Archiv des Autors: Ernesto Ruge

Bericht: Feinstaubsensor-Workshop im Umspannwerk Recklinghausen

Beim nunmehr elften Feinstaubsensor-Workshop, dessen Teilnehmer beim Zusammenbauen des Sensors unterstützt und mit entsprechendem Hintergrundwissen ausgestattet wurden, konnte die Marke von 300 Bausätzen überschritten werden. Eine Resonanz, von der selbst die Organisatoren vom Netzwerk ruhrmobil-E überrascht sind, durch die aber das allgemeine Interesse an dem Thema deutlich wird.

Umweltwissenschaftler Frank Heuer liefert Informationen zu Feinstaub und zum Sensor.

In den vom Museum „Umspannwerk Recklinghausen“  zur Verfügung gestellten Räumen fanden sich insgesamt 15 Teilnehmer von Gladbeck bis Dortmund und Olfen bis Hagen ein, um insgesamt 35 Sensoren, insbesondere für das nördliche Ruhrgebiet, in Betrieb zu nehmen.

Auffällig: nur zwei Teilnehmer hatten jeweils „nur“ einen Bausatz geordert, den sie bei sich privat einsetzen werden, um die Luftqualität zu messen. Alle übrigen Teilnehmer haben weiter gehende Pläne: von Vertretern einer Bürgerinitiative, welche die Messungen mangels öffentlicher Messstellen selbst in die Hand nehmen wollen, bis zu einem Generationen übergreifenden Projekt.

Konzentriertes Arbeiten: Nur sieben Kabel müssen gesteckt werden – aber es ist wichtig, korrekt zu stecken.

So war ein kurz vor dem Ruhestand stehender Großvater mit seinem 12-jährigen Enkel erschienen, um gemeinsam zwei Feinstaubsensoren aufzubauen und sie demnächst an ihren verschiedenen Wohnorten im Ruhrgebiet als Messstelle zu betreiben und zu vergleichen – an diesem historischen Ort der Energieverteilung konnte man förmlich den „Funken der Technikbegeisterung“ zwischen beiden überspringen sehen.

Praxisnahen IoT-Devices wie dem Feinstaubsensor wecken das Interesse aller Generationen.

Um die mit dem Sensor gemessenen Daten fachlich besser einordnen zu können, erhielten die Teilnehmer vorab mittels eines Vortrags Einblicke in das Wesen von Feinstaub, dessen Wirkung auf den menschlichen Körper, die Messmethodik und die klimatologischen Prinzipien, welche seine Konzentration an der Messstelle beeinflussen.

Das Netzwerk der Feinstaubsensoren im Ruhrgebiet wird größer. Umweltmesstechnik in Bürgerhand – diese Idee wird sich weiterentwickeln.

Unterstützer des Workshops: Dipl.-Umweltwiss. Frank Heuer (Vortrag), Thomas Brämer (Technik), Wolfgang Rode (Moderator).

Feinstaub: Woher kommt er, wie gefährlich ist er und wie kann man ihn messen?

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt einige Kernaspekte der Verursachung, Wirkung, Messung, Belastung und Einflussgrößen von atmosphärischem Feinstaub dar. Er gibt dabei einen groben Überblick, bietet aber durch die Quellangaben am Ende jedem die Möglichkeit, tiefer in die Materie einzusteigen.

Das Wissen über die hier dargestellten Zusammenhänge sind für das Verständnis des Projektes zur Feinstaubmessung so grundlegend, dass jeder Projektbeteiligte sich die Zeit nehmen sollte, sie zu erkunden.

So ist Feinstaub unter anderem anhand seines aerodynamischen, und nicht seines tatsächlichen Durchmessers definiert. Der aerodynamische Durchmesser ist als Vergleichswert geeignet, da er den Vergleich auch geometrisch unterschiedlicher Partikel ermöglicht.

Quellen für Feinstaub sind nicht nur vom Menschen verursacht (anthropogen) sondern auch natürlich bedingt (Pollen, Pilzsporen). Neben den primären Feinstäuben, die am Entstehungsort direkt und punktuell emittiert werden, existieren sekundäre Feinstäube, die erst durch Vorläufersubstanzen in der Atmosphäre neu entstehen. Die Vorläufersubstanzen können dabei vom Menschen verursacht sein.

Feinstaub wirkt auf den Menschen, aber nicht nur auf diesen. Der wichtigste Wirkungsweg beim Menschen ist der Atemweg. Über diesen werden täglich mindestens 20.000 Litern Luft und der darin enthaltene Feinstaub aufgenommen. Je kleiner der Feinstaub, umso tiefer dringt er in die Lunge ein und kann bei Partikel < 2,5μm (PM2.5) bis in die Aveolen vordringen. Noch feinere Partikel treten in die Blutbahn über, wo sie Entzündungen verursachen.

Dies führt deutschlandweit zu geschätzten 45.000 Todesfällen durch Feinstaub, bedingt durch Herz- Kreislauf-Erkrankungen und Lungenkrebs.

Es gibt zahlreiche Verfahren zur Messung von Feinstaub, die sich in kontinuierliche und diskontinuierliche Methoden einteilen lassen. Das im Projekt verwendete kontinuierliche Verfahren beruht auf der Streuung von Laserlicht an Staubpartikeln. Da bei Immissionsmessungen die Zusammensetzung des Feinstaubs und daher seine optischen Eigenschaften nicht bekannt sind, ist die Messung mit einer hohen Fehlerquote behaftet. Durch Luftfeuchtigkeit quellen manche Partikel auf, so dass auch hier eine Störung der Messung stattfindet.

Neben der Emissionsmenge oder der atmospärischen Neusynthese von Feinstaub gibt es weitere Einflussgrößen, welche die tatsächliche Konzentration beeinflussen. Einen wesentlichen Einfluss hat die Wetterlage, z.B. die Stabilität der Atmosphäre, welche von der aktuellen Temperaturänderung mit der Höhe in Vergleich zur trochen- bzw. feuchtadiabatischen Temperaturänderung abhängt.

Eine Extremfall der stabilen Schichtung ist die Inversionswetterlage, die zu einer starken Anreicherung von Schadstoffen in der bodennahen Atmosphäre führen kann.

