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Montag, 22. Januar 2018

Luftschadstoffe

Nachholbedarf bei Forschung

Von Ralph H. Ahrens | 2. November 2017 | Ausgabe 44

Die Masse emittierten Feinstaubs geht zurück. Über die Belastung mit Ruß ist wenig bekannt.

w - Brennpunkt Feinstaub BU
Foto: dpa Picture-Alliance/Sina Schuldt

Messungen der Feinstaubkonzentration an der Station Neckartor in Stuttgart.

Gute Nachrichten bei einem heftig diskutierten Thema: In Deutschland gingen Feinstaubemissionen von 1995 bis 2015 deutlich zurück. Die Masse an emittierten PM10-Partikeln sank um ein Drittel auf 221 000 t, die der PM2,5-Fraktion halbierte sich auf 100 000 t. Diese Trenddaten (s. Grafik und Tabelle) stammen, was den Verkehr angeht, vom Institut für Energie- und Umweltforschung (Ifeu) in Heidelberg, das sie seit 1993 für das Umweltbundesamt (UBA) mithilfe des Computerprogramms Tremod (s. Kasten) berechnet.

Feinstaub

Auch bei der Feinstaubkonzentration in der Umgebungsluft ist der Trend rückläufig. Dies lässt sich daran ablesen, dass die Überschreitungen der kritischen Schwelle für den PM10-Tagesgrenzwert von 50 µg/m3, die nicht häufiger als 35-mal jährlich überschritten werden darf, tendenziell zurückgehen. Bei mehr als 35 Überschreitungen gilt der Grenzwert in dem entsprechenden Jahr als überschritten. Wurde 2013 bundesweit noch an zwölf stark befahrenen Straßen der Grenzwert mehr als 35-mal überschritten, war dies 2016 nur noch am Stuttgarter Neckartor der Fall.

Tremod

Gebrandmarkt für diese Feinstaubemissionen werden meist Fahrzeuge, die Diesel tanken, obwohl auch deren Emissionswerte laut Trendtabelle seit Jahren stetig zurückgehen. Dies hat unter anderem einen Grund: So hat die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) der WHO Dieselruß 2012 als krebserregend für Menschen eingestuft.

Die Größe dieser Rußpartikel bewegt sich im submikronen Bereich (1 µm). Bei der Entstehung im Verbrennungsprozess liegt die Größe bei 10 nm bis 50 nm, also im Bereich der ultrafeinen Partikel (100 nm, siehe auch VDI nachrichten vom 20. 10. 2017, Seite 16 und 17). Kein anderer Feinstaub wurde bislang vergleichbar eingestuft – außer, er enthält Substanzen wie Benzo(a)pyren, die ebenfalls als krebserregend gelten.

Generell abwärts weisen die Feinstaubemissionen der PM10-Fraktion in Deutschland von 1995 bis 2015, angegeben in kt. Auffällig ist, dass der Trend bei Energieemissionen, dazu gehört auch der Verkehr, stetig abwärts weist. Dies gilt auch für die PM2,5-Fraktion. Emissionen aus Industrieprozessen sind in den letzten Jahren wieder erhöht, die der Landwirtschaft stiegen sogar seit 1995 kontinuierlich an.

Alle Pkw, Lkw, Busse und Motorräder emittierten 2015 laut Tremod-Modell gut 8600 t PM2,5. „Mehr als 80 % davon stammen aus Dieselfahrzeugen“, so Marcel Langner, Luftreinhaltefachmann des UBA. Etwa 60 % der 8600 t sind Rußpartikel aus Diesel- und Ottomotoren.

Feinstaubmessung: Die EU verlangt, die Luftbelastung durch PM10 seit 2000 und die durch PM2,5 seit 2008 zu überwachen. Dies geschieht in Deutschland an weit mehr als 300 Standorten für PM10 und an mehr als 180 für PM2,5. Wie Feinstaub gemessen wird, legt die EU in der Luftqualitätsrichtlinie von 2008 fest, in Deutschland in der 39. BImSchV.

Die Messungen nehmen die Länder vor. Das NRW-Landesumweltamt Lanuv zum Beispiel prüft zurzeit an 65 Standorten mit mehreren Methoden die PM2,5- und PM10-Gehalte in der Luft. An 32 Standorten geschieht dies durch das gravimetrische Referenzverfahren: Stündlich werden dazu 55 l Luft durch ein Messgerät gesaugt.

Ein Filterkopf trennt Partikel ab, die größer als 10 µm bzw. als 2,5 µm sind. Wird PM10 gemessen, wird die Luft über kreisrunde Filter gezogen. Wird PM2,5 untersucht, wird die Luft durch Glasfaserfilter geleitet. Den PM10-Tagesmittelwert und die Jahresmittelwerte bestimmen Fachleute danach in klimatisierten Labors: Sie wiegen die Filter mit und ohne Staubbeladung.

An 59 Standorten wird die Feinstaubbelastung im 5-s-Takt bestimmt – durch ein als gleichwertig nachgewiesenes, automatisiertes Verfahren. Aus diesen Werten werden Mittelwerte errechnet und „wir können auch die verkehrsbedingten Belastungsspitzen am Morgen und am Nachmittag nachweisen“, so Klaus Vogt, Leiter des Fachbereichs Luftqualitätsmessnetz im Lanuv.

