Im Rahmen eines Pilotprojekts von MANN+HUMMEL, gefördert vom Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg und unterstützt von der Landeshauptstadt Stuttgart, ging im Dezember 2018 am Stuttgarter Verkehrs-Hotspot „Am Neckartor“ die erste großflächig angelegte Installation von Filtersäulen des Typs „Filter Cube“ in Betrieb. Anschließend wurden über das Jahr 2019 drei Hardwarekonfigurationen erprobt. Ausgehend von 17 Filteranlagen mit reinen Feinstaubfiltern zur PM10-Senkung (Phase I) erfolgte zunächst eine Umrüstung auf Aktivkohle-Kombifilterelemente zur Erprobung des grundsätzlichen Minderungspotentials von NO₂ durch derartige Filter (Phase II) und schließlich der Ausbau des Projekts auf 23 leistungsstärkere Filtersäulen mit optimierten NO₂-Filterelementen (Phase III). Der Fokus wird hier auf diese letzte Phase gelegt.

Durch Dauerversuche mit einem Gesamtumfang von 144 Messtagen konnten die gesetzten Ziele aller drei Phasen für die Schadstoffminderung von NO₂ und PM10 bestätigt werden. Die Versuchsmethodik beruhte auf einer Dauermessung der Schadstoffkonzentrationen bei periodischem Wechsel des Betriebszustandes. Als Ergebnis lagen Mittelwerte der Schadstoffkonzentrationen im AN- und AUS-Zustand der Anlagen vor. Der Nachweis der Minderungswirkung für den maßgeblichen Schadstoff (Phase I: PM10, Phase II & III: NO₂) erfolgte jeweils mit hoher statistischer Signifikanz von 99.5% und höher.

Im Versuchszeitraum der Dauerversuche wurden an der offiziellen Messstation der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) „Am Neckartor“ folgende Reduzierungen festgestellt:

Phase I: PM10-Reduzierung um 10.4%

Phase II: NO₂-Reduzierung um 6.0%

Phase III: NO₂-Reduzierung um 8.9%, PM10-Reduzierung um 6.7%

Darüber hinaus wurden im Lauf der Versuchsphase III die öffentlichen Messdaten durch ein von MANN+HUMMEL errichtetes Messnetz ergänzt, mit dem die Wirkung der Filtersäulen auf NO₂- und Feinstaubkonzentrationen an weiteren Punkten im Messbereich untersucht wurde. Dabei ergaben sich NO₂-Reduzierungen von 8.0% bis 19.4% (6 Messpunkte), PM10-Minderungen von 20.8% (1 Messpunkt) und PM2.5-Minderungen von 4.7% bis 20.2% (7 Messpunkte).

Den Versuchen in Phase I und III gingen Voruntersuchungen durch MISKAM-Simulationen durch das Ingenieurbüro Rau voraus (Rau, 2021), die im schützenswerten gebäudenahen Bereich Minderungswirkungen von 10-30% in Aussicht stellten. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung der Versuchsergebnisse an den Messpunkten mit den numerischen Prognosen. Demzufolge ist unter den getroffenen Modellannahmen von einer Eignung der Simulationsmethode zur Vorhersage der Wirkung von Filteranlagen im Freiluftbereich auszugehen. Dies ist insbesondere für Aussagen über die Flächenwirkung der Anlagen von Relevanz, weil selbst Dauerexperimente nur räumlich begrenzte Aussagen über Konzentrationsminderungen erlauben. Die Simulation kann hier die fehlende Flächeninformation liefern.

Neben den Schaltversuchen liefern auch Daten von NO₂-Passivsammlern der LUBW im Stuttgarter Stadtgebiet starke Indizien für eine Wirkung der Filteranlagen. Die MANN+HUMMEL Filteranlagen am Neckartor, der Hohenheimer Straße und der Pragstraße gingen zwischen Mitte September und Mitte Oktober 2019 in Betrieb. An 10 von 10 Messpunkten im Einflussbereich von Filteranlagen reduzierte sich daraufhin die NO₂-Konzentration vom 3. auf das 4. Quartal, im Mittel um 10% (-4.8 µg/m³). Dies steht in auffälligem Kontrast zum Trend im restlichen Stadtgebiet, wo 37 von 39 Messpunkten steigende Werte verzeichneten (Mittelwert +28% bzw. +6.8 µg/m³).

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

1 Zusammenfassung

Im Rahmen eines Pilotprojekts von MANN+HUMMEL, gefördert vom Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg und unterstützt von der Landeshauptstadt Stuttgart, ging im Dezember 2018 am Stuttgarter Verkehrs-Hotspot „Am Neckartor“ die erste großflächig angelegte Installation von Filtersäulen des Typs „Filter Cube“ in Betrieb. Anschließend wurden über das Jahr 2019 drei Hardwarekonfigurationen erprobt. Ausgehend von 17 Filteranlagen mit reinen Feinstaubfiltern zur PM10-Senkung (Phase I) erfolgte zunächst eine Umrüstung auf Aktivkohle-Kombifilterelemente zur Erprobung des grundsätzlichen Minderungspotentials von NO₂ durch derartige Filter (Phase II) und schließlich der Ausbau des Projekts auf 23 leistungsstärkere Filtersäulen mit optimierten NO₂-Filterelementen (Phase III). Der Fokus wird hier auf diese letzte Phase gelegt.

Durch Dauerversuche mit einem Gesamtumfang von 144 Messtagen konnten die gesetzten Ziele aller drei Phasen für die Schadstoffminderung von NO₂ und PM10 bestätigt werden. Die Versuchsmethodik beruhte auf einer Dauermessung der Schadstoffkonzentrationen bei periodischem Wechsel des Betriebszustandes. Als Ergebnis lagen Mittelwerte der Schadstoffkonzentrationen im AN- und AUS-Zustand der Anlagen vor. Der Nachweis der Minderungswirkung für den maßgeblichen Schadstoff (Phase I: PM10, Phase II & III: NO₂) erfolgte jeweils mit hoher statistischer Signifikanz von 99.5% und höher.

