In diesem Projekt sollen zeitlich hoch aufgelöste Spurengasmessungen und Messungen der Größenspektren der Aerosolpartikel an einem Verkehrsstandort zu einer deutlichen Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Dynamik der Konzentrationen von Luftschadstoffen im städtischen Umfeld sowie der Emissionen aus dem Straßenverkehr beitragen. Neue, schnelle Techniken sollen das bereits gut entwickelte Grundlagenwissen zu Emissionsverhältnissen NO / NO2 / NOx einzelner Fahrzeuge und Fahrzeuggruppen entwickeln, den Einfluss auf die Ozonchemie und die Interaktion mit dem vorhandenen Ozon studieren, Emissionsverhältnisse NH3 / CO2 und NOx / CO2 unter realen Bedingungen quantifizieren, und vor allem die Emissionen der Aerosopartikel in einem weiten Größenspektrum (einige nm bis über 1 mym Durchmesser) detailliert quantifizieren. Dies bedeutet und ermöglicht eine neuartige Analyse der Emissionen von Partikeln im echten Straßenverkehr. Die vorgeschlagenen Konzepte und Messungen ergänzen sich mit anderen modernen Konzepten der Analyse von Luftverschmutzung und Emissionen wie z.B. multi-Sensoren-Anwendungen, Einsatz mobiler Plattformen, oder Eddy-Kovarianz. Hier wird Grundlagenforschung vorgeschlagen, die in Ergänzung mit anderen Anwendungen und Konzepten einschließlich Modellierung zu einer deutlichen Verbesserung unseres Verständnisses der städtischen Umwelt führen wird. Das Herzstück der experimentellen Forschung ist eine 18-monatige Messreihe am Straßenrand, die allerdings von zwei Intensivmesskampagnen (IOPs) um Kenntnisse zur räumlichen Representativität und zur chemischen Zusammensetzung der Partikel im Größenspektrum ergänzt werden.
Die IVH, Industriepark und Verwertungszentrum Harz GmbH mit Sitz in Hildesheim (Niedersachsen) hat über mehrere Jahre zusammen mit der Umweltdienste Kedenburg GmbH, beide Entsorgungs-/Recyclingunternehmen im Unternehmensverbund der Bettels-Gruppe, Hildesheim, und der Eisenmann Environmental Technologies GmbH, Holzgerlingen, deren NaRePAK-Verfahren zur großmaßstäblichen Umsetzung weiterentwickelt. Stoffkreisläufe zu schließen und somit die effiziente und nachhaltige Nutzung begrenzter Ressourcen zu verbessern ist die erklärte Philosophie der IVH, hier fügt sich das RiA-Verfahren nahtlos ein. In Deutschland fallen jährlich erhebliche Mengen teerhaltigen Straßenaufbruchs an. Dieser Abfallstrom besteht weit überwiegend aus mineralischen Komponenten (z.B. Gesteinskörnungen und Feinsand) und enthält neben Bitumen krebserregende polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Letztere sind verantwortlich, dass dieser Massenstrom als gefährlicher Abfall eingestuft wird. PAK sind persistent und verbleiben ohne thermische Behandlung langfristig in der Umwelt. Die Abfallmengen sind dabei beträchtlich. Die Bundesregierung geht von einer Menge von etwa 600.000 Tonnen pro Jahr allein von Bundesautobahnen und -straßen aus, dazu kommt der Aufbruch von Landes- und Kreisstraßen, die mengenmäßig die Bundesautobahnen und -straßen weit übertreffen. Bisher wird teerhaltiger Straßenaufbruch überwiegend deponiert, wodurch die im Straßenaufbruch enthaltenen mineralischen Ressourcen dem Wertstoffkreislauf verloren gehen. Der in begrenztem Umfang