Trotz der in den letzten Jahren kontinuierlichen Verbesserung der Luftqualität in deutschen Innenstädten gibt es immer noch an einzelnen verkehrlich hoch belasteten Straßenabschnitten Überschreitungen der NO₂-Immissionswerte für das Jahresmittel. Überschreitungen des NO₂-Kurzzeitwertes für NO₂ bzw. des Jahresmittelwertes und Kurzzeitwertes von PM10 sind dagegen aktuell nicht mehr gemeldet worden.

In einigen Städten stehen noch Klagen der DUH im Raum, die eine schnellstmögliche Einhaltung der Grenzwerte fordern. Ein sehr hohes Belastungsniveau über Jahre hinweg wies die Station Stuttgart - Am Neckartor auf (s. Abb. 1-1). Über längere Zeit wurden hier nahezu die höchsten Immissionsbelastungen für PM10, aber auch NO2 gemessen. Dementsprechend viele emissions- und immissionsmindernde Maßnahmen wurden in den letzten Jahren im Auftrag des Regierungspräsidiums/Verkehrsministeriums geprüft und teilweise auch umgesetzt, um das Immissionsniveau unter die Immissionsgrenzwerte zu senken. Das Problem im Bereich des Neckartors ist neben dem sehr hohen Verkehrsaufkommen die Tallage mit vor allem in Wintermonaten ausgeprägten austauscharmen Inversionswetterlagen sowie insgesamt, im Stuttgarter Innenstadttalkessel, ein recht geringes Windgeschwindigkeitsniveau mit entsprechend schlechter Durchlüftung.

Dies führte unter anderem dazu, dass in Stuttgart erstmalig ein so genannter Feinstaubalarm eingeführt wurde. Dieser basiert auf einem vom Deutschen Wetterdienst entwickelten Vorhersagemodul. Bei zu erwartenden austauscharmen Wetterlagen wurde dabei die Bevölkerung im großräumigen Umfeld von Stuttgart aufgefordert, möglichst wenig Fahrten im Talkessel mit dem eigenen Fahrzeug durchzuführen und auf öffentliche Verkehrsmittel umzusteigen. Der Feinstaubalarm wurde im April 2020 abgeschafft, da der PM10-Kurzzeitwert nicht mehr überschritten wurde.

Neben vielen verkehrlichen Maßnahmen (verkehrsbeeinflussende, verkehrslenkende Maßnahmen) wurden in Stuttgart auch teilweise verkehrsverhindernde Maßnahmen umgesetzt (Dieselverkehrsverbote), die jedoch bei der Bevölkerung, aber auch bei der Politik auf Widerstand stoßen.

Neben diesen „direkt an der Quelle“ ansetzenden Maßnahmen wurden auch indirekt wirkende technische Maßnahmen geprüft, wie beispielsweise eine Mooswand zur Bindung von Luftschadstoffen, photokatalytische Beschichtungen von Gebäuden und Straßenoberflächen zur Bindung von Stickoxiden oder aber auch der so genannte Feinstaubkleber.

Wie die Entwicklung der NO₂-Jahresmittelwerte (Abb. 1-2) sowie der maximal zulässigen Überschreitungen für den PM10-Kurzzeitwert seit 2011 zeigen, hat sich die Immissionssituation am Neckartor in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert, was bzgl. der vom Verkehr verursachten Immissionen zum einen auf eine ständige Erneuerung der Fahrzeugflotte von Jahr zu Jahr, aber auch durch die seit 2015 kontinuierlich umgesetzten Maßnahmen zurückzuführen ist.

Vor dem Hintergrund der schnellstmöglichen Einhaltung des NO₂-Immissionswertes für das Jahresmittel förderte das Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg mit Unterstützung der Landeshauptstadt Stuttgart auch ein Pilotprojekt zur Untersuchung der Wirksamkeit von Luftfilteranlagen. Hierzu wurden am hochbelasteten Straßenabschnitt „Am Neckartor“ in Stuttgart erstmalig Filteranlagen der Firma MANN + HUMMEL zur PM10- und NO₂-Reduktion installiert.

Im Vorfeld zu diesem Pilotprojekt wurden durch das Ingenieurbüro Rau im Auftrag der Mann + Hummel GmbH Simulationsrechnungen zur Quantifizierung einer möglichen Minderungswirkung durchgeführt. Dabei ging es insbesondere darum, die grundsätzliche Wirkung nachzuweisen, die erforderliche Anzahl von Filtersäulen sowie die Aufstellung im Raum, um im Bereich der Fassaden auf der Südseite der B14 eine möglichst gleichmäßige Minderungswirkung zu erzielen, im Vorfeld rechentechnisch zu simulieren.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einführung und Aufgabenstellung

Trotz der in den letzten Jahren kontinuierlichen Verbesserung der Luftqualität in deutschen Innenstädten gibt es immer noch an einzelnen verkehrlich hoch belasteten Straßenabschnitten Überschreitungen der NO₂-Immissionswerte für das Jahresmittel. Überschreitungen des NO₂-Kurzzeitwertes für NO₂ bzw. des Jahresmittelwertes und Kurzzeitwertes von PM10 sind dagegen aktuell nicht mehr gemeldet worden.