Der Wind beeinflusst ebenfalls die Konzentration, da ein starker Wind für eine gute Durchmischung sorgt und ggf. Frischluft in die Stadt bringt. Die Stärke des Windes wird von der Rauhigkeitslänge des Geländes beeinflusst, so dass in der Stadt mit einer großen Rauhigkeitslänge bodennah weniger Wind herrscht als in der freien Landschaft.

Regen als Niederschlag wirkt wie eine Waschanlage der Luft. Nach einem Regenereignis ist die Feinstaubkonzentration deutlich geringer als vorher. Dieser Effekt hält auch wenige Tage nach dem letzten Regenereignis an.

Was ist Feinstaub?

Die Definition allein ist nicht einfach, da unterschiedliche Ansätze in der Literatur zu finden sind. In Deutschland existiert als gesetzlicher Rahmen zur Immission von Feinstaub und anderer Stoffe das Bundes-Immissonsschutzgesetz und die dazu gehörende mittlerweile „Neununddreißigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen (39. BimSchV)“.

Fachlichen Diskussionen finden vor dem Hintergrund dieser Verordnung statt, in welcher zwischen PM10 und PM2.5 Partikel unterschieden wird. Diese sind in der 39. BimSchV wie folgt definiert:

PM10 sind Partikel, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 Mikrometern einen Abscheidegrad von 50 Prozent aufweist

und

PM2,5 sind Partikel, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 2,5 Mikrometern einen Abscheidegrad von 50 Prozent aufweist

Warum wird hier der aerodynamischem Durchmesser verwendet und nicht der tatsächliche? Worin unterscheiden sich diese?

Das wird deutlich, wenn man Feinstaub unter dem Mikroskop betrachtet (Abbildung 2). Der Staub ist selten kugelig geformt sondern oft eher vieleckig, oval, länglich. Hinzu kommt, das die Dichte von Staubpartikeln unterschiedlich ist (Rußpartikel anders als Metallstaub). Um aber Feinstaubmessungen bei verschiedenen Stäuben vergleichen zu können, wird nicht der tatsächliche Durchmesser verwendet (der ja auch nur bei Kugeln gegeben ist), sondern eine Hilfsgröße, eben der aerodynamische Durchmesser.

„Der aerodynamische Durchmesser ist als abstrakte Größe zur Beschreibung des Verhaltens eines gasgetragenen Partikels eine Hilfsgröße in der Partikelmesstechnik.

Der aerodynamische Durchmesser ist definiert als der Durchmesser eines kugelförmigen Partikels mit der Dichte 1 g/cm3, der dieselbe Sinkgeschwindigkeit aufweist wie das zu betrachtende Partikel.“ [WIKIP 1]

Anzumerken ist, dass zum Feinstaub nicht nur feste Stoffe gehören sondern auch bei Lufttemperatur flüssige Stoffe, die als Aerosole ebenfalls Bestandteil der Luft sind.

Woher kommt Feinstaub?

Zum einen entsteht Feinstaub durch Prozesse, die der Mensch betreibt, unmittelbar. So kann es sich um die Verbrennung von Diesel in einem Dieselmotor, die Verbrennung von Holz in einem Kamin oder andere Verbrennungsprozesse handeln. Auch der Reifenabrieb im Straßenverkehr gehört dazu.

Weitere Prozesse sind die Schüttung von oder das Hantieren mit mineralischen Stoffen, wie Steine, Erden oder Zement, die in trockenem Zustand zu einer Freisetzung von Feinstaub führen.

Neben diese von Menschen verursachten (anthropogenen) Feinstäuben existieren auch solche natürlichen Ursprungs, wie z.B. Pollen oder Pilzsporen die innerhalb der Jahreszeiten unterschiedlich stark emittiert werden.

Alle diese Feinstäube werden am Ort ihrer Entstehung freigesetzt und somit als primärer Feinstaub bezeichnet.

Zum anderen entstehen durch chemische Prozesse in der Atmosphäre aus zwei oder mehreren Ausgangsstoffen neue Verbindungen, die ebenfalls Feinstaubcharakteristik aufweisen (sekundäre Feinstäube).

  • Primäre Feinstäube: Am Entstehungsort freigesetzte Feinstäube
    • anthropogen: Strassenverkehr, Schiffsmotoren, Reifenabrieb, Schüttungen
    • natürlich: Pollen, Pilzsporen, Viren
  • Sekundäre Feinstäube: Freisetzung von Vorläufersubstanzen, Neusynthese in der Atmosphäre
    • Ausgangsstoffe teils anthropogen, z.B. Ammoniak aus der Gülleausbringung der Massentierhaltung
Abbildung 1: Quellen von Feinstaub.

Abbildung 1: Quellen von Feinstaub.

Die verschiedenen Quellen der primären Feinstäube sind in Abbildung 1 dargestellt. In Abbildung 2 sind Pollen dargestellt. Man erkennt sehr gut, dass sie nicht nur unterschiedlich groß sind sondern vor allem auch unterschiedliche Formen und Oberflächenstrukturen aufweisen.

Abbildung 2: Pollen unterschiedlicher Form und Größe

Abbildung 2: Pollen unterschiedlicher Form und Größe

Welche Menge an Feinstaub oder dessen Vorläufersubstanzen werden freigesetzt?

Nach dieser qualitativen Betrachtung der Feinstaubquellen muss auch eine quantitative Betrachtung erfolgen. Zu den anthropogenen primären Feinstäuben hat das Umweltbundesamt statistische Zahlen bezogen auf das Bundesgebiet veröffentlicht (Abbildung 3). Man erkennt, dass bei PM10 die absolute Menge der Emissionen von 316.000 Tonnen in 1995 auf 221.000 Tonnen in 2014 zurückgegangen ist. Man erkennt außerdem den unterschiedlichen Anteil, den die verschiedenen Quellen an dieser Tonnage haben und wie sich ihr Verhältnis zueinander entlang der Jahre verändert.