Im Versuchszeitraum der Dauerversuche wurden an der offiziellen Messstation der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) „Am Neckartor“ folgende Reduzierungen festgestellt:

Phase I: PM10-Reduzierung um 10.4%

Phase II: NO₂-Reduzierung um 6.0%

Phase III: NO₂-Reduzierung um 8.9%, PM10-Reduzierung um 6.7%

Darüber hinaus wurden im Lauf der Versuchsphase III die öffentlichen Messdaten durch ein von MANN+HUMMEL errichtetes Messnetz ergänzt, mit dem die Wirkung der Filtersäulen auf NO₂- und Feinstaubkonzentrationen an weiteren Punkten im Messbereich untersucht wurde. Dabei ergaben sich NO₂-Reduzierungen von 8.0% bis 19.4% (6 Messpunkte), PM10-Minderungen von 20.8% (1 Messpunkt) und PM2.5-Minderungen von 4.7% bis 20.2% (7 Messpunkte).

Den Versuchen in Phase I und III gingen Voruntersuchungen durch MISKAM-Simulationen durch das Ingenieurbüro Rau voraus (Rau, 2021), die im schützenswerten gebäudenahen Bereich Minderungswirkungen von 10-30% in Aussicht stellten. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung der Versuchsergebnisse an den Messpunkten mit den numerischen Prognosen. Demzufolge ist unter den getroffenen Modellannahmen von einer Eignung der Simulationsmethode zur Vorhersage der Wirkung von Filteranlagen im Freiluftbereich auszugehen. Dies ist insbesondere für Aussagen über die Flächenwirkung der Anlagen von Relevanz, weil selbst Dauerexperimente nur räumlich begrenzte Aussagen über Konzentrationsminderungen erlauben. Die Simulation kann hier die fehlende Flächeninformation liefern.

Neben den Schaltversuchen liefern auch Daten von NO₂-Passivsammlern der LUBW im Stuttgarter Stadtgebiet starke Indizien für eine Wirkung der Filteranlagen. Die MANN+HUMMEL Filteranlagen am Neckartor, der Hohenheimer Straße und der Pragstraße gingen zwischen Mitte September und Mitte Oktober 2019 in Betrieb. An 10 von 10 Messpunkten im Einflussbereich von Filteranlagen reduzierte sich daraufhin die NO₂-Konzentration vom 3. auf das 4. Quartal, im Mittel um 10% (-4.8 µg/m³). Dies steht in auffälligem Kontrast zum Trend im restlichen Stadtgebiet, wo 37 von 39 Messpunkten steigende Werte verzeichneten (Mittelwert +28% bzw. +6.8 µg/m³).

2 Einführung

Die Luftqualität hat sich in den letzten Jahren kontinuierlich verbessert, jedoch werden die Grenzwerte in vielen Städten noch immer nicht eingehalten. Die meisten Überschreitungen liegen aktuell in zu hohen NO₂-Werten begründet. Zu Projektbeginn Anfang 2018 lag jedoch auch die Anzahl von Feinstaub-Überschreitungstagen (Tagesmittelwert PM10 > 50 µg/m³) insbesondere am Stuttgarter Neckartor noch oberhalb des Grenzwertes von 35 im Jahr.

Die lokal herrschende Schadstoffbelastung besteht zu einem bedeutenden Teil aus einer regionalen Hintergrundbelastung. Gründe hierfür sind Umwelteinflüsse wie Wetterbedingungen, Eintragungen durch die Energiewirtschaft aber auch die Landwirtschaft. Hinzu kommt die urbane Hintergrundbelastung durch städtische Quellen wie Baustellen, Haushalte und Kleinverbraucher. Neben den Hintergrundbelastungen treten lokal Zusatzbelastungen auf. Häufig sind diese durch hohes Verkehrsaufkommen begründet. Insbesondere in Kombination mit einem schlechten Luftaustausch kann es dadurch zu sogenannten Hotspots mit besonders hoch belasteter Luft kommen (Abbildung 2.1). Als solcher Hotspot ist auch der Bereich „Am Neckartor“ in Stuttgart zu betrachten.

Abbildung 2.1 - Schematische Darstellung der Hintergrund- und Zusatzbelastung (Lenschow et al., 2001; LUBW 2015).

Ein Vergleich der Messstelle am Neckartor mit der urbanen Hintergrundmessstelle Bad Cannstatt verdeutlicht die Bedeutung des verkehrsinduzierten Immissionsanteils. Abbildung 2.2 zeigt die lokale Überhöhung des Hotspots im Vergleich zum urbanen Hintergrund für PM10 und NO₂. Den verkehrsinduzierten Schadstoffanteil kennzeichnet in dieser Darstellung der grüne Bereich.

Abbildung 2.2 – Veranschaulichung der verkehrsbedingten Immissionsanteile durch den Vergleich der Messstellen „am Neckartor“ (NT) und „Bad Cannstatt“ (BC); Tagesmittelwerte sortiert nach Höhe des Messwerts (Links: PM10, Messwerte 2016; rechts: NO₂, Messwerte 2017). Datenquelle: LUBW.

Eine detailliertere Unterteilung der Verursacher der Schadstoffbelastung am Neckartor zeigen die Darstellungen in Abbildung 2.3 aus den Luftreinhalteplänen für Stuttgart (LRP Stuttgart, 2018 und 2019).

Abbildung 2.3 – Beiträge der verschiedenen Quellen, die zur Gesamtbelastung am Neckartor beitragen aus dem Luftreinhalteplan für die Stadt Stuttgart (LRP Stuttgart, 2018 und 2019). Links: PM10 für das Bezugsjahr 2016, rechts NO₂ für das Bezugsjahr 2017.

Ausgehend von der allgemeinen Problematik zu hoher Schadstoffkonzentrationen an innerstädtischen Hauptverkehrsachsen mit ungünstigen Luftaustauschbedingungen hat MANN+HUMMEL Technologien und Produkte zur Filtration von Feinstaub wie auch zur Minderung der Stickstoffdioxid-Konzentrationen entwickelt.

Der Fokus in diesem Bericht liegt auf den messtechnisch ermittelten Ergebnissen zur NO₂-Minderung. Für eine detaillierte Darstellung zur PM10 Reduktion, auf der der Fokus der Projektphase I lag, sei auf (Müller, Warth, 2020) verwiesen.