In einigen Städten stehen noch Klagen der DUH im Raum, die eine schnellstmögliche Einhaltung der Grenzwerte fordern. Ein sehr hohes Belastungsniveau über Jahre hinweg wies die Station Stuttgart - Am Neckartor auf (s. Abb. 1-1). Über längere Zeit wurden hier nahezu die höchsten Immissionsbelastungen für PM10, aber auch NO₂ gemessen. Dementsprechend viele emissions- und immissionsmindernde Maßnahmen wurden in den letzten Jahren im Auftrag des Regierungspräsidiums/Verkehrsministeriums geprüft und teilweise auch umgesetzt, um das Immissionsniveau unter die Immissionsgrenzwerte zu senken. Das Problem im Bereich des Neckartors ist neben dem sehr hohen Verkehrsaufkommen die Tallage mit vor allem in Wintermonaten ausgeprägten austauscharmen Inversionswetterlagen sowie insgesamt, im Stuttgarter Innenstadttalkessel, ein recht geringes Windgeschwindigkeitsniveau mit entsprechend schlechter Durchlüftung.

Dies führte unter anderem dazu, dass in Stuttgart erstmalig ein so genannter Feinstaubalarm eingeführt wurde. Dieser basiert auf einem vom Deutschen Wetterdienst entwickelten Vorhersagemodul. Bei zu erwartenden austauscharmen Wetterlagen wurde dabei die Bevölkerung im großräumigen Umfeld von Stuttgart aufgefordert, möglichst wenig Fahrten im Talkessel mit dem eigenen Fahrzeug durchzuführen und auf öffentliche Verkehrsmittel umzusteigen. Der Feinstaubalarm wurde im April 2020 abgeschafft, da der PM10-Kurzzeitwert nicht mehr überschritten wurde.

Neben vielen verkehrlichen Maßnahmen (verkehrsbeeinflussende, verkehrslenkende Maßnahmen) wurden in Stuttgart auch teilweise verkehrsverhindernde Maßnahmen umgesetzt (Dieselverkehrsverbote), die jedoch bei der Bevölkerung, aber auch bei der Politik auf Widerstand stoßen.

Neben diesen „direkt an der Quelle“ ansetzenden Maßnahmen wurden auch indirekt wirkende technische Maßnahmen geprüft, wie beispielsweise eine Mooswand zur Bindung von Luftschadstoffen, photokatalytische Beschichtungen von Gebäuden und Straßenoberflächen zur Bindung von Stickoxiden oder aber auch der so genannte Feinstaubkleber.

Wie die Entwicklung der NO₂-Jahresmittelwerte (Abb. 1-2) sowie der maximal zulässigen Überschreitungen für den PM10-Kurzzeitwert seit 2011 zeigen, hat sich die Immissionssituation am Neckartor in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert, was bzgl. der vom Verkehr verursachten Immissionen zum einen auf eine ständige Erneuerung der Fahrzeugflotte von Jahr zu Jahr, aber auch durch die seit 2015 kontinuierlich umgesetzten Maßnahmen zurückzuführen ist.

Vor dem Hintergrund der schnellstmöglichen Einhaltung des NO₂-Immissionswertes für das Jahresmittel förderte das Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg mit Unterstützung der Landeshauptstadt Stuttgart auch ein Pilotprojekt zur Untersuchung der Wirksamkeit von Luftfilteranlagen. Hierzu wurden am hochbelasteten Straßenabschnitt „Am Neckartor“ in Stuttgart erstmalig Filteranlagen der Firma MANN + HUMMEL zur PM10- und NO₂-Reduktion installiert.

2 Filteranlagen und deren Wirkungsweise

Die in dieser Untersuchung betrachteten Filtersäulen bestehen im Wesentlichen aus drei aufeinander angeordneten quadratischen Filter Cubes mit einer Kantenlänge von je ca. 94 cm. Diese stehen auf einem Sockel mit einer Grundfläche von ca. 70 cm x 70 cm und einer Höhe von ca. 50 cm sowie einem Betonfundament von ca. 40 cm Höhe. Die Gesamthöhe einer Filtersäule liegt bei ca. 4,0 m. Eine Skizze ist in Abb. 2-1 gegeben.

Jeder Filter Cube saugt ca. 4.830 m³ Luft pro Stunde an. Eine Filtersäule hat somit einen Luftdurchsatz von 14.500 m³/h. Die Ansaugung der mit Luftschadstoffen belasteten Umgebungsluft erfolgt dabei in aller Regel auf der straßenzugewandten Seite bzw. parallel zur Straße entgegen der Fahrtrichtung. Auf der jeweils gegenüberliegenden Seite (Gehwegbereich) wird die gereinigte Luft wieder ausgeblasen. Die Cubes filtern die angesaugte Luft und entfernen dabei Stickstoffdioxid (NO₂) mit einem Filterwirkungsgrad von mittlerweile bis zu 90% (der Filterwirkungsgrad wird unter anderem vom Filterwechselintervall bestimmt; nach Untersuchungen von Mann + Hummel kann mit einem monatlichen Wechselintervall eine Abscheideleistung von 90% garantiert werden). Weitere Details zu den Filteranlagen sind dem Folgevortrag von Mann + Hummel zu entnehmen.