Abbildung 3: Staub (PM10)-Emissionen nach Quellkategorien [UBA 1]

Bei den sekundären Feinstäuben, also solche, die erst durch chemische Vorgänge in der Luft entstehen, hat die Deutsche Umwelthilfe (DUH) Zahlen zur Emission der Vorläufersubstanz Ammoniak veröffentlicht. Die DUH bezieht sich dabei auf eine Studie des Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS), Potsdam, aus 2016, in der eine Emission von 671.000 Tonnen Ammoniak p.a. genannt sind [IASS 1]. Eine Einschätzung hingegen, wie viel davon letztlich zu einer entsprechenden Mengen an Feinstaub synthetisiert wird, fehlt in der Studie. Möglicherweise fehlen hier entsprechende Forschungsergebnisse. Abbildung 3: Staub (PM10)-Emissionen nach Quellkategorien [UBA 1]

Wie wirkt Feinstaub?

Im Rahmen dieses Beitrags, das vorab erwähnt, wird nur von der Wirkung auf den Menschen gesprochen. Eine Wirkung auf Tiere oder Pflanzen wird hier nicht betrachtet, obwohl sie vorhanden ist.

Bei der Wirkung auf den Menschen ist entscheidend, von welchem Wirkungsweg man ausgeht. Auch hier wird in diesem Artikel nur der Wirkungsweg „Atemweg“ betrachtet. Aufnahme von Partikeln über die äußere Haut oder durch Verschlucken sind nicht Gegenstand der Betrachtung.

Wirkung über den Atemweg

Betrachtet man den Atemwege als Eintrittspforte, so kann man basierend auf dem Atemvolumen und der Atemfrequenz im Ruhezustand eines Erwachsenen errechnen, dass pro Tag ca. 20.000 Liter Luft eingeatmet wird [LUNG 1]. Bei körperlicher Belastung kann diese Menge auf das 10fache ansteigen.

Aus der Menge der eingeatmeten Luft und der Konzentration der Feinstäube in diese Luft ergibt sich die aufgenommene Menge.

Innerhalb des Atemweges gelangen die Partikel unterschiedlich tief in die Lunge. Partikel > 2.5μm werden im Nasen-Rachenraum und den oberen Bronchen abgefangen und ggf. durch die Flimmerhärchen wieder nach oben transportiert.

Partikel < 2,5μm sind Lungen- und letztlich alveolengängig. Ultrafeine Staubpartikel gelangen durch die Alveolenwand (Abbildung 4) schließlich in die Blutbahn und werden somit im Körper verdriftet.

Abbildung 4: Alveolen der Lunge

Hier richten Sie als Fremdkörper ihre wahres Unheil an, indem sie als Fremdkörper ein Abwehrreaktion des Körpers hervorrufen und somit zu Entzündungen im Blutsystem führen. Sie setzen es unter Stress und können Ursache für Schlaganfälle und ähnliches sein (Abbildung 5).

Abbildung 5: Blutgerinnsels, das zu einer Embolie führt

Verschiedene vom LANUV genannte Kohortenstudien weise allen in dieselbe Richtung. Feinstaub führt bei einer Langzeitbelastung zu einer Zunahme von Herz-Kreisklauf-Erkrankungen und den damit verbundenen Todesursachen [LANUV 1].

Eine dieser Kohortenstudien wurde auch im Ruhrgebiet durchgeführt [LANUV 2].

Das Umweltbundesamt spricht von ca. 45.000 geschätzten Todesfällen durch Feinstaub jährlich auf die Bundesrepublik bezogen [UBA 2]. Als weitere wichtige Todesursache in Folge von Feinstaub ist Lungenkrebs zu nennen. Diese Fallzahlen sind in der o.g. Zahl von 45.000 enthalten.

Wie wird Feinstaub gemessen?

Es gibt eine Vielzahl von Messmethoden für Feinstaub, die sich anhand ihres Messprinzips wie folgt einteilen lassen:

  • Mikroskopische Verfahren
  • Verfahren mittels Wechselwirkung mit Licht
  • Verfahren basierend auf elektrischen Eigenschaften
  • Sedimentation
  • Sortierung und Klassifikation

Des weiteren kann man die Methoden in zwei Gruppen aufteilen. Die erste Gruppe umfasst die zeitlich kontinuierlichen, die Zweite die nicht kontinuierlichen Einzelmessungen. Bei letzteren wird i.d.R. eine Menge an Feinstaub ermittelt, die über einen bestimmten Zeitraum angefallen ist, also eine Feinstaubsumme über die Zeit [MICRO 1].

Auf alle dieser unterschiedlichen Methoden einzugehen, würde den Rahmen dieses Artikels übertreten. Es wird daher nun ein häufig bei kontinuierlichen Messungen verwendetes Verfahren, das Laser-Streulicht-Verfahren, dargestellt, da es auch in diesem Projekt zum Einsatz kommt.

Wie funktioniert das Laser-Streulicht-Verfahren?

Bei der Messung mittels Laser durchströmen, durch eine Pumpe oder Lüfter verursacht (rechter Bereich von Abbildung 6) die unterschiedlichen Feinstaubpartikel eine Messkammer, durch die ein Laserstrahl bekannter Wellenlänge und Stärke gesendet wird. Verschiedene optische Anordnungen enden das von den Partikeln beeinflusste Licht an einen Photodetektor, dessen Signalhöhe von der Konzentration der Partikel näherungsweise abhängt.

Abbildung 6: Aspekte der Feinstaubmessung mit Laserstrahlen

Betrachtet man ein einzelnes Feinstaubpartikel unter einem Mikroskop, so kann man folgende Eigenschaften beschreiben: Farbe, Form, Transparenz, Oberflächenstruktur. Diese haben, wie im linkten Bereich von Abbildung 6 zu sehen, unterschiedlichen Einfluss auf die Art, wie auftreffendes Licht, sei es von einem Laser, reflektiert, gebrochen oder gestreut wird. Ein blaufarbiger Partikel wird orangefarbiges Licht anders absorbieren oder reflektieren als ein rotfarbiger. Ein transparentes Partikel, z.B. Quarzstaub, kann vom Laserstrahl auch durchdrungen werden, woraus ein anderes optisches Verhalten resultiert als bei einem Rußpartikel, welcher undurchsichtig ist.

Aus diesem Grund werden Feinstaubsensoren diesen Typs anhand eines Staubes bekannter Zusammensetzung und Konzentration kalibriert.

Aus dem Signal des Photodetektor kann dann, nachdem eine Kalibrierung durchgeführt wurde, auf die Konzentration geschlussfolgert werden.