alternativ mögliche Verwertungsweg: Kalteinbau in Tragschichten im Straßenbau, erfolgt ohne Entfernung der PAK und wird daher nur noch in geringem Umfang angewendet. Eine weitere Möglichkeit ist die thermische Behandlung in den Niederlanden. Dies ist nicht nur verbunden mit langen Transportwegen, auch arbeiten die niederländischen Anlagen in einem deutlich höheren Temperaturintervall – im Bereich der Kalzinierung (Kalkzersetzung) – was dazu führen kann, dass die mineralischen Bestandteile des Straßenaufbruchs nicht mehr die notwendige Festigkeit aufweisen, um für einen Einsatz als hochwertiger Baustoff für die ursprüngliche Nutzung des Primärrohstoffes in Frage zu kommen. Darüber hinaus wird beim Kalzinierungsprozess von Kalkgestein im Gestein gebundenes CO 2 freigesetzt. Mit dem Vorhaben RiA plant die IVH an ihrem Standort in Goslar / Bad Harzburg die Errichtung einer in Deutschland erstmaligen großtechnischen Anlage zur thermischen Behandlung von teerhaltigem Straßenaufbruch. Dabei soll eine möglichst vollständige Rückgewinnung der enthaltenen hochwertigen Mineralstoffe (Gesteinskörnungen)erfolgen. Gleichzeitig werden die enthaltenen organischen Bestandteile, die in Form von Teerstoffen und Bitumen vorliegen, als Energieträger genutzt. In der innovativen Anlage sollen pro Jahr bis zu 135.000 Tonnen teerhaltiger Straßenaufbruch mittels Drehrohr thermisch aufbereitet werden. Dabei werden im Teer enthaltene besonders schädliche Stoffe wie PAK bei Temperaturen zwischen 550 Grad und 630 Grad Celsius entfernt und in Kombination mit der separaten Nachverbrennung vollständig zerstört, ohne dass das Mineralstoffgemisch zu hohen thermischen Belastungen mit der Gefahr einer ungewollten Kalzinierung ausgesetzt ist. Zurück bleibt ein sauberes, naturfarbenes Gesteinsmaterial (ohne schwarze Restanhaftungen von Kohlenstoff), das für eine höherwertige Wiederverwendung in der Bauwirtschaft geeignet ist. Die mineralischen Bestandteile des Straßenaufbruchs können so nahezu vollständig hochwertig verwendet und analog Primärrohstoffen erneut bei der Asphaltherstellung oder Betonherstellung eingesetzt werden. Die organischen Anteile im Abgas werden mittels Nachverbrennung bei 850 Grad Celsius thermisch umgesetzt und vollständig zerstört. Die dabei entstehende Abwärme wird genutzt, um Thermalöl zu erhitzen, um damit Ammoniumsulfatlösungen einer benachbarten Bleibatterieaufbereitung der IVH einzudampfen, aufzukonzentrieren und so ein vermarktungsfähiges Düngemittel herzustellen. Das Thermalöl wird dazu mit 300 Grad Celsius zu der Batterierecyclinganlage geleitet. Die Wärme ersetzt dabei andere Brennstoffe wie z. B. Erdgas. Die verbleibende Abwärme aus der Nachverbrennung wird mittels drei ORC-Anlagen zur Niedertemperaturverstromung genutzt. Es werden ca. 300 Kilowatt elektrische Energie pro Stunde erzeugt. Die beim RiA-Verfahren entstehenden Abgase werden in einer mehrstufigen Rauchgasreinigung behandelt. Die Abgase der Drehrohr-Anlage werden dazu aufwendig mittels Zyklone und nachgeschaltetem Gewebefilter entstaubt. Schwefeldioxid und Chlorwasserstoff werden mittels trockener Rauchgasreinigung nach Additivzugabe abgeschieden. Die Umwandlung von Stickstoffoxiden erfolgt mittels