3 Projektphasen und Ziele des Filteranlagenbetriebs

Die hier dargestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen eines Pilotprojekts von MANN+HUMMEL, gefördert vom Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg und unterstützt von der Landeshauptstadt Stuttgart. Mit dem Ziel, die lokale Überhöhung der Schadstoffkonzentration an diesem Hotspot zu verringern und die Wirksamkeit einer solchen Maßnahme allgemein nachzuweisen, wurden Filtersäulen zur Feinstaub- und NO₂-Minderung am Stuttgarter Neckartor aufgestellt.

Der Projektverlauf lässt sich in drei Phasen einteilen, deren Zielsetzungen sich voneinander unterscheiden. Der zeitliche Ablauf der Bau- und Versuchsmaßnahmen der einzelnen Phasen sind in Abbildungen 3.1 und 3.2 zusammengefasst. Während der Planung des Projektes Anfang 2018 lag der Fokus zunächst auf der Minderung der Feinstaubbelastung am Stuttgarter Neckartor. Die daraufhin entwickelten Filtersäulen wurden ab November 2018 installiert und in Betrieb genommen (Phase I). Die volle Anlagenkapazität (17 Filtersäulen) war ab 18.12.2018 verfügbar. Über den Jahreswechsel bis in den Januar hinein lag die Feinstaubbelastung aufgrund extrem regnerischer Wetterbedingungen derart niedrig, dass keine Wirkungsuntersuchungen möglich waren. Geeignete Bedingungen lagen erst ab Mitte Januar vor, sodass mit Messungen begonnen werden konnte.

Abbildung 3.1 – Ablauf der Projektphase I mit Fokus auf die Reduktion der PM10-Konzentrationen

Durch das Inkrafttreten des Fahrverbots für Euro IV-Diesel-Fahrzeuge im Stuttgarter Stadtgebiet (1.1.2019) verschob sich der öffentliche Fokus auf die NO₂-Konzentration am Stuttgarter Neckartor. Nachdem die Wirksamkeit der reinen Feinstaubfilteranlagen bereits in Phase I des Projektes im ersten Quartal 2019 hinreichend nachgewiesen werden konnte, wurde die Umrüstung der Filteranlagen auf speziell dafür entwickelte Aktivkohle-Kombi-Filterelemente beschlossen.

Abbildung 3.2 – Ablauf der Projektphasen II und III mit Fokus auf die Reduktion der NO₂-Konzentrationen

Im Vorfeld der Umrüstung durchgeführte Modellrechnungen zeigten die Notwendigkeit auf, zur Erreichung der gewünschten NO₂-Minderung die Förderleistung der Anlagen zu erhöhen und die Filterelemente größer zu dimensionieren (vgl. Kapitel 5, sowie Rau, 2021). Als Konsequenz mussten die Filteranlagen selbst sowie deren Anzahl für die Optimierung der NO₂-Reduktion vollständig überarbeitet werden. Bevor jedoch diese umfangreichen baulichen Tätigkeiten umgesetzt wurden, erfolgte im April 2019 zunächst übergangsweise die Umrüstung der bestehenden Filteranlagen auf das neue Kombi-Filtermedium (Phase II), um die grundsätzliche Machbarkeit einer NO₂-Minderung mit dieser zuvor noch nicht im Freiluftbereich angewandten Technologie experimentell zu überprüfen. Parallel wurde von MANN+HUMMEL die Weiterentwicklung entsprechend leistungsstärkerer Filtersäulen gestartet. Nach positivem Abschluss dieser Versuchsaktivitäten wurden 23 Filtersäulen der zweiten Generation mit gesteigerter Filtrationsleistung im August 2019 installiert (Phase III) und Wirkungsuntersuchungen durchgeführt (Kapitel 7).

Abbildung 3.3 – Positionierung der Filter Cubes. Weiß: Standorte Phase I und II; Grün: zusätzliche Standorte der Phase III (Umrüstung aller Säulen auf Generation 2).

Abbildung 3.4 – Sicht auf den östlichen Teil des Pilotprojektes nach Aufstellung der Filter Cubes (Generation 2).

4 Technische Beschreibung der Anlagen

Abbildung 4.1 zeigt den modularen Aufbau der Anlagen vom Typ Filter Cube. Jede würfelförmige Einheit „Cube“ besitzt die gleiche Funktion, sodass je nach erforderlicher Leistung, aber auch abhängig von den räumlichen Gegebenheiten, die unterschiedlichen Varianten eingesetzt werden können. Die verschmutzte Außenluft wird mit Hilfe eines Gebläses durch eine Filtereinheit gesaugt und dabei von Partikeln und, je nach Ausführung des Filterelementes, von gasförmigen Schadstoffen gereinigt. Die Ausblasseite befindet sich gegenüber der Ansaugseite. Die Säule ist bevorzugt so zu positionieren, dass die Ansaugseite der verunreinigten Umgebung (Straße) zugewandt ist.

Abbildung 4.1 – Modulares Design der Filter Cubes.

Im Sockel befindet sich die Leistungselektronik sowie die Steuerungseinheit. Die Anlage verfügt über eine Cloud-Anbindung und kann so über interne wie auch externe Sensoren und Steuergrößen bedarfsgerecht betrieben werden. Somit kann ein möglichst energieeffizienter Betrieb erreicht werden. Die Daten aller Anlagen werden über die Cloud-Anbindung protokolliert, weiterverarbeitet und ausgewertet.

Abbildung 4.2 – Verwendung von 12 Filter Panels je Cube der Generation 2 (links); Service-Zugang (rechts)

Durch die Weiterentwicklung der Systeme kann mit der Generation 2 der Filter Cubes neben Feinstaub auch NO₂ aus der Umgebung abgeschieden werden. Diese Generation, die ab Phase III des Projektes zum Einsatz kommt, erreicht durch konstruktive Weiterentwicklungen innerhalb der Cubes die Erhöhung des Betriebsvolumenstroms eines Cubes von 3.400 m³/h auf 4.833 m³/h (14.500 m³/h je Filter Cube III). Zugleich lässt sich mit den Änderungen eine ausreichende Standzeit der Kombi-Filterelemente gewährleisten. Darüber hinaus werden dank des Verzichts auf einen Kunststoffrahmen für die einzelnen Panels (durch eine integrierte Aufnahme der Filterpanels direkt im Cube) wertvolle Ressourcen geschont.

Abbildung 4.3 – Aufbau und Funktion der Filter Cubes (Generation 2).