Wie genau sind die Messwerte?

Bei der kontinuierlichen Messung mittels Laser gibt es viele Störfaktoren. Bei der Immissionsmessung können z.B. keine Vorhersagen zur konkreten Zusammensetzung des Staubs und dessen konkreten optischen Eigenschaften gemacht werden. Diese Eigenschaften beeinflussen aber das auf den Sensor auftreffende Streulicht enorm. Die bei anderen Messverfahren üblichen akzeptierten 5% Ungenauigkeit werden hier deutlich überschritten.

Außerdem ist zu beachten, dass bei einigen Messverfahren der Luftstrom zunächst getrocknet wird, bevor er auf den Sensor trifft. Damit soll erreicht werden, dass durch die üblicherweise vorhandene Luftfeuchtigkeit aufgequollene Partikel wieder ihre ursprüngliche Größe erreichen. Dies wird jedoch mit dem Nachteil erkauft, dass flüchtige Stoffe bei diesem Verfahren verdampfen, was ebenfalls das Messergebnis verfälschen kann. Die Wirkung der Feuchtigkeit auf den Feinstaub verfremdet daher die Messergebnisse ebenfalls.

Welches sind die Einflussgrößen der Konzentration?

Bei luftgetragenen Umweltschadstoffen hat i.d.R. die „Wetterlage“ den größten Einfluss auf die momentan am Messort herrschende Konzentration. Hierbei ist unter Wetterlage die an einem konkreten Ort und seiner Umgebung herrschende physikalische Zusammensetzung der Atmosphäre in Kombination mit Niederschlag und Wind gemeint.

Gasgleichung

Für das weitere Verständnis muss zunächst eine der grundlegenden Gleichungen, bezogen auf gasförmige Medien, erklärt werden, die Gasgleichung. Sie stellt die Stoffmenge n, den Druck p, das Volumen V, die Gaskonstante Rm und die Temperatur T in Bezug [WIKIP 2]. Sie lautet:

p ∙ V = n ∙ Rm∙ T

Das scheint manchen nicht verständlich, ist aber einfach, wenn man sich z.B. gedanklich einen Schnellkochtopf mit Luft vorstellt. Stellt man ihn auf die heiße Herdplatte, so nimmt in ihm die Temperatur zu, die Menge an Luftmolekülen in ihm und das Volumen des Topfes ändert sich aber nicht. Damit die Therme mathematisch auf beiden Seiten des Gleichheitszeichens jedoch weiterhin denselben Betrag liefern, geht die Erhöhung der Temperatur folglich mit einer Erhöhung des Druckes einher. Das ist eine Beobachtung, die man an einem Schnellkochtopf oder einer Dampfmaschine sofort erkennt.

Stabilität der Atmosphäre

Die Gasgleichung beschreibt die Beziehung von Druck und Temperatur, wenn die anderen Parameter unverändert bleiben. Bewegen wir uns in der irdischen Atmosphäre so wirkt zusätzlich die Gravitation auf die Luft. Das führt mit steigender Höhe zu einer Abnahme des Luftdrucks.

Durch die Gasgleichung ergibt sich, dass mit abnehmendem Druck auch die Temperatur abnimmt. Handelt es sich um Luft, dessen relative Feuchtigkeit unter 100% liegt, also Luft, in der keine Kondensation auftritt, nimmt die Temperatur um 0,976 °C je 100 m Höhe ab. Dies ist der trockenadiabatische Temperaturgradient und wird international in Kelvin anstatt Celsius angegeben mit 0,976 K/100 m.

Kommt es hingegen zur Kondensation, so wird Kondensationswärme frei und die Abkühlung mit der Höhe fällt geringer aus (feuchtadiabatisch) [WIKIP 3].

Zeigt die Luft in der Atmosphäre bei einer Messung eine dieser Gradienten entsprechende Temperaturabnahme, spricht man von einer neutralen Schichtung.

Durch verschiedene Prozesse in der Atmosphäre kann die Luft jedoch einen anderen Temperaturverlauf zeigen. Im Sommer, wenn die Luft in den bodennahen Schichten durch solar aufgeheizte Flächen von unten her erhitzt wird, zeigt sie häufig einen stärkere Temperaturabnahme mit der Höhe. Sie weist dann eine labilen Schichtung auf und wird stark durchmischt. In ihr eingebrachte Abgase werden rasch verteilt. Die über einer Asphaltdecke an einem heißen Sommertag „kochende“ Luft verbildlicht dies deutlich.

In den Wintermonaten hingegen kann die Temperaturabnahme mit der Höhe schwächer sein. Im Extremfall kann die Temperatur mit der Höhe sogar zunehmen. In diesem Fall spricht man von einer Inversionswetterlage (invers = umgekehrt) und die Atmosphäre weist eine extreme Stabilität auf. Schadgase werden kaum verteilt und können sich, sofern kaum Winde herrschen oder der Ort in einer Kessellage liegt, bodennah anreichern [WIKIP 4]. Dies ist aus Stuttgart oder auch Hagen bekannt.

Die Abbildung 7 verdeutlicht den Zustand der stabilen Schichtung. In ihr hat die Atmosphäre einen Temperaturgradienten, der kleiner als der trockenadiabatische Gradien ist. Ein Luftpacket, welches sich in dieser Atmosphäre bewegt (z.B. aufsteigt) verändert sich aber entsprechend des trockenadiabatischen Gradienten. Ab einem bestimmten Punkt ist das Luftpacket kälter und damit schwerer als die umgebende Luft und es wird dabei nach unten gedrückt, bis es wieder leichter ist. Das Luftpacket pendelt somit bei einer bestimmten Höhe ein. Es liegt stabil in der Atmosphäre.

Abbildung 7: Temperaturverlauf bei stabiler atmosphärischer Schichtung

Anhand Abbildung 8 ist eine Inversion in der Höhe gegeben. Bei dieser besonderen Situation liegt die wärmere Luftschicht wie ein Deckel auf der kälteren. Schadgase reichern sich unter ihr an.

Abbildung 8: Beispiel einer Inversionswetterlage

Wind

Wind entsteht durch Druckunterschiede in der Atmosphäre. Die Windgeschwindigkeit ist dabei abhängig von dem Druckunterschied und der Entfernung zweier Punkte unterschiedlichen Druckes.