selektiver katalytischer Reduktion mit Harnstoff als Reduktionsmittel. Die bereits genannte Nachverbrennung zerstört verbliebene organische Reste. Die wesentliche Umweltentlastung des Vorhabens besteht in der stofflichen Rückgewinnung des ursprünglichen hochwertigen Gesteins im teerhaltigen Straßenaufbruch, also durch Herstellung eines wiederverwendbaren PAK-freien Mineralstoffgemisches von gleicher Qualität wie die ursprünglichen Primärrohstoffe. Das heißt die besonders umweltschädlichen PAKs werden nachhaltig aus dem Stoffkreislauf entfernt. Mit der Anlage können von eingesetzten 135.000 Tonnen Straßenaufbruch rund 126.900 Tonnen als Mineralstoffgemisch in Form von Gesteinskörnungen und Füller zurückgewonnen und für die Wiederverwendung bereit gestellt werden. Die Gesamtmenge von 126.900 Tonnen pro Jahr reduziert den jährlichen Bedarf von Gesteinsabbauflächen bei einer Abbautiefe von 30 Meter um rund 1.460 Quadratmeter. Bezogen auf den angenommenen Lebenszyklus von 30 Jahren wird eine Fläche von ca. 4,4 Hektar Abbaugebiet allein durch diese Anlage nicht in Anspruch genommen. Zusätzlich wird in gleichem Maße wertvoller Deponieraum bei knappen Deponiekapazitäten eingespart. Bei erfolgreicher Demonstration der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit im industriellen Maßstab, lässt sich diese Technik dezentral auf verschiedene Standorte in Deutschland übertragen. Damit wird dem in der Kreislaufwirtschaft propagierten Näheprinzip entsprochen, das heißt die Transportwege und die damit verbundenen Umweltauswirkungen werden weiter reduziert. Auch der nach Region unterschiedlichen Gesteinsarten wird dabei Rechnung getragen. Branche: Wasser, Abwasser- und Abfallentsorgung, Beseitigung von Umweltverschmutzungen Umweltbereich: Ressourcen Fördernehmer: IVH, Industriepark und Verwertungszentrum Harz GmbH Bundesland: Niedersachsen Laufzeit: seit 2024 Status: Laufend
Darstellung der NOx, PM10 und PM2, 5-Emissionen der Verursachergruppen Industrie, Hausbrand und Kfz-Verkehr, Stand 2015
Die im Land Brandenburg kontinuierlich ermittelten Zeitreihen verschiedenster Luftschadstoffe werden erfasst, archiviert und fortgeschrieben. Die Überwachung der Luftqualität in Brandenburg erfolgt durch ein automatisches Luftgütemessnetz nach EU-weiten Vorgaben. Zeitnah werden die aktuellen Messwerte der Schadstoffe Ozon (O3), Stickstoffdioxid (NO2), Feinstaub- Partikel (PM10), Schwefeldioxid (SO2), Kohlenmonoxid (CO) und weitere mehr im LandesUmwelt / VerbraucherInformationssystem Brandenburg (LUIS-BB) veröffentlicht. Ergänzt werden diese Ergebnisse durch eine Zusammenstellung gültiger Grenzwerte sowie Monats- und Jahresauswertungen. Das Landesamt für Umwelt (LfU) betreibt für die kontinuierliche Luftüberwachung das automatische Luftgütemessnetz mit derzeit 17 Stationen zur Überwachung der Luft in Städten und ländlichen Regionen und 5 Stationen zur Überwachung der Luft im verkehrsnahen Raum. Zusätzlich existieren Messpunkte zur Bestimmung von Inhaltsstoffen im Staubniederschlag / in der Deposition. Mehr als 100 Messgeräte liefern täglich bis zu 12.000 Messwerte, die automatisch in die Messnetzzentrale des LfU übertragen, kontrolliert und von hier veröffentlicht werden.