Abb. 2-1: Skizze einer Filtersäule mit charakteristischen Dimensionen (ohne 40 cm hohes Betonfundament). Quelle: Mann + Hummel.

3 Modellumsetzung der Filteranlagen

3.1 Anforderung an ein Modell zur Modellierung der Wirkungsweise von Filteranlagen

Die Herausforderung bei der modelltechnischen Ermittlung der Reduktionswirkung schadstoffbeladener Luft durch Filteranlagen besteht im Wesentlichen darin, dass einerseits die kleinräumige Strömungsmechanik in und um die Filteranlage (Ansaugung und Ausblasen), andererseits die durch die Meteorologie und die durch die Fahrzeuge erzeugte Strömung und Turbulenz im Straßenraum so realistisch wie möglich wiedergegeben werden sollte. Als Ergebnis wird schlussendlich eine Aussage zu der Änderung der statistischen Kenngröße „Jahresmittelwert NO₂“ benötigt, was wiederum ein Modell voraussetzt, das in der Lage ist, verlässlich statistische Kenngrößen zu ermitteln.

3.2 Strömungsmechanische Situation

Im unmittelbaren Nahbereich der Filteranlage wird die Strömung durch die Filtersäule bestimmt. Es entsteht durch die Absaugung ein Unterdruck auf der Ansaugseite. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die abgereinigte Luft radial ausgeblasen. Es entsteht ein drallbehafteter Ausblasimpuls, der sich mit der im Straßenraum vorherrschenden Strömung, die zum einen durch den Wind, zum anderen aber auch durch den Verkehr induziert sein kann, überlagert. Es stellt sich die Frage, welcher der Prozesse in seiner Wirkung, auch in Hinblick auf die gewünschte Kenngröße des Jahresmittelwerts, dominiert und daher möglichst genau modelliert werden sollte und welcher der Prozesse näherungsweise im Modell betrachtet werden kann.

In der Abb. 3-1 ist die Strömungssituation idealisiert, dargestellt. Das Strömungsfeld in Fahrbahnnähe wird stark durch den fließenden Verkehr geprägt (Uv), wobei hier Druckeffekte als auch Verdrängungseffekte wirken. Diese verkehrsinduzierte Strömung und Turbulenz wird durch die jeweils vorherrschende Windgeschwindigkeit überlagert. Es stellt sich für einen bestimmten Zeitraum entsprechend der verkehrsbedingten Emissionen und dem vorherrschenden Strömungs- und Turbulenzsystem, ein räumlich strukturiertes Immissionsfeld ein. Dabei setzt sich die Immissionsbelastung aus der Zusatzbelastung, induziert durch den Verkehr, und der zu diesem Zeitraum vorherrschenden Hintergrundbelastung zusammen, die im Straßenraum als räumlich homogen verteilt angenommen werden kann.

Die Auswirkung der Ansaugung im Bereich der Filtersäule auf das Strömungsfeld ist gegenüber den anderen beschriebenen Prozessen eher vernachlässigbar. Der Ausblasimpuls ist spürbar, nimmt aber, wie orientierende Messungen an Filtersäulen zeigen, sehr schnell mit der Entfernung zum Ausblasquerschnitt ab und liegt in einer Entfernung von ca. 1 m bei etwa 0,5 bis 0,7 m/s. Das bedeutet, dass von einem nur schwach ausgeprägten horizontalen Strahlimpuls auszugehen ist.

Bei einer schwach windigen Situation bildet sich, wie in der Skizze (Abb. 3-1) oben dargestellt, auf der Ausblasseite eine „Fahne“ mit gereinigter Luft NO₂(r), die sich in Richtung Gebäudewand ausbreitet. In diese Fahne wird die umgebende Luft mit der NO₂-Konzentration NO₂(g) eingemischt. Je nach der Entfernung zwischen einzelnen Säulen (l) bzw. der Entfernung zur Gebäudewand (s) überlagern sich die „Frischluftfahnen“ in Lee des Ausblasquerschnitts mit der Umgebungsluft und sorgen somit für eine wandnahe Zone mit reduzierten NO₂-Konzentrationen.

Bei stärkerer Windströmung, bspw. gebäudeparallel, werden die Fahnen wie in der unteren Skizze von Abb. dargestellt stärker in Windrichtung verdriftet.

Insgesamt kann davon ausgegangen werden, dass die Ausbreitung gereinigter Luft auf der Leeseite der Filtersäule stärker durch das sich im Straßenraum ausbildende Strömungs- und Turbulenzsystem im Straßenraum und weniger durch die Ansaugung bzw. die Strahldynamik des Filterelements selbst geprägt wird.