Die Funktion der NO₂-Abscheidung übernimmt bei dem speziell für diese Anwendung entwickelten Filtermedium eine Aktivkohleschicht. Die Auswahl der idealen Aktivkohle, die Auslegung der Schichtdicke sowie der Filtrationslage zur Abscheidung der Feinstaubpartikel sind Kernkompetenzen von MANN+HUMMEL. Das sogenannte Kombi-Filtermedium ist in der Lage, sowohl die Feinstaub- als auch die NO₂-Konzentration unter Außenluftbedingungen entscheidend zu verringern und dabei eine maximale Standzeit zu ermöglichen. In Abbildung 4.4 ist der Aufbau eines solchen Filtermediums schematisch dargestellt.

Abbildung 4.4 – Filtermedien-Struktur von Aktivkohlemedien.

Die Leistungsdaten des Filter Cube der Generation 2 zeigt Tabelle 4.1, weitere Daten zum Filterelement sind Tabelle 4.2 zu entnehmen.

Tabelle 4.1 – Leistungsdaten Filter Cube Generation 2.

Tabelle 4.2 – Weitere Technische Daten zum Kombi-Filterelement.

Auf Basis der Entwicklungs- und Labordaten wurde für die Situation am Neckartor abgeschätzt, dass die Kombi-Filterelemente während des Pilotprojekts etwa alle 30 Tage getauscht werden müssen, um eine mittlere NO₂-Abscheideeffizienz von 80% zu erreichen. Dieser Standzeit liegt die Annahme einer NO₂-Konzentration von 65 µg/m³ zugrunde. Im Neuzustand liegt der Wert bei >90% und nimmt mit zunehmender Beladung ab. Die Auslegung sowie die Simulationen basieren auf einer mittleren Abscheideeffizienz von 80%. In Kapitel 7.3 sind Messungen im Feld gezeigt, die die Annahme validieren.

Meteorologische Daten, sowie Daten zur Luftqualität können u. a. zur Regelung und bedarfsgerechten Steuerung des Systems herangezogen werden. Hierdurch kann der Energiebedarf minimiert werden.

5 Prognose der NO₂-Minderungswirkung über Massenbilanzen

In einem ersten Schritt wurden grundsätzliche Überlegungen zum Wirkungspotential von Filteranlagen im offenen Straßenraum angestellt. Ziel war es hier, die Größenordnung des Minderungspotentials und eine Grundauslegung des Pilotprojektes abzuschätzen. Über weiterführende MISKAM Simulationen sollte diese Vorhersage verfeinert werden (Rau, 2021). Die simulativen Vorhersagen galt es dann messtechnisch zu bestätigen (Kapitel 7).

Grundlage der Emissionsberechnung ist das „Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs - HBEFA“ in der Version 3.3 (HBEFA, 2017). Die dort bereitgestellten Emissionsfaktoren geben an, welche Schadstoffmengen pro Fahrzeug und zurückgelegter Wegstrecke freigesetzt werden. Im vorliegenden Fall wurden die Emissionsfaktoren für die Fahrzeugkategorien Pkw, leichte Nfz und schwere Nfz herangezogen. Bei der Emissionsbestimmung werden zusätzlich die Vorgaben der VDI-Richtlinie 3782, Blatt 7 (Kfz-Emissionsbestimmung) berücksichtigt. Die Emissionsfaktoren für NO_x und NO₂ sind ausschließlich „motorbedingt“.

Aufgrund der komplexen chemischen Prozesse in der Atmosphärenchemie, insbesondere durch die Gleichgewichtsreaktion von StickstoffmoNO_xid (NO) mit Ozon (O₃) zu NO₂, ist die Betrachtung aufwändiger als dies für die PM10-Belastung der Fall ist. Für die bilanzielle Betrachtung muss zwischen direkter Fahrzeugemission, also der direkt am Auspuffrohr emittierten NO₂-Masse, und der durch die Umwandlungsprozesse im Straßenraum vorliegenden verkehrsbedingten Zusatzbelastung (NO₂ total) unterschieden werden. Unter der Annahme der Verkehrsdaten von 2019 ergeben sich über die Emissionsfaktoren für NO_x, NO₂ und NO (HBEFA, 2017) die Quellwerte für die Bilanzierung. Dem gegenüber steht die Senke für NO₂ durch die Filter Cubes. Um ein ähnliches Reduktionspotential zu erreichen, wie es für die Bilanzbetrachtung Phase I (PM10) erreicht wurde, wird eine Erhöhung von 17 auf 23 Säulen (entspricht etwa 92 Säulen je Kilometer), sowie die Erhöhung des Volumenstroms je Säule von 10.000 m³/h auf 14.500 m³/h benötigt. Bei einer mittleren Abscheideleistung der Filterelemente von 80% ergibt sich eine Reduktion der NO₂-Belastung bezogen auf die Verkehrsquelle von 35% (direkt) bzw. 21% (total).

Abbildung 5.1 – Schematische Darstellung der Bilanzbetrachtung für NO₂

In dieser Bilanzierung wird die mittlere (Rohgas-)Konzentration an den Säulen verwendet, wie sie sich aus der MISKAM Simulation ergeben. Diese unterscheidet sich von der Konzentration an der Messstelle um +9%. Die verkehrsäquivalente Reduktion wird umso höher, je größer die Konzentration an den Säulen ist, je näher also die Filtersäulen an der Zusatzquelle „Verkehr“ positioniert werden können.

6 Versuchsmethodik und Messgeräte

Das gemeinsame Ziel aller im Folgenden geschilderten Betrachtungen ist es, die Änderung der Schadstoffkonzentrationen durch den Einsatz der Filtersäulen am Neckartor zu beschreiben. Dabei kommt der Frage der statistischen Belastbarkeit der erzielten Ergebnisse besonderes Augenmerk zu. Das übliche Vorgehen bei der Bewertung der Wirksamkeit von Luftreinhaltungsmaßnahmen ist, nach Maßnahmenbeginn über möglichst lange Zeiträume Messdaten der Schadstoffkonzentration zu erheben und diese dann entweder mit Referenzzeiträumen am selben Standort oder mit gleichzeitig erhobenen Daten an Referenzstandorten zu vergleichen. Im Fall der Filteranlagen am Stuttgarter Neckartor sind insbesondere die historischen Vergleiche nur von geringer Aussagekraft, weil sowohl während des Versuchszeitraums als auch in den Vorjahreszeiträumen etliche Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität implementiert oder erprobt wurden (Tabelle 6.1). Der Ansatz zur Bewertung der Filtersäulen nutzt insbesondere deren digitale Vernetzung, welche eine zentrale, ferngesteuerte An- oder Abschaltung binnen kurzer Zeit ermöglicht.