Mehr als 90 Prozent der anthropogen emittierten Stickstoffoxide entstehen als Nebenprodukte von Verbrennungsvorgängen. Verursacher sind Kfz-Motoren, Feuerungsanlagen der Kraftwerke, Industriebetriebe und Hausheizungen. Der Verkehr ist die Emittentengruppe mit den höchsten Anteilen an Stickstoffoxiden (NOX). Trotz der in den vergangenen Jahren verstärkten Anstrengungen, die NOX-Emissionen zu reduzieren (Kfz-Katalysatoren, Rauchgasentstickungsanlagen) führen hohe Verkehrsdichten in Ballungsräumen und oftmalige Inversionswetterlagen zu erheblichen NOX-Belastungen. So kommt es, dass in Innenstadtbereichen trotz der erwähnten Emissionsminderungsmaßnahmen, aufgrund des ständig steigenden Verkehrsaufkommens, Grenz- bzw. Richtwerte überschritten werden. Ein neues Verfahren zur Minimierung der Immissionen basiert darauf, vorhandene Gebäudeoberflächen (z. B. Dächer, Häuserfassaden, Verglasungen) zur Reduktion von Stickoxiden in städtischen Atmosphären zu nutzen. Hierzu sollen die katalytischen bzw. photokatalytischen Eigenschaften bestimmter Substanzen gezielt baulich eingesetzt werden. Der katalytische Abbau von NOX in Rauchgasentstickungsanlagen ist ein umfangreich erforschtes Gebiet der technischen Chemie. Erst oberhalb Temperaturen von 250 - 400 Grad C erreichen die Katalysatoren Umsatzgeschwindigkeiten, die für die technische Nutzung brauchbar sind. In Großstädten stehen ausgedehnte Gebäudeflächen zur Verfügung. Würde ein Teil dieser Flächen aus katalytisch aktiver Bausubstanz bestehen, so wären hier auch langsame, auf niedrigem Temperaturniveau (Sommeraußentemperatur) stattfindende katalytische Reaktionen interessant, da die großen Flächen den Nachteil geringer Umsätze kompensieren würden. Diese neue Gruppe von funktionellen Baustoffen für den passiven katalytischen Schadstoffabbau werden als p-Baustoffe (Protective Integrated Building Materials) bezeichnet. Erste Voruntersuchungen mit beschichteten Dachsteinen waren erfolgreich.
Energetische Elektronen aus der Aurora und den Strahlungsgürteln sind bekannte Quellen von Stickoxiden in der Auroraregion der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60-140 km). Im polaren Winter können diese Stickoxide bis in die mittlere Stratosphäre (30—45 km) herunter transportiert werden; sie variieren dabei mit der geomagnetischen Aktivität und dem dynamischen Zustand der Atmosphäre. Hier tragen Stickoxide maßgeblich zum katalytischen Ozonabbau bei; da Ozon eine wesentliche Rolle in der Strahlungsheizung der Stratosphäre spielt, ändern sich durch den Abwärtstransport von auroralen Stickoxiden auch Temperaturen und Windfelder. Diese Änderungen der Atmosphärendynamik können die ganze Atmosphäre bis hinunter zu troposphärischen Wettersystemen betreffen. Aus diesem Grund wurde kürzlich zum ersten Mal empfohlen, geomagnetische Aktivität als Teil des solaren Forcings des Klimasystems in Klima-Chemiemodellstudien wie CMIP-6 zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Ionisationsraten, welche verwendet werden, um solche Modellexperimente anzutreiben, basieren empirisch auf Flüssen von präzipitierenden Elektronen, welche jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet sind; neue Studien legen nahe, daß es ernsthafte Probleme mit der Genauigkeit dieser Daten gibt. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre präzipitierende Elektronen verschiedener Energien beeinflussen, und welchen Einfluß diese präzipitierenden Elektronen auf die Zusammensetzung, Temperatur, und Windfelder in der mittleren Atmosphäre haben.Insbesondere werden wir untersuchen:• Wie beeinflussen vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre das Präzipitieren von Strahlungsgürtelelektronen in die Atmosphäre?• Zu welchen Energien werden präzipitierende Elektronen in den unterschiedlichen geomagnetischen Stürmen in der Magnetosphäre beschleunigt? • Welcher Energiebereich der Präzipitierenden Elektronen hat den größten Einfluss auf die Zusammensetzung und Dynamik der mittleren Atmosphäre?Dazu werden Modellsimulationen mit dem neuentwickelten VERB-4D Modell durchgeführt, welches Elektronenbeschleunigung in die Atmosphäre durch Welle-Teilchen-Wechselwirkungen mit Chorus, Plasmaspheric hiss, hiss in plumes, und EMIC-Wellen berücksichtigt. Ergebnisse werden mit NOAA POES Daten validiert. Modellierte Elektronenflüsse am Oberrand des Modells werden als Input verwendet für das neuentwickelte Klima-Chemiemodells EMAC/EDITh (Boden bis 220km). Modellierte Temperaturen und der Stickoxid-Gehalt werden anhand von Beobachtungen validiert. Fallstudien werden durchgeführt werden für geomagnetische Stürme, die durch Korotating Interaction Regions (CIR) und solare koronale Massenauswürfe (CMEs) ausgelöst wurden, um zu untersuchen, wie die verschiedenen Prozesse unterschiedliche Bereiche der Atmosphäre beeinflussen.
Mit dem vorliegenden Antrag sollen 2 Hauptziele verfolgt werden. Einerseits wird die Teilnahme des mini-DOAS Instruments an den, für die Mitte 2016 bis Mitte 2019 geplanten HALO Missionen WISE, CAFE, EmerGe, and CoMet beantragt, und andererseits sollen die mit dem Instrument bei früheren Missionen (TACTS/ESMVal, NarVal, Cirrus, Acridicon und OMO) gemessenen Daten und jener aus in Zukunft stattfindenden HALO Missionen bzgl. dreier wissenschaftlicher Hauptziele im Detail ausgewertet, interpretiert und publiziert werden. Die 3 wissenschaftlichen Hauptziele sind: 1. die Untersuchung der Quellen und Senken und die Photochemie der NOx und NOy Verbindungen in der Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) für unterschiedliche photochemische Regime (u.a. Reinluft und durch diverse NOx Quellen verschmutzte Luft), wobei hier das mini-DOAS Instrument mit den Messungen von NO2, (und evt. HONO) zusammen mit den Messungen anderer Instrumenten (z.B. AENEAS, AIMS, ..) zum Gesamtbudget von NOy beiträgt, 2. die Bedeutung der volatiler organischer Verbindungen für die atmosphärische Oxidationskapazität in reiner und verschmutzter Luft durch Messungen von CH2O (und C2H2O2) mit dem mini-DOAS Instrument, die die Schließung des Oxidationsmechanismus VOC größer als oder gleich CH2O größer als oder gleich CO erlauben. 3. Messungen zum Budget und zur Photochemie von Brom in der UTLS, wobei hier das Instrument besonders mit seinen Messungen von BrO zum anorganischen Brombudget beiträgt, das zusammen mit den Messungen der organischen Bromverbindungen (der Universität Frankfurt) das Gesamtbudget an Brom schließt. Alle diese Untersuchungen sollen auch zur Überprüfung der Vorhersagen globaler Chemietransportmodelle (CTMs) (EMAC, CLAMS, TOMCAT/SLIMCAT, ...) dienen.