Dazu wird gemessen, wie stark sich die Strahlung eines 14C-Beta-Strahlers beim Durchgang durch den mit Staub beladenen Filter abschwächt. An 34 Standorten wird zusätzlich per Lichtreflexion festgestellt, wie viel Staub in der angesaugten Luft vorhanden ist.

Gesundheitliche Relevanz: Die Messwerte für Immissionen der Fraktionen PM2,5 und PM10 werden als Massenkonzentrationen angegeben. Auch die Trendtabellen arbeiten mit der Masse des Feinstaubs in Kilotonnen (kt). Das Problem: Die Masse spiegelt die Gesundheitsgefahr nicht unbedingt richtig wider. Die Anzahlkonzentration wäre ein signifikanterer Indikator. Zudem besteht der Feinstaub aus einem Gemisch unterschiedlich gefährlicher Inhaltsstoffe.

„Sinnvoll ist daher, die besonders gefährlichen Anteile zu erkennen und zu senken“, erklärt Stefan Jacobi. Der Vorsitzende der Arbeitsgruppe „Messen von Partikeln in der Außenluft“ der VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) verweist auf den VDI-Statusreport „Ruß im luftgetragenen Feinstaub“ aus dem Jahr 2016.

Fachleute schauen sich bereits Partikelzusammensetzung und -größe genauer an. So können sie näherungsweise den Rußanteil aus dem Verbrennen fossiler Quellen wie Diesel und dem aus dem Verbrennen von Biomasse getrennt voneinander mit optischen und thermischen Verfahren bestimmen.

Auch die Partikelgröße kann relevant sein, ergänzt Langner. Massebasierte Messmethoden erfassen zwar auch die Masse ultrafeiner Partikel, aber nicht deren Anzahl. „Deren mögliche Bedeutung kann damit nicht richtig eingeschätzt werden.“

Black Carbon (BC) ist jener Anteil im Feinstaub, der optisch als Schwärze gemessen wird. Generell gilt: Ruß aus fossilen Quellen ist schwärzer als der aus Biomasse. Moderne Geräte unterscheiden zwischen BC-Partikeln und jenen aus „braunem Kohlenstoff“.

Foto: VDI nachrichten

Mengenmäßig sind die Direktemissionen von Pkw nur ein relativ kleiner Anteil. Die Feinstaubfraktionen für PM10 von Reifen- und Brems- sowie Straßenabrieb sind deutlich höher. Das ändert sich, je kleiner die betrachteten Feinstaubteilchen werden.

Für die UBA-Trenddaten schätzt das Ifeu den BC-Anteil am Gesamtstaub ab. So nimmt das Institut an, dass Feinstaub im Abgas filterloser Diesel-Pkw, die die Euro-3-Norm erfüllen, zu 85 % aus BC besteht, im Abgas von Diesel-Pkw mit Filtern nur noch zu 10 %. Nach solchen Annahmen sank der BC-Anteil in der Umwelt von 2000 bis 2015 um mehr als 60 % auf knapp 14 000 t – der in Kfz-Abgasen gar um fast 75 % auf 5400 t. Doch fehle ein einheitliches Verfahren zur BC-Bestimmung, bemängelt Langner. BC-Messungen sind also per se nicht vergleichbar.

Als elementarer Kohlenstoff (EC) wird jener Rußanteil aus fossilen Quellen bezeichnet, der thermisch bestimmt wird. Hierfür gibt es seit Juni 2017 die Norm DIN EN 16 909 zur Außenluftmessung von auf Filtern gesammeltem elementaren und organischen Kohlenstoff. Ausgenutzt wird dabei, dass Ruß aus organischem Kohlenstoff (entsteht beim Verbrennen von Biomasse) bei niedrigeren Temperaturen verbrennt als EC. Die Menge der jeweiligen Rußfraktion wird dann unabhängig voneinander bestimmt.

Der VDI empfiehlt daher, PM2,5- und PM10-Messungen durch BC- oder EC-Messungen zu ergänzen. „Diese können helfen, die Belastung mit Ruß aus Kraftfahrzeugen aber auch aus anderen Quellen besser abzuschätzen als bisher“, so KRdL-Experte Jacobi. UBA-Mann Langner hält sogar ein verpflichtendes EU-weites Monitoring dieses Rußes für sinnvoll. Bislang werde nur vereinzelt gemessen, epidemiologische Studien seien so nicht möglich.

Auch ultrafeine Partikel (UFP) werden selten gemessen – „Gesundheitsgefahren können auch von anderen Feinstaubpartikeln als Dieselruß ausgehen“, gibt Jürgen Schnelle-Kreis zu bedenken. Der Chemiker vom Münchener Helmholtz-Zentrum für Gesundheit und Umwelt nennt Beispiele. So bilden sich Nanopartikel im Motorraum von Benzinern mit Direkteinspritzung. Auch der mineralische Abrieb aus Bremsbelägen enthält viele Partikel, die kleiner als 100 nm sind.

Zudem werden in Holzheizungen Nanopartikel frei: Sie sind im Brennraum im Mittel etwa 60 nm groß. Diese agglomerieren im Schornstein; der emittierte Rauch besteht zu 90 % aus Partikeln, die kleiner als 1 µm sind. Wie gesundheitsschädlich diese sind, ist unklar. Antworten fehlen noch. swe

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