Methode zur Bilanzierung von Luftverunreinigungen anhand von Vertikal- und Horizontalprofilmessungen

Abstract

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.

The purpose of my thesis is to describe a method which allows for the determination of pol-lutant emissions within a particular area under investigation through ambient air measure-ments. The concentration distributions of sources of emission on the windward and lee side were defined through vertical and horizontal profile measurements. On the basis of the con-centration differences from these results and in combination with meteorological parameters, mass flows of the examined air pollutants were calculated and a mass balance was established. This is how the emissions within the area under investigation could be determined meteorologically and model calculations of the emissions, conducted simultaneously, were validated. This validation is important as emission models are used more and more frequently in the field of air pollution control. On the one hand, modelled emissions are included as input data into the more and more common dispersion models and on the other hand, they are needed for emission reduction scenarios. As the political and financial consequences of using these emission data are significant, it is inevitable to verify the accuracy of the calculated emissions. This thesis uses the results of two experiments to describe the balancing method. In the first project, the balancing of all emitted air pollutants was conducted for the first time for a whole city. Concentration measurements had been carried out for several months in and around Augsburg. The vertical and horizontal distribution of air pollutants and of meteorological pa-rameters was determined on the city's windward and lee side by means of three tethered bal-loon measurement systems, a remote controlled airship, two aircrafts and further measurement equipment. For the same time period, an emission inventory was established for the city in a high temporal, spatial and substantial resolution. The measured and balanced emissions were then compared with the modelled results, and thus validated the emission model. The tethered balloon and airship measurements were carried out or supported by the IFK. The big advantages of conducting measurements with a tethered balloon or an airship have shown themselves in this experiment as well. What the EVA project has also shown, however, is that a city like Augsburg with a population of about 255,000 has a horizontally very broad exhaust gas plume, which is to be measured as completely as possible. For such a big city, tethered balloon and airship measurements were not enough to gather sufficient measurements for the determination of an exhaust gas plume of 9 km. What has proven itself for the determination of the complete plume, however, is the combination of these two measurement systems with aircraft measurements. The comparison of measured NOx emissions with modelled ones gave equal results for most data which were suitable for an analysis, although the modelled values were constantly higher than the measured ones. But the instabilities for both the measurements and the calculation methods and emission models have partially been significant. In the second project, extensive measurements and analyses were carried out along a motor-way. The comparison of the NOx emission factors determined through vertical profile meas-urements with the NOx emission factors determined through an emission model revealed sig-nificant deviations. The deviations for heavy traffic were particularly important, with the measured emission factors being 20 % to almost 100 % higher than the modelled emission factors based on the Manual for Emission Factors (Handbuch für Emissionsfaktoren, HBEFA, Version 1.2). Following these results, the emission factors for heavy traffic have been read-justed upwards in the current version (2.1). The comparison of the VOC emission factors gave a very high consistency for the BTX components - benzene, toluene and xylene - as sufficient measurement data have been available for the emission models there. Other VOC components partly showed significant deviations between the measured and the modelled emission factors, with the measured factors lying principally higher than the modelled ones. The deviations for some components were six to 20 times higher! The reason for this is the fact that the data for the VOC emission factors available for the emission models have not been sufficient. All particle emission factors, which were determined in the BAB II project, were about the same scale as the reference values. The values for the active particle surface, determined in the BAB II project, were slightly higher than the reference values. For all other calculated and compared particle parameters, the emission factors determined in the BAB II project stayed within the maximum and minimum reference values. The comparison of the emission factors of soot particles gave a very high consistency both in the direct comparison of the measurements with the results from the emission models of the BAB II project and in their comparison with reference values.