Skip to main content
main-content

Über dieses Buch

Neben der Entstehung und Emission von Stickstoffoxiden bei Verbrennungsprozessen sowie den verschiedenen nationalen Grenzwerten steht die Minderung der NOx-Emissionen im Mittelpunkt dieses Buches. Es enthält ausführliche Angaben zu den globalen, nationalen und regionalen jährlichen Emissionen. Die chemischen Umwandlungen zu den Folgeprodukten (Ozon, PAN) werden ebenso betrachtet wie die trockene und nasse Deposition. Der Behandlung der natürlichen und anthropogenen Immissionen folgen Hinweise auf deren Wirkungen. Ein ausführlicher Überblick über die verschiedenen Immissionsgrenzwerte schließt das Buch ab. Der Autor beschreibt die Entwicklung der Erkenntnisse auf diesem neuen und lebenswichtigen Wissenschaftsgebiet und stellt Definitionen und grundsätzliche Erläuterungen den NOx-spezifischen Ausführungen voran. So vermittelt er dem Leser am Beispiel der Stickstoffoxide zugleich eine Einführung in die allgemeineren Probleme der Luftreinhaltung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Chemisch-physikalischer Überblick über die Stickstoffoxide als luftverunreinigende Stoffe

Zusammenfassung
In der Gesamtheit technischer Anlagen, der sog. Technosphäre, laufen Prozesse ab, die prinzipiell in Verbrennungs- und Produktionsprozesse (z.B. Schwefelsäure- oder Salpetersäureherstellung ) zu unterteilen sind. Bei den hier ausschließlich betrachteten Verbrennungsprozessen entstehen aus den Brenn- und Kraftstoffen und der Verbrennungsluft neben der Wärmeenergie feste und gasförmige Abfallprodukte. Die Abgase — bei festen und flüssigen Brennstoffen bisher Rauchgas genannt — enthalten zunächst die umweltneutralen Gase Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff sowie Wasserdampf. Darüber hinaus sind luftverunreinigende Stoffe, auch Luftverunreinigungen oder luftfremde Stoffe, enthalten. Dabei handelt es sich um Substanzen, „die infolge menschlicher Tätigkeiten oder natürlicher Vorgänge in die Atmosphäre gelangen und nachteilige Wirkungen auf den Menschen und seine Umwelt haben können“ [1]. Diese Definition beinhaltet sowohl die bezogenen (natürlichen) als auch anthropogenen (menschlichen) luftverunreinigenden Stoffe. Die häufig benutzte Bezeichnung „luftfremde“ Stoffe ist nicht sinnvoll, da die wichtigsten luftverunreinigenden Stoffe auch in der natürlichen, nicht verunreinigten Luft vorkommen.
Jörgen Kolar

2. Entstehung der Stickstoffoxide in Verbrennungsprozessen

Zusammenfassung
Der im Brennstoff enthaltene, chemisch gebundene Stickstoff setzt sich während der Verbrennung teilweise zu Stickstoffmonoxid ( NO ) um. Wegen der Abhängigkeit dieser NO-Bildung von der Art des Brennstoffs spricht man vom Brennstoff-NO ( fuel-NO ). Zumindest formal besteht eine Analogie zum Schwefel der Brennstoffe, aus dem die Schwefeloxide (SO2, SO3) entstehen.
Jörgen Kolar

3. Emissionen und Emissionsgrenzwerte der Feuerungen und stationären Gasturbinen

Zusammenfassung
Die luftverunreinigenden Stoffe gelangen nach dem Verlassen ihrer Quellen in die Atmosphäre und werden somit zur Emission. Man versteht darunter „das Entweichen von luftverunreinigenden Stoffen jeglicher Art und Herkunft in die Atmosphäre“ [1], also den „Übertritt luftverunreinigender Bestandteile in die offene Atmosphäre“ [2]. Dabei kann es sich sowohl um natürliche ( biogene ) als auch durch die menschliche Tätigkeit bedingte ( anthropogene ) Quellen handeln. Nach einer anderen Definition ist Emission der Transport luftverunreinigender Stoffe von der Technosphäre, worunter die Gesamtheit aller technischen Anlagen zu verstehen ist, in die Atmosphäre [3]. Der Hinweis auf die „offene Atmosphäre“ schließt „physisch abgegrenzte Teilräume, wie Maschinenhallen, Ofenhallen oder geschlossene Anlagen zur Tierintensivhaltung bewußt aus“ [2]. Vereinfacht ausgedrückt ist also Emission das Austreten luftverunreinigender Stoffe aus der Kaminmündung und aus dem Auspuffrohr (definierte oder gefaßte Quellen) oder aus im Freien liegenden undichten Anlageteilen, Hallenöffnungen und Halden ( diffuse Quellen ). Nach der Legaldefinition des § 3 Abs. 3 BImSchG sind Emissionen „die von einer Anlage ausgehenden Luftverunreinigungen“. Neben diesen Definitionen der Emission als Vorgang wird der Begriff auch als allgemeine Kennzeichnung der übertretenden luftverunreinigenden Stoffe selbst benutzt.
Jörgen Kolar