Außerdem besteht eine Abhängigkeit von der Höhe über Grund und der Beschaffenheit des Grundes, der sogenannten Rauhigkeitslänge. Je glatter eine Oberfläche ist, desto ungehinderter kann die Luft sich bewegen und der Wind wird nur wenig abgebremst.

Ist die Oberfläche zerklüfteter, z.B. auch durch Gebäude, wird der Wind stärker abgebremst. So ergeben sich je nach Oberfläche andere Rauhigkeitslängen und somit andere bodennahe Windgeschwindigkeiten.

Man erkennt an Abbildung 9, dass mit zunehmender Rauhigkeitslänge die Windgeschwindigkeit in Bodennähe abnimmt. In der Innenstadt, wo wegen der oft hohen Gebäude die Rauhigkeitslänge einen Wert von ca. 1 hat, ist der Wind stark abgebremst und seine positive Wirkung, die Stadt mit Frischluft zu versorgen und für eine Durchmischung der Luft zu sorgen, wird minimiert.

Abbildung 9: Windprofil in Abhängigkeit von der Rauhigkeitslänge Z0

Niederschlag

Bei der Einflussgröße Niederschlag muss hinsichtlich der unterschiedlichen Niederschlagsarten unterschieden werden. Schnee und Hagel habe eine andere Wirkung als Regen. Plakativ lässt sich sagen, dass Regen die Luft wäscht. So belegen Studien, dass Regen die Feinstaubkonzentration (PM10) senkt und das dieser Effekt auch einige Tage nach dem Regenereignis messbar ist [LUBW2007].

Kritik und Diskussion

Die Messmethode des Projektes und die der staatlicher Stellen liefern basierend auf einer Partikelanzahl und Größe jedoch eine Masse bezogen auf Volumen als Messergebnis (μg/m³). Dies ist ungenau, da die Zusammensetzung des Staubs unbekannt ist und ein einzelnes Partikel leicht oder schwer sein kann. Die Ermittlung der Masse beruht hierbei also auf einer angenommenen Zusammensetzung des Feinstaubs.

Auch die in Europa gesetzten Grenzwerte sind massebezogene Grenzwerte. Dies muss grundsätzlich hinterfragt werden. Insbesondere, weil die Wirkung über den Atemweg bis hinein in die Blutbahn auf einen Partikel beruht und daher die Partikelanzahl als Messgröße und Grenzwert viel aussagekräftiger wäre und eine bessere Beurteilung der Situation ermöglichen würde.

Berechtigterweise steht der motorisierte Individualverkehr aber auch der Schwerlastverkehr beim Thema Feinstaub im Fokus. Im innerstädtischen Bereich sind nahe der Hauptverkehrsadern hohe Konzentrationen zu finden.

Dennoch darf nicht vergessen werden, dass auch die intensive Landwirtschaft mit ihrer Ausbringung von Gülle und darüber Freisetzung von Ammoniak zu einer hohen Verursachung von sekundären Feinstäuben führt. Diese werden wetterbedingt auch in die Städte transportiert.

45.000 Menschenleben pro Jahr sind eine Aufforderung an jeden, über sein Verhalten nachzudenken und… es zu ändern. Sie als Autofahrer, als Fleischesser, als Konsument, mündiger Bürger und Wähler haben es in der Hand.

Über den Autor

Diplom Umweltwissenschaftler Frank Heuer studierte in den 90er Jahren an der damaligen Universität Gesamthochschule Essen (UGH Essen), der heutigen Universität Duisburg Essen. Er verfügt daher über grundsätzliche Kenntnisse aus dem Bereich der Klimatologie.

Durch Mitwirkung am Lehrstuhl für Angewandte Klimatologie der UGH Essen von Prof. Dr. Wilhelm Kuttler weist er Kenntnisse zu den Themen Stadtklimatologie und Lufthygiene aus.

Zusätzlich verfügt er als IT-Mitarbeiter in einem Unternehmen der Umweltbranche über Programmierkenntnisse und Projekterfahrung im IT-Umfeld. Er ist Autor einer auf Python basierenden Open Source Bibliothek zur Steuerung des im Projekt verwendeten Feinstaubsensors SDS011 [GITLAB2017].

Er ist Mitglied des Netzwerkes ruhrmobil-E e.V.

Kontakt: frank.heuer@heuerhome.de

Webseite: http://www.heuerhome.de

Quellangaben und Literaturhinweise

[LUBW2007]: Einflussgrößen auf die zeitliche und räumliche Struktur der Feinstaubkonzentrationen, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Juli 2007 http://www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/20250/feinstaubeinfluesse_endfassung.pdf?command=downloadContent&filename=feinstaubeinfluesse_endfassung.pdf

[WIKIP 1]: Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Aerodynamischer_Durchmesser abgerufen 10.04.2017

[UBA 1]: Graphik der PM10 Emissionen, Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/384/bilder/dateien/2_abb_staub-pm10-emi-quellkat_2016-06-20.pdf abgerufen 23.04.2017

[DUH 1]: Deutsche Umwelthilfe zu sekundärem Feinstaub durch Ammoniak, http://www.duh.de/projekte/ammoniak/ abgerufen 10.04.2017

[IASS 1]: IASS fAct Sheet 1/2016 Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) Potsdam, June 2016 http://www.duh.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/IASS_fact_sheet_01_2016_ammonia.pdf abgerufen 10.04.2017

[LUNG 1]: Was ist eine Staublunge, Lungenärzte im Netz, https://www.lungenaerzte-imnetz.de/krankheiten/staublunge/was-ist-eine-staublunge/ abgerufen 10.04.2017

[LANUV 1]: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub und Stickstoffdioxid im Zusammenhang mit der Luftreinhalteplanung, LANUV 10/2010, https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/lanuv/gesundheit/schadstoffe/gesundheitliche_wirkungen.pdf abgerufen 10.04.2017

[LANUV 2]: Feinstaubkohortenstudie Frauen in NRW, Fachberichte LUA NRW 7/2005, https://www.lanuv.nrw.de/fileadmin/lanuv/gesundheit/pdf/fachbericht7_luanrw.pdf abgerufen 10.04.2017

