FeinstaubsymposiumErlangen 10.10.2005

Selektive Feinstaubbestimmung

Dipl.-Ing. Roland Sommer

Motivation

2005: Inkrafttreten der Europäischen FeinstaubrichtlinieGrenzwert: 40 µg/m³ (Jahresmittelwert)

Problem: Es wird nur die Gesamtkonzentration (< 10µm) betrachtet ohne zwischen einzelnen

Größenklassen und Partikeln zu unterscheiden

keine eindeutige Bewertung des Feinstaubs

Dieselruß

Motivation

3. Problem: Welche Emissionsquelle?

2. Welche Partikel werden gemessen?

Selektive Partikelbestimmung

Online-Charakterisierung

1. Ultrafeine Partikel sind gesundheitsschädlicher als grobe Teilchen

Bestimmung der Massenkonzentrationder ultrafeinen Partikeln

Schnelles selektives Messsystem notwendig

Messmethoden

1. Wiegen (Gravimetrie)Prinzip:

PumpeFilter

Gesamtmassenkonzentration

FeinstaubPM10

Wiegen des Filters vor und nach Belegung

nicht selektiv (Erfassung sämtlicher Partikel)

zeitaufwendig

Messmethoden

2. ZählenPrinzip:

Feinstaub

Zählen der einzelnen Größenfraktionen

Anzahlkonzentration

keine Unterscheidung von verschiedenen Partikeln

Partikelabscheider

…..

Messmethoden

3. Oberflächenbestimmung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Chemische Adsorptionsverfahren

eindeutige nicht-selektive Größenbestimmung möglich

zeit- und kostenintensiv

Dieselruß

Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik

Aufheizung der Rußpartikel mit

hochenergetischem Laserpuls

Detektion der emittierten

Wärmestrahlung

Verdampfung

Wärmeleitung

Selektive Rußbestimmung von elementarem Kohlenstoff (EC)

Messungen in Echtzeit möglich (>1Hz)

zeitlicher Abfall abhängig von spezifische Oberfläche

Maximalsignal proportionalzur Massenkonzentration

0.001

0.01

0.1

1

0 50 100 150 200 250 300

dp=20nm dp=30nm

dp=40nm

Zeit t [ns]

Sig

nal [

norm

iert]

Prinzip der laserinduzierten Glühtechnik

Messaufbau: Mobile Detektionseinheit

Detektionseinheit

Datenverarbeitung

Quelle der

Partikelemissionen?

Vergleich mit gravimetrischem Sammelmesssystem (TEOM)

Messungen in Erlangen

Pfarrstraße Kraepelinstraße

Massenanteil des Rußes (bzw. des

elementarenKohlenstoffs)

am Gesamtstaub?

Stationäre Messungen

Erlangen: Kraepelinstraße

Feinstaub kommt hauptsächlich aus natürlichen Quellen

Stationäre Messungen

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mas

senk

onze

ntra

tion

[µg/

m³]

Gesamtstaub PM10

elementarer Kohlenstoff

7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00

< 3µg/m³

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Mas

senk

onze

ntra

tion

[µg/

m³]

Gesamtstaub (10.06) elementarer Kohlenstoff (10.06)Gesamtstaub (14.06) elementarer Kohlenstoff (14.06)

Erlangen: Pfarrstraße

Anteil an elementaren Kohlenstoff liegt zwischen15 and 50% der Gesamtkonzentration

Stationäre Messungen

7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30

0.3

0.2

0.1

EC

mas

s co

ncen

tratio

n [m

g/m

³]

07:00 07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30time

Erlangen: Pfarrstraße

typischer beispielhafter Konzentrationsverlauf

durchschnittliche Belastung: 9 µg/m³

einzelne Fahrzeuge

sehr hohe Emissionen einzelner Fahrzeuge

Stationäre Messungen

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97

time

EC

mas

s co

ncen

trat

ion

[mg/

m³]

Stationäre Messungen

Dieselpartikelfilter für Busse zwingend notwendig

kurzeitige aber sehr hohe Belastung für Kinder

Bushaltestelle: Belastung für Schüler

Messstellenhöhe 1.40m

5 s

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

EC

mas

s co

ncen

tratio

n [m

g/m

³]

07:30 07:40 07:50 08:00 08:10 08:20 08:30 08:40time

Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs

Nürnberg: Hauptverkehrszeit

Rußbelastung während mobiler Messungen?

VerkehrsstauStraßenkreuzungen

Nürnberg: Verkehrsstau an einer Kreuzung

eindeutige Zuordnung einzelner Fahrzeuge möglich

Mobile Messungen: außerhalb des Fahrzeugs

Nürnberg: Hauptverkehrszeit

permanent höhere Rußkonzentrationenim Fahrzeug im Vergleich zur Umgebung

Wie viele Rußpartikel inhaliert ein Fahrer?

Vergleich in- und außerhalb des Fahrzeugs

13 - 4711 - 50Primärpartikelgröße [nm]

0,279 - 0,0710,361 - 0,067Spezifische Oberfläche [m²/mg]

max 120bis zu 820Max. Rußmassenkonzentration [µg/m³]

19 - 288 - 10Durchschnittliche Konzentration [µg/m³]

im Autoaußerhalb des Fahrzeugs

Mobile Messungen: innerhalb des Fahrzeugs

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05EC

mas

s co

ncen

tratio

n [m

g/m

³]

16:16 16:18 16:20 16:22 16:24 16:26 16:28time

Fahrgeschwindigkeit: 60 km/h

Langzeitbelastung auch nach dem Tunnel

Tunnel

Messort:im Fahrzeug

Mobile Messungen: Tunnelfahrt

Zusammenfassung und Ausblick

Umfangreiche Feinstaubfeldstudien

Optimierung des Detektionsbereichs (<1µg/m³)

Simultane direkte Bestimmung der Rußmassenkonzentrationund spezifischer Oberfläche

Ausblick

Zusammenfassung

Eindeutige Zuordnung von hohen Spitzenkonzentrationen einzelner Fahrzeuge möglich

Höhere durchschnittliche Konzentrationen im Fahrzeug detektierbar