4. Emissionen und Emissionsgrenzwerte der Verbrennungsmotoren

Zusammenfassung
Zu Beginn der Abgasgesetzgebung in den USA und der BRD benutzte man die Volumenkonzentration als Emissionsmaß (z.B. Kohlenmonoxid-Grenzwert im Leerlauf: 4,5 Vol-%). Abgesehen von Japan, dessen Grenzwerte heute noch in ppm festgelegt sind, ist inzwischen der Emissionsmassenstrom Q eines Kraftfahrzeuges ( g/Kfz . h ) die grundlegende Ausgangsgröße. Der massenbezogene Emissionsstrom qm in g/kg
$${{\dot m_{kr} }}$$
(4.1)
sowie der energiebezogene Emissionsstrom qΦ in g/GJ
$$q_\Phi = \frac{{\dot Q}} {\Phi }$$
(4.2)
werden vor allem zur Errechnung regionaler, nationaler und globaler Emissionen ( vgl. Kap. 6 ) gebildet. Neuerdings wird für schwere Nutzfahrzeuge der auf die Nutzleistung P des Motors bezogene Emissionsmassenstrom qp in g/kWh verwendet:
$${P}$$
(4.3)
.
Jörgen Kolar

5. Maßnahmen zur Senkung der Emissionen

Zusammenfassung
Zur Senkung der Emissionen luftverunreinigender Stoffe einer technischen Anlage stehen dem Ingenieur grundsätzlich folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
  • Erhöhung des Nutzungsgrades (Energieeinsparung) Dieser Weg wurde in der Vergangenheit konsequent beschritten. Die Erhöhung des Wirkungsgrades der Erzeugung elektrischer Energie von 10 % um 1890 auf heute etwa 40% ist nur ein beeindruckendes Beispiel. Bei gleicher elektrischer Leistung führt das zu einer enormen Einsparung an Brennstoff und damit zu einer entsprechenden Verringerung der Emissionen brennstoffabhängiger luftverunreinigender Stoffe. Bei den stark prozeßabhängigen Stickstoffoxiden ist diese Aussage nicht so generell möglich, da hohe Verbrennungstemperaturen hohe Wirkungsgrade, aber auch größere NOx-Emissionen bewirken.
  • Substitution emissionsreicher Brennstoffe Dieser beim Schwefeldioxid im Sektor Haushalte und Kleinverbraucher ( vgl. Abschn. 6.2 ) so erfolgreiche Weg des Ersatzes der relativ schwefelreichen Kohle durch leichtes Heizöl und Erdgas ist beim Stickstoffoxid nur in sehr begrenzten Fällen gangbar. Beim schweren Heizöl wäre an den Einsatz stickstoffarmer Qualitäten zu denken. Australische Kohle hat eine um 20 % geringere NOx-Emission als südafrikanische [1]. Bei sonst gleichen Verhältnissen ist die NOx-Emission der Saarkohle um ca. 10 % niedriger als die der Ruhrkohle [2]; bei bestimmten Minderungsmaßnahmen können es sogar 20–30% sein [3].
  • Erzeugung emissionsarmer Brennstoffe Die Entschwefelung des Roherdgases oder der Heizöle sind großtechnisch verwirklichte Beispiele. Ein Nebeneffekt bei der Entschwefelung des schweren Heizöls ist eine gewisse Verringerung des Stickstoffgehalts (vgl. Abschn. 4.1 ). Eine Abtrennung des Stickstoffs der Kohlen ist nicht möglich.
  • Änderungen der Prozeßtechnik Bei einem stark prozeßabhängigen Stoff wie Stickstoffmonoxid sind Änderungen der Prozeßtechnik besonders erfolgversprechend. Sie können im Übergang zu neuen Verfahren bestehen, z.B. Anwendung der Trocken- oder Wirbelschichtfeuerung statt der Schmelzfeuerung. Aber auch bei gleichem Feuerungssystem sind durch prozeßtechnische Änderungen an Brennern und Feuerräumen oder maßgebender Parameter bei Verbrennungsmotoren erhebliche Minderungen der NOx-Emission zu erzielen ( sog. Primär-, motorinterne Maßnahmen ).
  • Abgasreinigungsanlagen Diese zusätzlichen Anlagen reduzieren nach Beendigung des Verbrennungsprozesses die bereits entstandenen luftverunreinigenden Stoffe. Als Beispiel für Feuerungen sind zu nennen: Staubfilter, Schwefeldioxid-Abscheideanlagen (Rauchgasentschwefelungsanlagen, REA), Stickstoffoxid-Abscheideanlagen ( DENOX-Anlagen ). Bei den Kraftfahrzeug-Motoren ist die bekannteste Abgasreinigungsanlage der sog. Dreiwege-Katalysator.
Jörgen Kolar