3.3 Strömungs- und Ausbreitungsmodell

Als geeignet für die Simulationen wurde vor den Hintergrund der Analyse in Kapitel 3.2 das mikroskalige prognostische Modell MISKAM [1] [2] eingeschätzt. MISKAM hat sich in den letzten Jahren bei Detailuntersuchungen im Rahmen der Luftreinhaltung vielfach bewährt. Zum einen ist eine feine Auflösung des Straßenraums zur realistischen Abbildung des Strömungs- und Ausbreitungsfeldes möglich. Zum anderen hat sich MISKAM insbesondere bei der Berechnung statistischer Kenngrößen wie dem NO₂-Jahresmittelwert bewährt, indem unterschiedliche meteorologische Situationen berechnet und entsprechend der für den Standort repräsentativen Meteorologie gewichtet werden unter Berücksichtigung einer vereinfachten, auf Jahreskenngrößen basierenden Ozonchemie.

4 Untersuchungsumfang und Randbedingungen für die Modellierungen

4.1 Untersuchungsumfang

In einem ersten Schritt wurden für eine unterschiedliche Anzahl und Platzierung von Filtersäulen im Bereich der Messstelle Am Neckartor für meteorologische Einzelsituationen bzgl. der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit Einzelfallbetrachtungen durchgeführt. Dabei wurden jeweils zwei Fälle betrachtet, und zwar ein so genannter Nullfall mit Filtersäulen, die nicht in Betrieb sind, sowie ein Planfall mit Filtersäulen in Betrieb. Für diese Einzelzustände wurden flächendeckend die mittleren NO₂-Konzentrationen berechnet und die prozentuale Minderungswirkung zwischen Planfall und Nullfall ermittelt. Die für einen Referenzfall (in diesem Fall ein Trendfall für das Bezugsjahr 2019) ermittelte Minderungswirkung kann näherungsweise auch auf andere Bezugsjahre sowie andere Referenzfälle angewandt werden, solange sich die Abweichungen von dem hier untersuchten Referenzfall nur auf das Emissionsniveau, nicht aber auf den Ort der Emissionsfreisetzung beziehen.

In einem zweiten Schritt wurden dann Berechnungen zur Ermittlung einer prozentualen NO₂-Minderung im Jahresmittel durchgeführt, die schlussendlich von vornehmlichem Interesse ist. In den folgenden Kapiteln sind die Randbedingungen, die den MISKAM-Berechnungen zugrunde liegen, kurz zusammengestellt.

4.2 Randbedingungen für die MISKAM-Berechnungen

4.2.1 Verkehrsdaten und Emissionsermittlung

Die Verkehrsdaten basieren auf Verkehrsmodellberechnungen und wurden dem Gesamtwirkungsgutachten für Stuttgart für den Trendfall 2019 übernommen [3].

Die Emissionsberechnungen wurden auf Grundlage des „Handbuchs für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs - HBEFA“ in der Version 3.3 [4] ermittelt. Dabei wurden die die Emissionsfaktoren maßgeblich beeinflussenden Parameter Fahrzeugkategorie, Verkehrssituationen, Längsneigung der Straße, Zusammensetzung der Fahrzeugflotte (Fahrleistungsanteile der Fahrzeuge einer bestimmten Gewichts- bzw. Hubraumklasse mit der entsprechenden Abgasreinigungstechnik) detailliert bestimmt.

4.2.2 Festlegung Untersuchungsgebiet

In Abb. 4-1 ist das Untersuchungsgebiet dargestellt. Es umfasst den Bereich, in dem die Aufstellung von Filtersäulen geplant ist, sowie einen für die korrekte Modellierung erforderlichen Einström- und Ausströmrand. Das Untersuchungsgebiet hat eine Ausdehnung von ca. 630 m in Südwest-Nordostrichtung und 500 m in Nordwest-Südostrichtung. Die horizontale Auflösung wurde im Kerngebiet in beiden Raumrichtungen mit 1,0 m festgelegt. In der Vertikalen wurde bis in eine Höhe von 4,0 m eine Auflösung von 0,4 m gewählt; darüber erfolgte eine modellspezifische Spreizung der Gitterweite bis hin zum oberen Modellrand, der mit der vierfachen Höhe des höchsten Gebäudes zur Vermeidung von Randeffekten definiert wurde. Das digitale Gebäudemodell basiert auf Katasterplänen und 3D-Gebäudemodellen (LOD1), die von der Stadt Stuttgart digital zur Verfügung gestellt wurden.

Die Kfz-Emissionen des Straßenverkehrs wurden spurfein als horizontale bodennahe Linienquellen im Modell berücksichtigt.

Abb. 4-1: Lageplan des Untersuchungsgebietes.

4.2.3 Meteorologie

Für die Bestimmung statistischer Kenngrößen (Jahresmittelwerte) für die zu untersuchenden Luftschadstoffe NO_x und NO₂ werden für das Untersuchungsgebiet repräsentative meteorologische Daten benötigt, die entweder in Form einer Ausbreitungsklassenstatistik oder Ausbreitungsklassenzeitreihe vorliegen. Für Untersuchungen innerhalb städtischer Bebauung ist es Standard, mit einer 2-dimensionalen Windverteilung (Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitshäufigkeit) und neutraler Schichtung zu arbeiten, da die Gebäudeturbulenz kleinräumig thermische Effekte dominiert. Die Jahresmittelwerte werden durch Gewichtung der für jede Anströmrichtung und Windgeschwindigkeitsklasse bestimmten Immissionskonzentrationsfelder gemäß der prozentualen Häufigkeit der entsprechenden Ausbreitungssituation, die in der Windstatistik durch Angabe der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit definiert ist, bestimmt.