6.1 Schaltversuche

Die am Neckartor aufgestellten Filtersäulen verfügen über eine Fernwartungsfunktion, mit der die Säulen zentral an- und abgestellt werden können. Diese diente ursprünglich der Wartung oder der Steuerung der Anlagen in Sondersituationen. Für den Funktionsnachweis lässt sich das auf einfache Art nutzen. Durch einen periodischen Wechsel des Betriebszustands bei gleichzeitiger Dauermessung der Schadstoffkonzentrationen lassen sich Mittelwerte für den Betriebszustand „AN“ und den Betriebszustand „AUS“ aggregieren. Um mittels derartiger Schaltversuche quantitativ belastbare und aussagekräftige Daten für den AN- und AUS-Zustand zu erhalten, müssen einige qualitätsbestimmende Kriterien erfüllt und Störeinflüsse berücksichtigt werden. Diesen Aspekten widmen sich die folgenden Abschnitte.

Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass wegen der einseitig negativen Störeinflüsse die Schadstoffkonzentrationsminderungen im Schaltversuch gegenüber einem hypothetischen Dauerbetrieb immer einen Worst Case darstellen, die reale Minderungswirkung also tendenziell höher liegt.

Tabelle 6.1 – Chronologischer Verlauf luftqualitätsverbessernder Maßnahmen am Neckartor mit Relevanz für die aktuelle Untersuchung.

6.1.1 Gesamtumfang der Versuchsdaten

Gemäß der MISKAM-Prognose (Rau, 2021) besitzen die Filteranlagen das Potential, die NO₂-Belastung um 8,5% zu senken (Bezugspunkt: Messstation der LUBW). Bezogen auf die späteren Jahresmittelwerte von 2019 sind dies 5.3 µg/m³. Diese aus messtechnischer Sicht geringe Änderung der Gesamtkonzentration im Versuch nachzuweisen stellt eine Herausforderung dar. Das liegt vor allem daran, dass die Schadstoffkonzentrationen durch den Einfluss etlicher Faktoren (u. a. Verkehrsfluss, Windrichtung und –stärke, Niederschlag, Straßenbeschaffenheit, Sonneneinstrahlung) starken Schwankungen unterworfen sind, was sich in sehr hohen Standardabweichungen äußert (Tabelle 6.2). Je länger jedoch die Versuchsdauer ist, desto geringer wird die Messunsicherheit und damit die Übereinstimmung zwischen dem Mittelwert der Messwerte und der tatsächlichen mittleren Konzentrationen im AN- und AUS-Zustand. Der Zusammenhang zwischen der erzielbaren Genauigkeit der Ergebnisse und der Versuchsdauer kann mittels eines t-Tests nach Welch (Welch, 1947) für die Differenz Δc der Mittelwerte C_An und C_Aus und im AN- und AUS-Zustand abgeschätzt werden. Für den Standardfehler SE zu Δc gilt unter der Annahme, dass die Mittelwerte normalverteilt sind:

Formeln in PDF

Darin sind S_AN und S_AUS die Standardabweichungen sowie n_AN und n_AUS die Anzahl der Messintervalle im AN- und AUS-Zustand. Das 95%-Konfidenzintervall für die Konzentrationsänderung Δc entspricht bei den vorliegenden Werten von ? und Halbstundenmittelwerten meist Δc ± 1.96 SE. Unter den Annahmen einer näherungsweisen Gleichverteilung der Stunden und einer Reduzierung der Standardabweichung um 10% im AN-Zustand folgen die in Tabelle 6.2 gelisteten Konfidenzintervalle. Bei PM10 kann nach knapp vier Monaten eine Genauigkeit von ± 1 µg/m³ des erhaltenen Mittelwerts erreicht werden, bei NO₂ ist dies erst nach mehr als einem halben Jahr der Fall.

Die Werte aus Tabelle 6.2 können zudem zum grundsätzlichen Nachweis der Wirkung der Säulen auf die Umgebungskonzentration herangezogen werden. Das (zweiseitige) Konfidenzintervall für 95% entspricht jenem für ein einseitiges Konfidenzintervall bei einem Signifikanzniveau von 97.5%. Liegt nach 30 Tagen beispielsweise eine PM10-Reduzierung von mehr als 2 µg/m³ vor, ist dies mit einer Signifikanz von 97,5% der Nachweis dafür, dass der PM10-Wert durch die Filtersäulen gesenkt wird. Beim häufig genutzten Signifikanzniveau von 95% sind die Konfidenzintervalle etwa 16% kleiner. Im Beispiel des PM10-Messwerts nach 30 Tagen wäre das 95%-Konfidenzintervall ±1.68 µg/m³.

Tabelle 6.2 – Statistische Kenngrößen der 30-min-Mittelwerte der Messstation „Am Neckartor“ der LUBW über das Kalenderjahr 2019. Konfidenzintervalle berechnet unter Annahme einer Normalverteilung der Mittelwerte.

6.1.2 Synchronizität zwischen Versuchsdaten und Schaltdaten

Ein weiterer Faktor, der sich negativ auf das Versuchsergebnis für die Schadstoffminderung auswirkt, sind Zeitverschiebungen zwischen den Schaltpunkten und den erhobenen Daten. Diese können in geringem Umfang durch Zeitversatz zwischen den verschiedenen Datenerfassungssystemen und der Anlagensteuerung auftreten. Stärker ins Gewicht fallen Verzögerungen bei der Umsetzung der Schaltbefehle über das Mobilfunknetz. Insbesondere in Phase I, in der die Schaltung manuell durchgeführt wurde, konnten Verzögerungen von bis zu drei Minuten auftreten.

Abbildung 6.1 – Wirkung eines Zeitversatzes zwischen Schaltpunkten und Messdaten am Beispiel von halbstündigen Messdaten bei einstündigem Schaltintervall.