6. Gebietsbezogene jährliche Emissionen

Zusammenfassung
Die wohl erste Untersuchung über die globalen Emissionen der Stickstoffoxide legten Robinson u. Robbins im Jahre 1968 vor [1]. Sie sind biogenen ( natürlichen ), gemischten u. anthropogenen ( durch die menschliche Tätigkeit bedingten ) Ursprungs. Quellen für die biogene Entstehung von Stickstoffoxiden sind:
  • —Freisetzung aus dem Boden
  • —Elektrische Entladungen in der Troposphäre
  • —Turbulente Diffusion von NOx aus der Stratosphäre in die Troposphäre
  • —Photolyse der Nitrite der Ozeane
Jörgen Kolar

7. Betrachtung einiger Vorgänge der Transmission

Zusammenfassung
Nach Verlassen der Technosphäre gelangen die luftverunreinigenden Stoffe in die offene Atmosphäre, wo sie einer Vielzahl von Prozessen physikalischer und/oder chemischer Natur unterliegen bevor sie in die bodennahen Schichten der Atmosphäre gelangen und dort zur Immission werden (Bild 7.1 ). Das Verbindungsglied zwischen Emission und Immission durch die Physik und Chemie der Atmosphäre haben Prinz und Stratmann 1969 erstmals als Transmission bezeichnet. Um die vielen bisher verwendeten Begriffe wie z.B. Ausbreitung, Verteilung, Dispersion, Transport, Transfer zu ersetzen, definierten sie [1]: „Eine Transmission findet dort statt, wo die Einflußnahme der Atmosphäre auf die Bewegung luftfremder Substanzen zu einem Maximum geworden ist.“ Am Ort der Emission ist der Einfluß der Atmosphäre Null; er steigt aber schnell durch die zunehmende Bedeutung der Windgeschwindigkeit auf den Abgasstrom. Die VDI Richtlinie 2450 Bl. 1 enthält folgende Definition [2]: „Der Begriff Transmission bezeichnet alle Vorgänge, in deren Verlauf sich räumliche Lage und Verteilung der luftverunreinigenden Stoffe in der offenen Atmosphäre unter dem Einfluß von Bewegungsphänomenen oder infolge weiterer physikalischer sowie chemischer Effekte ändern.“
Jörgen Kolar

8. Immissionen der natürlichen und der belasteten Atmosphäre

Zusammenfassung
Für die Gefährdung, erhebliche Benachteiligung oder erhebliche Belästigung der Allgemeinheit oder der Nachbarschaft sind nicht die Emissionen maßgebend, sondern die Immissionen. Der im angelsächsischen Schrifttum unbekannte Begriff „Immission“ ( von immittere — hineinsenden ) entstammt dem römischen Recht und bedeutete ursprünglich „eine Sache wohin eindringen lassen, und zwar einen flüssigen, nicht festen Körper wohin leiten, fließend machen“ [1]. Dieser Sachverhalt fand Eingang in das deutsche Zivil- und Gewerberecht, weshalb schon lange vor der Umweltschutzdebatte ausführliche Erläuterungen zu diesem Begriff im juristischen Schrifttum vorliegen. Die Legaldefinition des Bundesimmissionsschutzgesetzes lautet (§3, Ziff. 2 BImSchG): Immissionen im Sinne dieses Gesetzes sind auf Menschen sowie Tiere, Pflanzen oder andere Sachen einwirkende Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen und ähnliche UmwelteinWirkungen. Die Immissionen sind in der Regel in 1,5 –4 m Höhe über der Flur sowie in mehr als 1,5 m seitlichem Abstand von Bauwerken zu messen; in Waldbeständen können höhere Meßpunkte festgelegt werden ( Nr. 2.6.2.4 TAL ). Nach dem Vorschlag des Rates der Europäischen Gemeinschaften für eine Richtlinie über Luftqualitätsnormen für Stickstoffdioxid liegt die Meßhöhe zwischen 1,5 und 5 m [2].
Jörgen Kolar

9. Wirkungen und Grenzwerte

Zusammenfassung
Die Wirkungen stellen das letzte Glied in der Kausalkette luftverunreinigender Stoffe dar:
  • —Entstehung,
  • —Emission,
  • —Transmission,
  • —Immission und Deposition,
  • —Wirkung.
Jörgen Kolar

10. Anhang

Ohne Zusammenfassung
Jörgen Kolar

Backmatter

Weitere Informationen