[WIKIP 2]: Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Thermische_Zustandsgleichung_idealer_Gase abgerufen 26.04.2017

[UBA 2]: Gesundheitsrisiken der Bevölkerung in Deutschland durch Feinstaub, Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/daten/umweltgesundheit/gesundheitsrisiken-der-bevoelkerung-in-deutschland#textpart-1 abgerufen am 10.04.2017

[MICRO 1]: A Primer on Particle Sizing by Static Laser Light Scattering, MicromeriticsInstrument Corp, http://www.particletesting.com/Repository/Files/A_Primer_on_Particle_Sizing_by_Static_Laser_Light_Scattering.pdf abgerufen 10.04.2017

[WIKIP 3]: https://de.wikipedia.org/wiki/Atmosph%C3%A4rischer_Temperaturgradient abgerufen 26.04.2017

[WIKIP 4]: https://de.wikipedia.org/wiki/Schichtungsstabilit%C3%A4t_der_Erdatmosph%C3%A4re abgerufen 26.04.2017

[ GITLAB2017]: https://gitlab.com/frankrich/sds011_particle_sensor abgerufen 17.07.2017

Informationsseite des Umweltbundesamtes zum Thema Feinstaub: https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/feinstaub

Abbildungen ohne Quellangabe von Frank Heuer

Feinstaub-Sensoren: einen Halter einfach selbst 3D-drucken

Wer den Sensor schon einmal zusammengebaut hat, der wird festgestellt haben, dass der Feinstaub-Sensor selbst fest im Rohr steckt, die beiden anderen Bauteile (WLAN Node und Feuchtigkeits-Sensor) aber eher lose angebunden sind. Das geht besser, dachte sich das ruhrmobil-E Netzwerkmitglied Thomas Rinke von der Technischen Beruflichen Schule 1 (TBS1), denn: wofür gibt es denn 3D-Drucker?

Der Feinstaubsensor-Halter von Thomas Rinke

Gesagt, getan: er erstellte im 3D Drucker eine Halterung, wo alle Bestandteile sauber aufgeschaubt werden können. Und damit alle in Genuss der besseren Halterungen kommen können, hat er die 3D-Drucker-Datei unter der Creative Commons BY-SA veröffentlicht. Das Dateiformat ist STL, ein im 3D-Druck recht übliches Format. Viel Spaß beim Drucken!

Hinweis: dieser Halter ist nur für aktuelle Revisionen des ESP 8266. Hat man den Node vor sich liegen und den USB-Anschluss auf der rechten Seite, so müssen die ersten drei Pins von links unten A0, G und VU sein. Der neue ESP 8266er Node ist 58 x 30 mm groß. Von den alten Nodes sind nur noch wenige Restbestände auf dem Markt, hat man aber einen solchen vorliegen, so passt dieser nicht auf den Halter drauf.

Download der STL-Datei

Wer sich bedanken möchte, kann dies übrigens gerne jederzeit tun – wir sind ein gemeinnütziger Verein und freuen uns über Spenden!

Bürger machen Wissenschaft: Feinstaub-Sensoren selber bauen

Update: Fragen und Antworten zu dem Projekt haben wir auf eine Projekt-Website ausgelagert.

Feinstaub – kaum etwas hat die Mobilitätsbranche in den letzten Monaten so sehr beeinflusst wie die kleinen, gesundheitsschädlichen Partikel. Dabei hat Feinstaub eine Geschichte: die Umweltzonen sind eigentlich ein Marketing-Fehler, denn es waren eigentlich Feinstaub-Zonen. Neben Diesel-Fahrzeugen (PKW, LKW, Schiffe, …) erzeugen aber auch Kamine, lokale Industrie und weitere Quellen die gesundheitsgefärdenden Partikel.

Um sich klar werden zu lassen, wann und wo die Feinstaub-Konzentration besonders hoch ist, hilft ein engmaschiges Sensornetz. Das behördliche Netz ist jedoch nicht sonderlich eng. Daher hat das Reallabor für nachhaltige Mobilitätskultur der Universität Stuttgart angefangen, selbst Sensoren zu bauen, aufzustellen und die Daten zu verwerten. Die Idee ist, Bürger mit einzubinden und so ein klassisches Citizen-Science-Projekt zu schaffen.

Stuttgart ist prädestiniert, da es geographisch bedingt besonders von Feinstaub betroffenen ist. Aber auch im Ruhrgebiet, in Wuppertal und in anderen Städten von NRW gibt es regelmäßige Überschreitungen. Daher haben wir vom Verein ruhrmobil-E gemeinsam mit VeloCityRuhr beschlossen, das Feinstaub-Sensor-Projekt nach NRW zu holen.

Selbst gebaute Sensoren in der Praxis

Drei Sensoren gibt es in NRW schon, einer davon ist auf meinem Balkon. Eine interaktive Karte aller Sensoren kann man sich hier anschauenEine globale Historie kann hier abgerufen werden, eine sensorspezifische hier.

Der Sensor selbst besteht aus Bauteilen im Wert von etwa 33,00 €. Der Zusammenbau ist denkbar einfach: mit einer Hand voll Kabeln müssen die beiden Sensoren an die Hauptplatine gesteckt werden. Es ist kein Löten notwendig, lediglich ein bisschen sauberes Arbeiten, so dass am Ende Plus und Minus nicht vertauscht werden.

Der fertig zusammengebaute Feinstaubsensor.

Um das Gerät einzusetzen, wird ein WLAN sowie ein Handyladegerät (ist in den 33 € enthalten) benötigt. Ebenso mit dabei ist ein flaches Ladekabel, welches durch die Gummidichtung eines  geschlossenen Fensters passt und man den Sensor so draußen aufhängen kann. Optimalerweise ist ein Sensor auf der Straßenseite und im Erdgeschoss bis zweiten Stock. Allerdings kann auch die Hausrückseite interessante Ergebnisse bringen. Die Position sollte bei der Registrierung des Sensors angegeben werden, damit man die Werte richtig interpretieren wollen. Ebenfalls mitgesendet wird die Position des Sensors, diese wird aber leicht anonymisiert, so dass eine klare Hauszuordnung nicht mehr möglich ist, wohl aber eine geographische Einordnung zur Interpretation der Ergebnisse (z.B. bei einer stark befahrenen Straße).