Für die vorliegende Untersuchung wurden synthetische Winddaten der Arbeitsgemeinschaft IB Rau / METCON [5] [6] gewählt, die in einem Raster von 500 x 500 m² für ganz Deutschland vorliegen. In Abb. 4-2 ist die Windrose (ermittelt für einen 10- jährigen Zeitraum 2001-2010) dargestellt. Die Windrosenverteilung zeigt die Häufigkeit der Windrichtungen in 10°-Schritten sowie die Geschwindigkeitsklassen nach TA Luft. Das Windrichtungsmaximum liegt bei Winden aus Südwest und gibt somit den Straßenverlauf wieder. Das Sekundärmaximum zeigt Winde aus der Gegenrichtung, ein zweites Sekundärmaximum Winde aus Nordwestrichtung aus Richtung Stadtpark. Die jahresmittlere Windgeschwindigkeit in Anemometerhöhe (10 m über Verdrängungshöhe) liegt bei 1,0 m/s und verdeutlicht die schwachwindige Situation im Stuttgarter Talkessel.

Abb. 4-2: Verteilung der Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen im Bereich des Neckartors in Stuttgart.

4.3 Bestimmung der Gesamtbelastung

4.3.1 Hintergrundbelastung

Die Berechnungen mit MISKAM liefern als Ergebnis die durch die Emissionen der Straßen im Untersuchungsgebiet verursachten Immissionszusatzbelastungen. Die Immissionsgesamtbelastung ergibt sich durch Überlagerung der berechneten Zusatzbelastung mit der Hintergrundbelastung, die sich aus den übrigen lokalen (städtischen) und regionalen Emissionsquellen und dem großräumigen Schadstofftransport zusammensetzt. Die Hintergrundbelastung für die im Rahmen der Auswertung benötigten Parameter NO₂, NO und Ozon wurden ebenfalls aus der verfügbaren Prognose [3] übernommen und wie folgt festgelegt (Tab. 4-1):

Tab. 4-1: Hintergrundbelastung für den Trendfall 2019 im Bereich des Neckartors.

4.3.2 Jahresmittelwerte

Mit den charakteristischen Werten für die Hintergrundbelastung wurden durch Überlagerung mit den berechneten Zusatzbelastungswerten die statistischen Kenngrößen (Jahresmittelwerte für NO₂) berechnet. Bei der Überlagerung der Hintergrundbelastungswerte mit den Zusatzbelastungswerten muss bei Stickoxiden die NO-NO₂-Konversion berücksichtigt werden. Die chemische Umwandlung von NO_x nach NO₂ ist äußerst komplex und von einer Reihe von Parametern wie z. B. UV-Strahlung, Ozonwert, Temperatur abhängig. Für die vorliegende Untersuchung wird nach Stand der Technik für die Umwandlung der vereinfachte empirische Modellansatz nach Düring [7] angewandt, der den NO-NO₂-Umwandlungsgrad als Funktion der NO_x-Gesamtimmission und der O₃-Hintergrundkonzentration beschreibt. Hierzu wurden die Messwerte der Hintergrundmessstation für NO₂, NO und O₃ (s. Tab. 4-1) herangezogen.

4.4 Umsetzung der Filterwirkung in dem Modell MISKAM

Das mikroskalige prognostische Modell MISKAM kann den komplexen Mechanismus der einseitigen Ansaugung belasteter Luft und das Ausblasen gereinigter Luft auf der gegenüberliegenden Seite der Filtersäule bzgl. seiner Dynamik nicht genau wiedergeben, wie in Kapitel 3.1 beschrieben wurde. Ebenso kann die Abreinigung von NO₂ in der Filtersäule nicht nachgebildet werden. Aus diesem Grund wurde ein Ersatzsystem definiert, das im Folgenden beschrieben wird.

Die Filtersäulen saugen mit dem vorgegebenen Volumenstrom die NO₂-Schadstoffkonzentration an, die im Bereich der zur Straße hin (auf der Seite der Messstelle Am Neckartor) bzw. auf der dem Verkehr zugewandten Seite (auf der Seite zum Stadtpark hin) an den Ansaugöffnungen für eine bestimmte meteorologische Situation in Höhe des jeweiligen Filterelements ansteht. Diese anstehende NO₂-Konzentration setzt sich zusammen aus der durch den Verkehr direkt freigesetzten NO₂-Emission sowie der NO₂-Hintergrundkonzentration, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in erster Näherung als konstanter Wert im Straßenraum definiert wird. Dieser NO₂-Massenstrom wird entsprechend der Reinigungsleistung reduziert und auf der entgegengesetzten Seite wieder als Frischluftquelle freigesetzt. Modelltechnisch wird diese Senke als Quelle definiert und mit dem im Straßenraum vorherrschenden lokal variierenden Konzentrationsfeld durch Differenzbildung überlagert. Als Ergebnis erhält man somit gegenüber der Ausgangssituation ein räumlich modifiziertes NO₂-Feld. Anschließend wird unter Berücksichtigung des empirischen Ansatzes von Düring die räumliche NO₂-Gesamtbelastung für das Jahresmittel bestimmt. Für die Ozonkonzentration sowie die Hintergrundbelastung werden dabei jahresmittlere Werte angesetzt, was in erster Näherung bei der Betrachtung der jahresmittleren Wirkung angenommen werden kann.