Die Auswirkung der Zeitverzögerung wird in Abbildung 6.1 veranschaulicht. Werden im AN-Zustand die (höheren) Werte des AUS-Zustandes erfasst und andersherum, verringert sich die Differenz zwischen den Mittelwerten der beiden Datensätze und damit die berechnete Konzentrationsminderung. Unter Annahme einer grundsätzlichen Wirkung der Anlagen (AUS-Konzentration im Mittel höher als AN-Konzentration) wirkt sich dieses Problem negativ auf das Versuchsergebnis aus.

6.1.3 Geeignete Dauer der Schaltintervalle

Bei der Wahl des Schaltintervalls muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen Argumenten, die für lange und kurze Intervalle sprechen. Einerseits begünstigen kurze Intervalle, dass die beiden Datensätze für AN- und AUS-Zustand bei vergleichbaren Randbedingungen erhoben werden und dadurch die ortstypische Konzentrationsverläufe keinen zu großen Einfluss auf das Messergebnis haben. Sind die Messintervalle sehr lang, verändern sich zwischen benachbarten Intervallen die Umgebungsbedingungen möglicherweise so stark, dass diese Änderung den Effekt der Filtersäulen übersteigt. Es kommt zu einer Verzerrung der erhobenen Messergebnisse. Bis sich solche Einzelereignisse aus dem Gesamtergebnis herausmitteln, müssen sehr viele Messtage absolviert werden. Lange Schaltintervalle ermöglichen andererseits genauere Messergebnisse. Insbesondere verlieren Kurzzeiteffekte an Bedeutung, wie beispielsweise die Ampelphasen der Kreuzung B14/Heilmannstraße/Cannstatter Straße. Daraus folgt eine geringere Varianz der Messergebnisse.

Ein weiteres Argument für lange Schaltintervalle leitet sich aus dem Bestreben ab, mit dem Schaltversuch das spätere Verhalten im Dauerbetrieb bestmöglich abzubilden. Voraussetzung dafür ist, dass sich während des Schaltversuchs im AN-Zustand vergleichbare Konzentrationen wie im Dauerbetrieb einstellen und im AUS-Zustand wie bei langanhaltendem Anlagenstillstand. Diese Voraussetzung ist aufgrund der trägen Reaktion der Umgebungskonzentrationen nicht erfüllbar. Nach dem Anschalten durchmischt sich die von den Filtersäulen erzeugte saubere Luft mit der Umgebungsluft und lässt deren Schadstoffkonzentration nach und nach absinken. Nach der Abschaltung durchmischt sich die zunächst saubere Luft mit stärker belasteter Luft, insbesondere von der Straße ausgehend. Dieser Prozess findet zum Teil passiv über Diffusion statt, wird jedoch erheblich beschleunigt, wenn Wind oder Turbulenzen des Straßenverkehrs die Durchmischung verstärken. An den Messpunkten, die in größtmöglichem Abstand von den Säulen platziert sind, machen sich die Konzentrationsänderungen nach dem Schalten erst verzögert bemerkbar. Besonders extrem äußert sich die Verzögerung beim Abschalten, weil die Strömung der Säulen selbst als Unterstützung für den Luftaustausch wegfällt. Bei Windstille und geringem Verkehrsaufkommen steigt die Konzentration dann mangels lokaler Schadstoffquellen nur sehr langsam an. Die Ergebnisse des Schaltversuchs (Kapitel 7) belegen dieses Verhalten eindrücklich, vor allem für die leicht windgeschützt liegende Messstation der LUBW. Mathematisch wirkt sich das Einschalt- und Abklingverhalten selektiv negativ auf das Ergebnis des Schaltversuchs aus, weil die Messdaten im AN-Zustand höher und im AUS-Zustand niedriger liegen als bei einem angenommenen Dauerbetriebszustand. Die berechnete Konzentrationsdifferenz zwischen An und Aus fällt deshalb im Schaltversuch geringer aus als im Dauerbetrieb. In austauscharmen Situationen muss sogar davon ausgegangen werden, dass durch Ausbleiben des Konzentrationsanstiegs im Aus-Zustand das Gesamtschadstoffniveau während des Schaltversuchs immer weiter absinkt, ähnlich wie es bei einem Dauerbetrieb der Fall ist. Dieses Verhalten kann mittels der verfügbaren Daten nicht quantifiziert werden.

Für die Dauerschaltversuche wurde unter Berücksichtigung dieser Argumente ein Schaltintervall von einer Stunde gewählt. Damit fallen zwei Messpunkte der halbstündig erhobenen Daten der LUBW-Messstation pro Intervall an. Dies ermöglicht bei hoher Versuchslänge die erste halbe Stunde nach dem Umschalten zu vernachlässigen, um damit die Einschalt- und Abklingeffekte der Umgebungskonzentration besser auszublenden (Abbildung 6.2).

Abbildung 6.2 – Vereinfachte Darstellung der Wirkung von Einlauf- und Abklingeffekten während des Schaltversuchs am Beispiel von halbstündigen Messdaten bei einstündigem Schaltintervall.

6.1.4 Vergleichbarkeit der Stichproben – Geeigneter Schaltzeitplan

Die starke Abhängigkeit der Schadstoffkonzentrationen vom Verkehrsfluss am Neckartor führt zu wiederkehrenden Mustern im Verlauf der Schadstoffkonzentrationen. Dazu zählen der Tagesgang und die Absenkung des Niveaus am Wochenende sowie an Feier- und Brückentagen. Um in den Datensätzen für den AN- und AUS-Zustand Verzerrungen zu vermeiden, wurde das Schaltschema täglich verschoben.

6.1.5 Handhabung von Betriebsunterbrechungen und Niederschlag

Während des Betriebes der Filteranlagen kann es zu kurzzeitigen Unterbrechungen kommen. Mehrheitlich gehen diese auf die sensorgestützte Regenschutzregelung der Anlagen zurück. Diese hat die Aufgabe, die einzelnen Anlagen bei starkem Niederschlag vor Wasser- oder Schneeeintrag zu schützen. Weitere Pausen ergeben sich durch Anlagenwartung und Filterwechsel. Betriebsunterbrechungen in AN-Phasen führen zu einem Rückgang der gefilterten Luftmenge und verschlechtern damit das Ergebnis des Schaltversuchs. Da es bei entsprechend starkem Niederschlag auch zum partiellen Abregnen der Feinstaubpartikel kommt, sind Starkregenphasen zumindest für kurze Versuche problematisch. Die damit einhergehenden Konzentrationssprünge sind Einzelereignisse, die die Ergebnisse des Schaltversuchs in beide Richtungen verfälschen können, wenn sie nicht in beiden Datensätzen gleichverteilt auftreten. Beim umfangreichsten Versuch in Phase III wirkte sich der Verwurf von Regenintervallen nicht signifikant auf das Versuchsergebnis aus.