Sensoren mit uns selbst bauen

Wir werden mehrere Termine anbieten, wo wir gemeinsam die Sensoren zusammenbauen wollen. Auch das ein bisschen kompliziertere Flashen der Hauptplatine wollen wir dort gemeinsam erledigen, so dass nachher alle mit einem funktionierenden Sensor nach Hause gehen können.

Wenn Sie / Du an dem Termin oder an einer der Folgetermine teilnehmen wollen / wollt, würden wir uns sehr über eine zweckgebundene Spende in der Höhe von 33 € freuen. Denn nur wenn wir auch genug Spenden erhalten, können wir gemeinsam die Bauteile bestellen und so den Prozess für alle erheblich vereinfachen. Wir kümmern uns dann um die Bestellung, Sie / Ihr müssen / müsst nur noch zusammenbauen.

Kontoinhaber: ruhrmobil-E e.V.
IBAN: DE20 4306 0967 4033 5307 00
BIC: GENODEM1GLS
Betrag: 33,00 €

Bitte schreiben Sie / schreibt einen sinnvollen Verwendungszweck dazu, um Sie / Euch dann nachher zuordnen zu können. Bestenfalls also euren Namen. Danke! Und: wir sind kein Versandhandel, sondern ein Verein, der Spenden sammelt, um sich dann zu treffen und gemeinsam ein Feinstaub-Sensor-Netzwerk aufzubauen. Lies: wir versenden nicht.

Eine Anmeldung ist erforderlich!

 

Ein Dankeschön

Schon jetzt möchten wir dem OK Lab Stuttgart für die großartige Arbeit danken: von Softwareentwicklung bis Bauanleitung haben die Stuttgarter sich wirklich um alles gekümmert. Außerdem wäre da noch das Labor, das uns freundlicherweise den Raum stellt. Und natürlich möchten wir uns auch bei Ihnen / Euch bedanken, denn nur so funktioniert es: viele Menschen, die Sensoren bauen, bedeuten vielen in der Fläche verteilte Sensoren und damit eine hohe Aussagekraft.

Mit dem eBike zuverlässig in Beruf und Freizeit mobil: Podiumsdiskussion zur Fahrradgarage

Podiumsdiskussion zur E-Bike-Garage, Foto © Katja Nikolic

Podiumsdiskussion zur E-Bike-Garage, Foto © Katja Nikolic

Autos sind im zukunftsfähigen Stadtverkehr ein Auslaufmodell. Sie verbrauchen viel Platz auf der Straße und beim Parken. Sowohl beim Fahren, wie auch in der Herstel- lung, verbrauchen sie große Mengen unserer begrenzten Rohstoffe. Außerdem verursachen sie Klimagase und sorgen in den Städten für zusätzliche gesundheits- schädliche Abgase, die Anwohner krank machen.

Fahrräder sind weit umweltfreundlicher. Doch viele Menschen können oder wollen damit nicht ihre täglichen Wege zurücklegen. Pedelecs, anmeldefreie Fahrräder mit einem zusätzlichen Elektromotor, können die Lösung im Alltagsverkehr für Beruf und Freizeit sein. Und Senioren ermöglichen sie eine neue Mobilität und Lebensfreude. Doch sie sind teurer und noch stärker Ziel von Dieben, als es Fahrräder sind. Zudem müssen sie ab und an mit Strom aufgeladen werden.

Die eBike-Garage könnte das Problem lösen. Der Prototyp ist von Schülern und Lehrern des Berufskollegs TBS1 in Bochum entwickelt worden. Dort werden Pedelecs trocken und sicher abgestellt und mit Solarstrom geladen. Sie ist transportabel und kann flexibel aufgestellt werden, wo man Abstellplätze benötigt. Zur Zeit laufen in Bochum Planungen, ein bundesweit einmaliges Testprogramm mit solchen eBike Garagen zu starten. Auf dem Zeltfestival 2016 kann sie von Pedelec-Fahrern getestet werden. Der gemeinnützige Verein für Elektromobilität ruhrmobil-E unterstützt und begleitet die Entwicklung von Anfang an.

Podiumsdiskussion auf dem Zeltfestival Ruhr, Mi. 24.8. 19:15 Uhr

Ist die eBike Garage aus Bochum ein Beitrag zum umweltfreundlichen Stadtverkehr? Darüber diskutieren auf der Piazza-Bühne des Zeltfestivals Ruhr folgende Experten:

  • Thomas Rinke, Lehrer am TBS1 und Mitentwickler der eBike Garage
  • Michael Teupen, Inhaber von JEWO Batterietechnik und Vorsitzender des Bochumer Elektromobil-Vereins ruhrmobil-E
  • Petra Schweizer-Ries, Lehrstuhlinhaberin an der Hochschule Bochum im Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
  • Peter Reinirkens, Inhaber eines Instituts für Stadtökologie und Fraktionsvorsitzender der SPD im Bochumer
  • Rat Rolf Mecke, Inhaber eines Beratungsbüros für Nachhaltigkeit und Mobilität und Mitglied im Landesvorstand des VCD NRW

Kundenintegration für neue elektromobile Dienstleistungen

Ein Gastartikel von David Hawig, FIAP e.V.

Aufgrund von Internationalisierungsprozessen wächst der Druck auf Unternehmen, vorhandene Produkte und Dienstleistungen stetig weiterzuentwickeln sowie mit innovativen Dienstleistungen neue Geschäftsfelder zu erschließen. Nicht zuletzt der Erfolg von Tesla setzt die traditionellen Autobauer unter Druck. So zeigt der Kundenansturm auf das „Model 3“ mit über 325.000 Vorbestellung allein in der ersten Woche das riesige Potential der Elektromobilität, welches von den bisherigen Autobauern nur unzureichend genutzt wird. Dabei gibt es ein breites Kunden- bzw. Anwenderwissen, sowohl im Internet in Form von Foren, wie etwa www.goingelectric.de, oder offline in Vereinen, wie etwa www.ruhrmobil-e.de, welches bei der Erschließung dieses Absatzmarktes hilfreich sein könnte. Abseits von festen Strukturen werden hier bereits zahlreiche innovative Ideen diskutiert und sogar ausprobiert.