Bei der Verortung der „Ersatzquelle“ spielt der Impuls, der durch das Gebläse der Filtersäule induziert wird, eine Rolle. Dieser kann mit MISKAM, wie bereits in Kapitel 3.2 beschrieben nicht abgebildet werden. Orientierende Strömungsgeschwindigkeitsmessungen zeigen jedoch, dass der Impuls nicht sehr stark ausgeprägt ist. Dies wurde durch CFD-Modellierungen (Computational Fluid Dynamics) für Einzelsituationen, die von Mann + Hummel durchgeführt wurden, bestätigt. Es ist somit vertretbar, die Ersatzquelle in den an die Ausblasöffnung angrenzenden Rechenzellen zu definieren. Es wurde modelltechnisch ein Filterwirkungsgrad von 80% angesetzt.

5 Immissionsseitige Minderungswirkungen

5.1 Verteilung im Straßenraum

Im Zuge der Untersuchung wurden mehrere Varianten mit unterschiedlicher Anzahl und Lage der Filtersäulen untersucht. Die hier weiter betrachtete Säulenkonfiguration stellt eine bzgl. der Immissionsminderung im gebäudenahen Bereich auf der südlichen Straßenseite optimierte Variante dar und besteht aus 23 Filtersäulen, die charakteristisch entsprechend der Darstellung in Abb. 5-1 angeordnet wurden. Die Absaugung erfolgt bei den Filtersäulen auf der Straßenseite der Messstation (Pfeile links im Bild) quer zur Straßenachse hin zu den Gebäudefronten. Auf der zum Park hin orientierten Straßenseite (Pfeile rechts im Bild) erfolgt die Absaugung parallel zur Straßenachse, die gereinigte Luft wird in Fahrtrichtung wieder ausgeblasen.

Abb. 5-1: Anordnung der Filtersäulen der Firma Mann + Hummel im Bereich des Neckartors in Stuttgart; Blick von der Fußgängerbrücke. Quelle: Mann + Hummel.

5.2 Immissionsseitige Reduktionswirkung für ausgewählte Anströmsituationen

Die Abb. 5-2 zeigt exemplarisch Ergebnisse für eine straßenparallele Anströmung aus Südsüdwest (222°) mit einer Anströmgeschwindigkeit von 1 m/s in 10 m Höhe über Grund. Die Säulen wurden als Körper definiert, waren aber nicht in Betrieb. Des Weiteren wurde die jahresmittlere Emission zugrunde gelegt. Bei dieser recht häufigen Anströmsituation im Bereich des Neckartors (s. Abb. 4-2) liegen die NO₂-Konzentrationen im Bereich des Gebäudes Nr. 18 zwischen 40 und 60 µg/m³, im Bereich des Gebäudes Nr. 20 im Bereich zwischen 65 und 70 µg/m³ und im Bereich des Gebäudes Nr. 22 zw. 65 und 75 µg/m³.

Werden die Säulen in Betrieb genommen (Abb. 5-3), nimmt die Immissionskonzentration im gebäudenahen Bereich ab. Im Bereich des Gebäudes Nr. 18 liegen die Konzentrationen zwischen 40 und 55 µg/m³, im Bereich des Gebäudes Nr. 20 im Bereich zwischen 60 und 65 µg/m³ und im Bereich des Gebäudes Nr. 22 zw. 50 und 60 µg/m³.

Die Abb. 5-4 zeigt die Minderungswirkung in Prozent. Sie liegt vor Gebäude 18 zwischen 2,5 und 5%, lokal etwas darüber, vor Gebäude Nr. 20 zwischen 2,5 und 5% und vor dem Gebäudekomplex 22 zwischen 10 und 15%, lokal etwas darüber. Die Minderung nimmt bei dieser Einzelfallbetrachtung mit zunehmender Distanz von der Säule ab. Vor dem Gebäudekomplex Nr. 22 ist die Wirkung am stärksten und homogensten ausgeprägt, da sich die Wirkung der drei Säulen im Bereich der Gebäudefassade überlagert.

Abb. 5-5 zeigt für diese Situation den Vertikalschnitt C-D vor der Fassade von Gebäude Nr. 22, Blick von Nordwest auf die Gebäudefassade. Hier ist gut zu sehen, wie die Minderungswirkung mit zunehmender Distanz von der Säule in horizontaler als auch vertikaler Richtung abnimmt. Die Einzelfallbetrachtung zeigt deutlich, dass eine homogene Minderungswirkung nur durch eine recht regelmäßige Anordnung der Säulen mit einer ähnlichen Distanz zu der zu schützenden Fassade erzielt werden kann.

