Björn; Grammer, Peter; Ehard, Ferdinand; Winkel, Oskar; Vogt, Ulrich; Baumbach, Günter; Scheffknecht, Günter; Thorwarth, HaraldWood combustion is a major part of the current efforts to reduce CO2 emissions. However, wood combustion leads to emissions of other pollutants like fine particulate matter. A new option to reduce particulate matter emissions is a metal mesh filter with counter current flushing. An automatic prototype was tested under realistic conditions including starts and stops of the boiler. For regeneration, the filter was flushed using water in opposite flow direction. The water was recycled multiple times to limit water consumption. The results are very promising. Regeneration was successful and no signs of decay could be observed over 419.5 h of operation and 234 regenerations. The filter can be operated during all phases of boiler operation, which is a major step forward compared to alternative secondary measures. Separation efficiency was high with 80-86%, even though the filter showed internal leakage, which reduced the separation efficiency. Additionally, waste products were examined. About 1000 l wastewater can be expected to be produced every month, which could be disposed using the communal waste water system, given the low heavy metal loading. A part of the fine particulate matter is unsoluble and has to be removed from the regeneration water before reuse. The unsoluble fraction contains the majority of heavy metals and has to be disposed as fly ash or used for urban mining. Generally spoken, the metal mesh filter is a new, promising option which can overcome limitations of current secondary measures without increasing costs given its simple and robust construction.Item Open Access Methode zur Bilanzierung von Luftverunreinigungen anhand von Vertikal- und Horizontalprofilmessungen(2010) Vogt, Ulrich; Baumbach, Günter (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu beschreiben, mit deren Hilfe die in einem Untersu-chungsgebiet freigesetzten Emissionen von Luftverunreinigungen durch Messungen in der Außenluft bestimmt werden können. Mit Hilfe von Vertikal- und Horizontalprofilmessungen konnten die Konzentrationsverteilungen im Luv und Lee von Emissionsquellen bestimmt werden. Die Messergebnisse wurden verwendet, um aus den Konzentrationsdifferenzen zu-sammen mit Messergebnissen von meteorologischen Parametern die Massenströme der be-trachteten Luftverunreinigungen zu berechnen und eine Massenbilanz für ein Untersuchungs-gebiet aufzustellen. Auf diese Weise konnten die in den Untersuchungsgebieten freigesetzten Emissionen messtechnisch bestimmt und gleichzeitig durchgeführte Emissionsmodellrech-nungen validiert werden. Die Validierung ist wichtig, da Emissionsmodellierungen in der Luftreinhaltung immer häufiger eingesetzt werden. Einerseits gehen die modellierten Emissi-onen als Eingangsdaten in die immer häufiger verwendeten Ausbreitungsmodellierungen ein, andererseits werden sie auch für Emissionsminderungsszenarien verwendet. Aufgrund der sehr weitreichenden politischen und finanziellen Folgen der Verwendung dieser Emissionsda-ten, ist eine Überprüfung der Richtigkeit der berechneten Emissionen unumgänglich. In dieser Arbeit wurden die Ergebnisse von zwei Experimenten zur Beschreibung der Bilan-zierungsmethode herangezogen. Im ersten Projekt wurde erstmals die Bilanzierung aller frei-gesetzten Luftverunreinigungen einer ganzen Stadt durchgeführt. Es wurden über mehrere Monate Konzentrationsmessungen in und um Augsburg vorgenommen. Die vertikale und ho-rizontale Verteilung der Luftverunreinigungen und der meteorologischen Parameter wurden im Luv und Lee der Stadt mit Hilfe von drei Fesselballonmesssystemen, einem ferngesteuer-ten Luftschiff, zwei Messflugzeugen