Atmosphärische Aerosole wirken auf die menschliche Gesundheit und beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde. Die Quellen, Bildungsmechanismen und Senken sekundärer Aerosole, welche aus der Transformation von organischen und anorganischen Vorläufergasen entstehen, sind nicht ausreichend verstanden, so dass eine genaue Vorhersagbarkeit der Aerosolbelastung unter gegenwärtigen Emissionen und zukünftigen Szenarien nicht möglich ist.Um ein genaueres Prozessverständnis zu erlangen, werden wir neue analytische Methoden entwickeln, die die Messung einzelner aerosolgetragener Moleküle in Echtzeit, sowie die Erstellung molekularer Fingerabdrücke von Aerosolfilterproben, ermöglichen. Hierfür werden wir ein ultra-hochauflösendes (OrbitrapTM) Massenspektrometer (MS) für die Echtzeit-Aerosolmessung adaptieren, um im Rahmen von Messkampagnen an der Simulationskammer SAPHIR am Forschungszentrum Jülich, die Chemie der Aerosole unter zukünftigen Emissionsszenarien zu untersuchen. An der SAPHIR Kammer werden wir VOC-Emissionen von Pflanzen unter Stress und deren Wechselwirkung mit SO2, NOX und NH3 studieren. Die zentrale Fragestellung dieser Experimente ist, inwiefern überschüssiges Ammoniak mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in der Atmosphäre reagiert, und ob es im Aerosol zu einer verstärkten Bildung von absorbierenden organischen Stickstoff-Heterozyklen kommt. Die Relevanz heterogener photochemisch-induzierter Prozesse soll an der SAPHIR Kammer bei atmosphärischen Konzentrationen untersucht werden. Diese Untersuchungen sind nötig um Voraussagen darüber treffen zu können, inwieweit sich verändernde, zukünftige anorganische Emissionen und VOC-Emissionen gestresster Pflanzen einen Effekt auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aerosolen in der zukünftigen Atmosphäre haben werden.Neben den Kammermessungen in Jülich sollen Feldmessungen an solchen Orten unternommen werden, an denen eine besonders starke Wechselwirkung zwischen organischen und anorganischen Komponenten zu erwarten ist, und somit die Kammerexperimente im Hinblick auf deren atmosphärische Relevanz validiert werden können.Während der Echtzeit-Messungen mit dem online Aerosol-Orbitrap-MS werden wir Aerosolfilterproben sammeln und molekulare Fingerabdrücke der Aerosolzusammensetzung mit Hochleistungs-Flüssigchromatografie / Massenspektrometrie erstellen. Basierend auf Laborstudien zur Oxidation einzelner VOCs werden wir die molekularen Fingerabdrücke der Realproben mit den Laborexperimenten vergleichen. Eine open-access-"Aerosolomics"-Datenbank soll erschaffen werden, die die gemessenen Merkmale einzelner Oxidationsprodukte archiviert und online verfügbar macht. Dies wird eine „top-down“ Klassifizierung von Aerosolproben ermöglichen, mit deren Hilfe man Aussagen darüber treffen kann welche VOCs und welche Prozesse für die sekundäre Bildung von atmosphärischem Aerosol an den untersuchten Orten verantwortlich sind.
Im Zusammenhang mit der Reinigung von durch Kohlenwasserstoffe bzw. Stickoxide belasteten Abgasen ist der Einsatz von Halbleitern, wie z.B. TiO2, als Photokatalysatoren vor allem deshalb interessant, weil die Verbrennungs- bzw. Reduktionsreaktionen bei Raumtemperatur ablaufen können. Die praktische Anwendung ist allerdings durch die bisher erreichten, noch zu geringen Katalysatoraktivitäten begrenzt. Im Rahmen des Projektes sollen der Einfluss von Lichtwellenlänge, Lichtintensität und Kristallitgröße auf Geschwindigkeit und Selektivität (z.B. NO2, NO, N2O, N2) der Umsetzung untersucht werden. Es umfasst die Katalyse aus Sicht der Technischen Chemie und das Problem der Herstellung und Charakterisierung nanokristalliner, d.h. grenzflächendominierter Materialien aus Sicht der Festkörper Physikochemie. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es vor allem, am Beispiel ausgewählter Reaktionen die Einflüsse der Eigenschaften des Katalysatormaterials auf den Ablauf von mit Photohalbleitern katalysierten Gasreaktionen herauszuarbeiten und in einem Modell zusammenzuführen.
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| License | Count |
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