Abb. 5-2: NO₂-Immissionskonzentration für eine Anströmung aus Südsüdwest mit einer Anströmgeschwindigkeit von 1 m/s und für mittlere Emissionsverhältnisse in 1,5 m über Grund; Säulen nicht in Betrieb.

Abb. 5-3: NO₂-Immissionskonzentration für eine Anströmung aus Südsüdwest mit einer Anströmgeschwindigkeit von 1 m/s und für mittlere Emissionsverhältnisse in 1,5 m über Grund; Säulen in Betrieb.

Abb. 5-4: NO₂-Immissionskonzentration für eine Anströmung aus Südsüdwest mit einer Anströmgeschwindigkeit von 1 m/s und für mittlere Emissionsverhältnisse in 1,5 m über Grund; prozentuale Minderung durch die Filtersäulen.

Abb. 5-5: NO₂-Immissionskonzentration für eine Anströmung aus Südsüdwest mit einer Anströmgeschwindigkeit von 1 m/s und für mittlere Emissionsverhältnisse; Vertikalschnitt vor Gebäude Nr. 22; prozentuale Minderung durch die Filtersäulen.

5.3 Immissionsseitige Reduktionswirkung im Jahresmittel

Die mit MISKAM flächig berechneten Jahresmittelwerte der Gesamtbelastung für NO₂ in 1,5m sowie in 5,0m Höhe über Geländeniveau sind für den Referenzfall (Bezugsjahr 2019) (Säulen außer Betrieb) in Abb. 5-6 und Abb. 5-7 dargestellt.

Im Bereich des Gebäudes Nr. 18 liegen die Konzentrationen im Jahresmittel zwischen 65 und 75 µg/m³, im Bereich des Gebäudes Nr. 20 im Bereich zwischen 75 und 80 µg/m³ und im Bereich des Gebäudes Nr. 22 zw. 65 und 75 µg/m³. Im Bereich der Messstelle in 3 m Höhe (nicht dargestellt) liegt der Wert in etwa bei 65 µg/m³. Dieser Wert ist deutlich höher als der Messwert am Ende des Jahres 2019 (s. Abb. 1-2). Allerdings wurden im Laufe des Jahres 2019 mehrere Maßnahmen im Bereich des Neckartors umgesetzt, die sich deutlich auf den Messwert im Jahresmittel ausgewirkt haben, wie z. B. die Einführung einer Busspur, die Inbetriebnahme der Filtersäulen selbst am 01.08.2019 und seit 01.01.2019 ein Dieselverkehrsverbot für Fahrzeuge mit den Emissionsklassen kleiner als Euro 5. Der hier betrachtete Trendfall 2019 hat diese Maßnahmen noch nicht inkludiert.

Die Abb. 5-7 zeigt die flächig berechneten Jahresmittelwerte der Gesamtbelastung für NO₂ für den Referenzfall 2019 in 1,5 m Höhe bei ganzjährigem Betrieb der Filtersäulen. Es ist zu erkennen, dass im Nahbereich der Filtersäulen im Bereich der Häuserfronten die Immissionskonzentrationen deutlich zurückgehen. Die Immissionskonzentrationen liegen im Bereich des Gebäudes Nr. 18 im Jahresmittel zwischen 60 und 65 µg/m³, lokal etwas darüber, im Bereich des Gebäudes Nr. 20 im Bereich zwischen 60 und 70 µg/m³ und im Bereich des Gebäudes Nr. 22 zw. 60 und 65 µg/m³.

Die Abb. 5-8 zeigt die prozentual im Jahresmittel zu erwartende Minderung. Sie liegt vor Gebäude 18 zwischen 10 und 12,5%, im unmittelbaren Nahbereich der Säulen lokal deutlich darüber. Vor Gebäude Nr. 20 liegt die Minderung zwischen 12,5 und 15%, lokal etwas darüber und vor dem Gebäudekomplex 22 zwischen 7,5% und 12,5%. Am Ort der Messstelle ist die Wirkung auf Grund der größeren Distanz zur nächstgelegenen Filtersäule geringer ausgeprägt und liegt bei etwa 8,5%. Wie in dem Beitrag von Mann + Hummel gezeigt wird, stimmt diese Minderungswirkung sehr gut mit dem Ergebnis der systematisch durchgeführten Messungen überein.

Abb. 5-6: Jahresmittlere NO₂-Immissionskonzentration in 1,5 m über Grund; Säulen nicht in Betrieb.

Abb. 5-7: Jahresmittlere NO₂-Immissionskonzentration in 1,5 m Höhe über Grund; Säulen in Betrieb mit einer Reinigungsleistung von 80%.

Abb. 5-8: Prozentuale Minderung durch die Filtersäulen im Jahresmittel in 1,5 m über Grund.