Das Projekt KIE-Lab (Kunden-Innovationslabor Elektromobilität) erforscht aus diesem Grund die frühzeitige Kundenintegration bei der Entwicklung elektromobiler Dienstleistungen. Es wird vom Forschungsinstitut für innovative Arbeitsgestaltung und Prävention (FIAP) e.V. in Gelsenkirchen in Zusammenarbeit mit der Dortmunder Energie- und Wasserversorgung GmbH (DEW21) durchgeführt.

Neue Dienstleistungen, die die Elektromobilität fördern, können z.B. darin bestehen, das Elektromobil zum Nutzer zu bringen (Verfügbarkeit) oder persönliche Einstellungen vorzunehmen und das Fahrzeug mit individuellen Accessoires auszustatten (Individualisierung). Aber auch die Verknüpfung des öffentlichen Nahverkehrs mit Elektroautos und Pedelecs ist ein vielversprechender Ansatzpunkt für neue Dienstleistungen.

Ziel des Projektes ist es, unter anderem neuartige Instrumente in Unternehmen zu etablieren und dort unter Beteiligung von Kunden neue elektromobile Dienstleistungen zu entwickeln und in Geschäftsmodelle zu überführen. In KIE-Lab Workshops arbeiten Anwender wie Anbieter bei der Dienstleistungsentwicklung zusammen, kreieren gemeinsame Innovationspfade für Elektromobilität und bereiten sie zur Umsetzung vor.

Daneben werden, basierend auf den Ideen der Workshops, Zukunftsszenarien entwickelt, welche die Umsetzung unterschiedlicher Innovationen veranschaulichen und auf ein breiteres Fundament stellen. Im Anschluss daran sollen die entworfenen Konzepte veröffentlicht werden, sodass diese in der Praxis von interessierten Unternehmen oder Personen umgesetzt werden können.

Die Netzwerksitzung am 02.05.2016 um 18 Uhr im Wissenschaftspark Gelsenkirchen soll daher dazu genutzt werden, einige solcher Zukunftsszenarien vorzustellen und gemeinsam zu diskutieren.

ruhrmobil-E gewinnt Impact Challenge mit Mobilitätsportal: Pressemitteilung + Presseeinladung

Der Verein ruhrmobil-E hat mit einem Mobilitätsdatenportal als regionales Projekt bei der Google Impact Challenge gewonnen. Mit den so gewonnenen 10.000 € soll ein Portal geschaffen werden, welches Informationen und Live-Daten bietet und so den Umstieg auf E-Autos, Fahrräder und Sharing-Systeme erleichtert.

Wir möchten Ihnen das Projekt gerne detaillierter vorstellen:
Was? Vorstellung des ruhrmobil-E Mobilitätsdaten-Projektes
Wann? Montag, der 14.03., 18:00 Uhr
Wo? Sparkasse Bochum, Dr.-Ruer-Platz 5, 44787 Bochum

Der Verein verfolgt seit seiner Gründung vor sechs Jahren die Idee, verschiedene Mobilitätsformen miteinander zu verknüpfen. Die Mobilitätsdaten des neuen Portals sollen dabei helfen, immer die passende Form der Mobilitäts auszuwählen: CarSharing, Öffentlicher Personen-Nahverkehr, Sharing-Rad, Fahrrad, eigenes Auto. Dargestellt werden sollen alle verfügbaren Informationen: Baustellen, Ladesäulen, Fahrradständer und vieles mehr. Außerdem soll es eine Rückmelde-Funktionalität an Behörden und Infrastuktur-Betreiber geben.

“Wir freuen uns sehr, dass wir die Impact Challenge gewonnen haben und so schnelle, flexible und umweltfreundliche Mobilität fördern können. Indem wir mehr Informationen bereitstellen, machen wir den Umsteig leichter.”, so Ernesto Ruge, Geschäftsführer des Vereins ruhrmobil-E e.V.

Außerdem soll eine interaktive Webanwendung realisiert werden, mit der Interessierte ein regeneratives Haus mit E-Fahrzeugen simulieren können. Das Fahrzeug dient hierbei gleichermaßen als Speicher und als Verbraucher. Ziel ist, 100 % regenerative Energie im Akku zu haben.

“Der Verein ruhrmobil-E besteht aus den passenden Partnern, welche die energetische Verknüpfung von Haus und Mobilität realisieren können. Wir freuen uns, dass wir nun die Mittel haben, um die Zusammenhänge auch ansprechend zu visualisieren”, so Michael Teupen, Vorstandsmitglied des ruhrmobil-E e.V..

Nach einer inhaltlichen Vorauswahl wurden bei der Impact Challenge 200 regionale Projekte und 10 Leuchtturm-Projekte von gemeinnützigen Organisationen zur öffentlichen Abstimmung gegeben. Das geplante Mobilitätsdatenportal hat bei über 700.000 abgegebenen Stimmen genug Unterstützung erhalten, um unter den 100 mit je 10.000 € geförderten regionalen Projekten zu sein. Die zehn Leuchtturm-Projekte wurden mit je 250.000 € gefördert, der Leuchtturm-Gewinner “Mobile Retter” mit 500.000 €.

Presse-Ansprechpartner: Ernesto Ruge, ernesto.ruge@ruhrmobil-e.de, 0173 166 21 74

Kurztest: der Autopilot von Tesla

Der Autopilot von Tesla ist in aller Munde. Aber: wie gut funktioniert das System? Der Journalist Kai Rüsberg hat es mit einem Tesla von RUHRAUTe ausprobiert.

In diesem Zusammenhang ist auch das TED-Video von Google spannend. Während Tesla und andere Autohersteller auf schrittweise Automatisierung und Helfer setzten, fährt Google einen anderen Ansatz und bietet sofort vollständig autonomes Fahren, um Problemen wie die im Video gar nicht erst aufkommen zu lassen. Ab Videominute 2:50 wird der Unterschied im Ansatz erklärt:

CAR-Symposium in Bochum: Die Zukunft des Autos

„Das Autofahren der Zukunft wird sich verändern – und das nicht nur durch Elektromobilität.“, dem können wir nur zustimmen. Ein Bericht des Deutschlandfunkes über das heute zu Ende gegangene CAR Symposium.