und weiterer Messtechnik bestimmt. Für den gleichen Zeitraum wurde ein zeitlich, räumlich und stofflich hochaufgelöstes Emissionskataster für die Stadt erstellt. Anschließend wurden die gemessenen und bilanzierten Emissionen mit den mo-dellierten Emissionen verglichen und somit das Emissionsmodell validiert. Die Fesselballon- und Luftschiffmessungen wurden vom IFK bzw. mit Unterstützung des IFK durchgeführt. Die großen Vorteile von Fesselballon- und Luftschiffmessungen haben sich auch bei diesem Experiment bewährt. Allerdings hat sich im Projekt EVA auch herausgestellt, dass eine Stadt wie Augsburg mit ihren ca. 255.000 Einwohnern eine horizontal sehr ausgedehnte Abgasfahne besitzt, die es gilt messtechnisch möglichst komplett zu erfassen. Für eine Stadt dieser Größe reichten die Fesselballon- und Luftschiffmessungen alleine nicht aus, um die ca. 9 km breite Abgasfahne in ausreichender Messdichte zu erfassen. Die Kombination dieser beiden Messsysteme mit Flugzeugmessungen hat sich jedoch zur Erfassung der gesamten Abluftfahne sehr gut bewährt. Der Vergleich der messtechnisch bestimmten mit den model-lierten NOx-Emissionen ergab für die meisten Daten, die sich für eine Auswertung eigneten, eine Übereinstimmung, wenn auch die modellierten Emissionen stets über den auf Messungen beruhenden lagen. Allerdings waren die Unsicherheiten, die sowohl bei den Messungen als auch bei den Berechnungsmethoden und den Emissionsmodellierungen anzusetzen waren, teilweise hoch. Im zweiten Projekt fanden intensive Messungen und Untersuchungen an einer Autobahn statt. Der Vergleich der über die Vertikalprofilmessungen bestimmten NOx-Emissionsfaktoren mit den NOx-Emissionsfaktoren, die über das Emissionsmodell bestimmt wurden, ergab deutliche Abweichungen. Besonders für den Schwerverkehr (HDV) lagen die gemessenen Emissions-faktoren zwischen 20 und fast 100 % über den modellierten Emissionsfaktoren, die auf dem Handbuch für Emissionsfaktoren (HBEFA Version 1.2) basierten. Aufgrund dieser Erkennt-nisse wurden die Emissionsfaktoren für den Schwerverkehr (HDV) angepasst und liegen nun in der aktuellen Version 2.1 entsprechend höher. Der Vergleich der VOC-Emissionsfaktoren ergab sehr gute Übereinstimmung für die Komponenten BTX – Benzol, Toluol, Xylole - da für diese Komponenten den Emissionsmodellen genügend Messdaten zugrunde liegen. Für weitere VOC-Komponenten traten teilweise sehr große Abweichungen zwischen den gemes-senen und den modellierten Emissionsfaktoren auf, wobei die gemessenen Emissionsfaktoren grundsätzlich höher ausfielen als die modellierten. Die Abweichungen lagen für manche Komponenten im Bereich von Faktor sechs bis 20! Der Grund ist in der dünnen Datenlage für die für die Emissionsmodellierung zur Verfügung stehenden VOC-Emissionsfaktoren zu su-chen. Alle Partikel-Emissionsfaktoren, die im Projekt BAB II bestimmt wurden, lagen in der gleichen Größenordnung wie die zum Vergleich verfügbaren Literaturwerte. Für die aktive Partikeloberfläche lagen die im Projekt BAB II ermittelten Werte etwas über den Literatur-werten, für alle anderen berechneten und verglichenen Partikelparameter lagen die im Projekt BAB II ermittelten Emissionsfaktoren innerhalb der maximalen und minimalen Vergleichs-werte. Der Vergleich der Emissionsfaktoren von Rußpartikeln ergab eine sehr gute Übereinstimmung sowohl im direkten Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Emissions-modellierung im Projekt BAB II als auch im Vergleich mit Literaturwerten.Item Open Access Concept of using an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for 3D investigation of air quality in the atmosphere - example of measurements near a roadside(2022) Samad, Abdul; Florez, Diego Alvarez; Chourdakis, Ioannis; Vogt, Ulrich