6.2 Messgeräte und Datenquellen

Für die vorliegenden Untersuchungen dienten die Messdaten der öffentlichen Messstelle am Neckartor für PM10, PM2.5 und NO₂ als wichtigste Referenz. Diese wurden in Form von vorläufigen 30-Minuten-Mittelwerten über die gesamte Versuchsdauer durch die Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) bereitgestellt. Zusätzlich wurden die Wetterdaten der Stationen Bad Cannstatt und Bernhausen sowie quartalsweise erhobene Daten für NO₂-Passivsammler der LUBW genutzt. Ergänzend zu diesen öffentlichen Messdaten wurde in Phase III durch MANN+HUMMEL ein Messnetz aus Immissionsmessgeräten am Neckartor aufgebaut. Dieses diente der Ausdehnung des Überwachungsbereiches während der Schaltversuche und damit dem Nachweis der Wirkung der Anlagen in der Fläche. Abbildung 6.3 zeigt die Anbringungsorte der Sensoren auf der Westseite. Ein weiterer Messpunkt wurde auf der Ostseite vor dem Gebäude der Schwabengarage installiert. Neben dem nach EN 16450 zertifizierten Palas Fidas 200s bestand das Messnetz aus Sensoren der Dr. Födisch Umweltmesstechnik AG, die ebenfalls geeignet sind für den Dauereinsatz im Außenbereich. Bei den verwendeten NO₂-Sensoren vom Typ GSA19 handelte es sich um Prototypen, die aufgrund des Messprinzips eine Querempfindlichkeit gegenüber Ozon aufweisen. Letzteres wird von den verwendeten Aktivkohlefiltern ebenfalls sehr effizient abgeschieden. Um aus der Querempfindlichkeit resultierende Messfehler zu vermeiden, sollten zur Bestimmung der NO₂-Reduzierung bevorzugt Daten aus Zeitfenstern herangezogen werden, in denen das Verhältnis der Ozonkonzentration zur NO₂-Konzentration sehr gering ist.

Tabelle 6.3 – Eingesetzte Messgeräte für Messkampagnen und Dauerüberwachung.

Abbildung 6.3 – Messpunkte des von MANN+HUMMEL errichteten Messnetzes auf der Westseite.

7 Ergebnisse und Bewertung

Da der Fokus in diesem Bericht auf den messtechnisch ermittelten Ergebnissen zur NO₂-Minderung in Phase III liegt, sei für die ausführliche Beschreibung der Ergebnisse der übrigen Phasen auf (Müller, Warth, 2020) verwiesen.

7.1 Dauerschaltversuche zur NO₂-Reduktion

Für jede Projektphase wurden Schaltversuche durchgeführt, mit deren Hilfe eine Verringerung der Schadstoffkonzentrationen durch die Filteranlagen nachgewiesen werden sollte. Gemäß der methodischen Diskussion in Kapitel 6 sind die später im Dauerbetrieb erzielten relativen Schadstoffminderungen höher als die Ergebnisse der Dauerschaltversuche. Für die finale Ausbaustufe der Filteranlagen wurde vom 20.09. bis 30.11.2019 ein durchgehender Schaltversuch mit stündlichem Betriebszustandswechsel durchgeführt, dessen Gesamtbilanz in Tabelle aufgeführt ist. Diese weist eine Minderung der NO₂-Konzentration in Höhe von 7.5% aus. Die PM10-Werte reduzieren sich um 6.2%. An dieser Stelle sei nochmals erwähnt, dass die in dieser Phase verwendeten Kombi-Medien auf die NO₂-Abscheidung hin optimiert sind. Eine gleichzeitige Optimierung der Partikelabscheidung ist zu Lasten eines etwas höheren Energieverbrauchs (Druckverlustes) möglich. Aufgrund der Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte am Neckartor wurde hier jedoch darauf verzichtet. Das Potential lässt sich jedoch gut anhand der Ergebnisse der Phase I betrachten. Auffällig ist auch die hohe Ozonreduktion von 9.8%. In den AN-Phasen des Schaltversuchs lag die mittlere NO₂-Konzentration bei 45.2 µg/m³ und damit nur 13% über dem Grenzwert. Die Gesamtbilanz des Schaltversuchs bildet allerdings die in einem späteren Dauerbetrieb erwarteten Ergebnisse nicht genau ab. Dies wird im Folgenden erläutert.

Tabelle 7.1 - Ergebnisse des Schaltversuchs für Phase III. Integrale Bilanz der 30-min-Mittelwerte der LUBW-Messstation.

Tabelle 7.2 - Ergebnisse des Schaltversuchs für Phase III. Separate Bilanz der 30-in-Mittelwerte der LUBW-Messstation zur Veranschaulichung der Einschalt- und Abklingeffekte nach dem Schalten.

Ein grundlegendes Problem des Schaltversuchs besteht darin, dass die Schadstoffkonzentrationen an den Messpunkten nach An- oder Abschalten der Anlagen nicht augenblicklich sinken oder zeigen, sondern dies erst verzögert eintritt. Die Messung der öffentlichen 30-Minuten-Mittelwerte beginnt aber bereits mit dem Schaltzeitpunkt. Weil so die Übergangszeit mitgemessen wird, fallen die Minderungen geringer aus, als wenn die Übergangszeit ausgespart würde (vgl. Abbildung 6.2). Der Abstand der Messpunkte von den Anlagen und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schadstoffe bestimmen dabei, wie stark die Verzögerung ins Gewicht fällt. Im AN-Zustand unterstützt die Strömung der Anlagen die Verteilung der Schadstoffe, vor allem in den räumlich beengten Bereichen auf der Westseite. Im AUS-Zustand findet eine Konzentrationserhöhung am Messpunkt nur statt, wenn von außerhalb des Bilanzgebietes oder durch den Verkehr Schadstoffe eingetragen werden. Eine Lösung dieser Situation ergibt sich aus dem Gesamtumfang des Versuchs. Dieser ermöglicht es, aussagekräftige Ergebnisse für Teilmengen der Versuchsdaten zu erzielen. So können die Auswirkungen ausgesuchter Einflussgrößen auf das Versuchsergebnis untersucht werden (s. Tabelle 7.3), darunter auch die Einlauf- und Abschalteffekte. Hierfür können die erste und zweite halbe Stunde nach dem Schalten separat bilanziert werden. Die beschriebenen Übergangseffekte sind in Tabelle 7.2 in allen Datenreihen erkennbar.