5.4 Wirkung unterschiedlicher Maßnahmen am Neckartor

Die Maßnahme „Filtersäulen“ ist eine von mehreren Maßnahmen, die im Jahr 2019 in Stuttgart umgesetzt wurden. Mit ca. 8,5% prognostizierter Minderung des NO₂-Jahresmittelwertes ist es eine recht wirksame Maßnahme. Die Wirkung, die modelltechnisch unter den diskutierten vereinfachenden Annahmen prognostiziert wurde, wurde durch systematische Messungen (Mann + Hummel) bestätigt. Es ist verständlicherweise von Interesse, ob sich die Wirkung der Filtersäulen auch in den kontinuierlichen Messungen der Luftmessstation niederschlägt. Für eine diesbezügliche Einschätzung wurden in einem 14-tägigen Intervall gleitende Jahresmittelwerte gebildet. Diese Werte wurden für zwei identische Zeiträume vor und nach Inbetriebnahme der Filtersäulen bis kurz vor dem ersten Corona-bedingten Lock Down im März 2020 erfasst. Die zweite Generation der Filtersäulen mit NO₂-Abreinigung wurde am 01.08.2019 in Betrieb genommen. Zeitnah wurde am 12.07.2019 die separate Busspur am Neckartor umgesetzt. In der Abb. 5-9 sind die gleitenden Jahresmittelwerte im 14-tägigen Intervall dargestellt.

Betrachtet man die Steigung der Trendgerade für den Zeitraum vor Inbetriebnahme der Filtersäulen bzw. vor Umsetzung der Busspur, so sieht man, dass diese deutlich flacher verläuft und die gleitenden Mittelwerte nach dem 01.08.2019 zunehmend von dieser Trendgeraden abweichen. Diese Trendgerade führt am Ende des Betrachtungsraumes (18.02.2020) auf einen gleitenden NO₂-Jahresmittelwert von etwa 55 µg/m³, was in etwa dem Wert entspricht, der ohne die ab dem 01.08.2019 umgesetzten Maßnahmen zu erwarten gewesen wäre.

Die Trendgerade nach dem 01.08.2019 verläuft deutlich steiler, was darauf schließen lässt, dass sich die Maßnahmen Filtersäulen und Busspur positiv in einer verstärkten Minderung des Jahresmittelwertes niederschlagen. Gemessen wurde ein Wert von 51,4 µg/m³. Diese Differenz von ca. 3,6 µg/m³ ist auf die Wirkung der Filtersäulen und auf die Busspur zurückzuführen.

Die im Jahresmittel prognostizierte Reduzierung von 8,5% entspricht auf den hier betrachteten Zeitraum von etwa 7 Monaten einer mittleren Minderung von ca. 4,5%. Dies entspricht einer modelltechnisch prognostizierten Minderung durch die Filtersäulen von ca. 2,5 µg/m³. Die restlichen 1 µg/m³ wären somit der Wirkung der Busspur für diesen Zeitraum anzurechnen. Bei Vernachlässigung zusätzlicher außergewöhnlicher meteorologischer Effekte bestätigt diese vereinfachte Ableitung die Wirkung der Filtersäulen für die Station Am Neckartor.

Abb. 5-9: Darstellung der gleitenden NO₂-Jahresmittelwerte für die Messstelle Am Neckartor für Zeiträume vor und nach Inbetriebnahme der Filtersäulen nur Reduzierung der NO₂-Konzentrationen

5.5 Ergebnisse für andere Hot Spots

Nachdem die Untersuchungen für das Neckartor erfolgsversprechende Ergebnisse gezeigt hatten, wurden für einige weitere Hot Spots in Deutschland abschätzende Berechnungen zur Wirksamkeit von Filtersäulen durchgeführt. Die Ergebnisse unterscheiden sich auf Grund folgender Punkte:

• Räumliche Bebauungsstruktur;
• Anordnung der Filtersäulen;
• Abstand zu der jeweils zu schützenden Gebäudefassade Säulendichte;
• Abstand der nächstgelegenen Filtersäule zu den einzelnen Hot Spot;
• meteorologische Verhältnisse.

In der folgenden Tabelle sind die Untersuchungen und die prognostizierten, maximal erzielbaren prozentualen NO₂-Minderungen im Jahresmittel zusammengefasst.

Tab. 5-1: Zusammenstellung von Untersuchungen zur Minderungswirkung von Filtersäulen.

6 Zusammenfassung

Die Untersuchungen für das Neckartor in Stuttgart, aber auch für andere untersuchte Hot Spots, zeigen, dass mit Filtersäulen im Nahfeld von Gebäudefassaden im innerstädtischen Raum eine Minderung der NO₂-Immissionskonzentrationen erzielt werden kann. Dabei kann durch eine möglichst gleichmäßige Anordnung der Säulen und eine entsprechende Säulendichte eine gleichmäßige Wirkung, entsprechend einer „Liniensenke“, erzielt werden. Des Weiteren wird durch eine möglichst geringe Distanz von Säulenstandort zu schützenswertem Bereich (bspw. Gebäudefassade) die Wirkung maximiert. In der Vertikalen wirken die Filtersäulen ebenfalls über die Höhe der Filtersäulen.

Mit den Filtersäulen kann somit eine deutliche Minderung der NO₂-Immissionskonzentrationen in dem Bereich, der durch die Filtersäulen abgedeckt wird, erzielt werden.

6 Literaturverzeichnis

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