Tabelle 7.3 – Vollständige Messergebnisse des MANN+HUMMEL Messnetzes am Neckartor.

Von der ersten zur zweiten halben Stunde sinken oder stagnieren die Schadstoffkonzentrationen im AN-Zustand, während sie sich im AUS-Zustand erhöhen. Bilanziert man lediglich das zweite Halbstundenintervall, werden die Einlauf- und Abklingverzögerungen zumindest größtenteils ausgespart. Die resultierenden Schadstoffminderungen liegen dann mit 8.9% für NO₂ und 6.7% für PM10 höher als in der Gesamtbilanz. Da davon auszugehen ist, dass die Versuchsrandbedingungen für die zweite halbe Stunde einem späteren Dauerbetrieb ähnlicher sind als die für das gesamte Schaltintervall, sind diese Teilergebnisse als Gesamtergebnis des Schaltversuchs in Phase III anzusehen.

Weitere Daten liegen für das von MANN+HUMMEL aufgebaute Messnetz am Neckartor vor. Dieses wurde im Laufe der Phase III in zwei Stufen ausgebaut, um die räumliche Wirkung der Anlagen auch abseits der LUBW-Messstation überprüfen zu können. Dabei wurden die Sensoren mittig zwischen den Anlagen positioniert (vgl. Abbildung 6.3 und 7.1), um Nahfeldeffekte der Säulen zu vermeiden. Die dort gemessenen Schadstoffminderungen bilden deshalb tendenziell den Worst-Case für die Raumwirkung in den Gehwegbereichen ab. Aufgrund der Ozon-Querempfindlichkeit der genutzten NO₂-Sensoren wurden zur Berechnung der NO₂-Minderung nur Zeitfenster berücksichtigt, in denen das molare Verhältnis von O₃ zu NO₂ geringer war als 1:10. Wegen der zu NO₂ vergleichbaren Wirkung der Anlagen auf die Ozonkonzentration fallen die gemessenen NO₂-Minderungen sonst im Mittel ein bis zwei Prozentpunkte höher aus.

Die mittleren NO₂-Konzentrationen im AUS-Zustand schwanken um lediglich -6% bis +11% um den Wert der LUBW-Messstation. Die Schadstoffbelastung ist damit recht homogen verteilt über den Messbereich. Beim PM2.5 gestaltet sich die Situation ähnlich. Auf der Nord- und Ostseite sind die PM2.5-Werte tendenziell etwas höher als im Bereich des Amtsgerichts. Wegen des hohen apparatetechnischen Aufwands liegt nur ein weiterer PM10-Messpunkt vor. Dieser zeigt deutlich erhöhte PM10-Werte gegenüber der Messstation, die mutmaßlich auf die direkte Positionierung am Straßenrand zurückgehen.

Abbildung 7.1 – Minderungswirkung an den verschiedenen Messpunkten für die 2. halbe Stunde jedes Schaltintervalls. Lila: LUBW; Gelb: Palas Fidas 200s; Blau: Födisch FDS18/GSA19.

Abbildung 7.1 zeigt eine graphische Zusammenfassung der Ergebnisse für den Datensatz der zweiten Halbstundenintervalle. Werte der Gesamtbilanz sowie der ersten und zweiten halben Stunde finden sich in Tabelle 7.3. Entsprechend der simulativen Vorhersage (vgl. Rau, 2021) werden an der LUBW-Messstation vergleichsweise geringe Minderungen erzielt, was der Anlagenanordnung zuzuschreiben ist. Die Messstation liegt im Bereich der größten Lücke im Anlagenfeld. Trotz des kürzeren Messzeitraums (vgl. Einsatzzeiten in Tabelle 7.3) lieferten die an der LUBW-Messstation montierten Referenzsensoren vergleichbare prozentuale Minderungen für NO₂ und PM2.5 wie die LUBW-Messstation. Etwas höhere Reduzierungen ergaben sich auf der Südwestseite vor dem Amtsgericht und den Wohnhäusern sowie auf der Südostseite im Bereich vor der Schwabengarage. Am Messpunkt auf der nordwestlichen Parkseite verzeichneten alle Sensoren deutlich höhere Minderungen als im restlichen Untersuchungsgebiet. An dieser Stelle hatten bereits die Simulationsrechnungen eine verbesserte Wirkung vorhergesagt, die phänomenologisch auf den beengten Raum zwischen Straße und Park zurückzuführen ist (vgl. Abbildung 7.2). Die Filteranlagen erzeugen dort vor allem in straßenparallelen Strömungssituationen ausgeprägte Zonen sauberer Luft, in denen sich die Reinluftfahnen mehrerer Säulen überlagern. Für die überwiegende Mehrheit der Messgrößen kann der grundsätzliche Nachweis einer Wirkung der Filteranlagen mit einem Konfidenzniveau von 95% und höher erbracht werden. Für die entsprechenden detaillierten statistischen Parameter für alle Messpositionen siehe (Müller, Warth, 2020).

An den straßennahen Messpunkten kommt es zu einem verstärkten Stoffaustausch mit der Straße, beispielsweise durch fahrzeuginduzierte Turbulenzen. Gleichzeitig sind die Messpunkte dort jeweils zwischen zwei Filteranlagen gelegen. Dies führt zu einem besseren Luft- und Schadstoffaustausch als an der LUBW-Messstation oder vor der Schwabengarage. Die bessere Durchmischung führt zu einer Reduzierung der An- und Abschaltverzögerung und äußert sich in geringeren Unterschieden zwischen dem ersten und zweiten Halbstundenintervall nach dem Schaltvorgang. Am Messpunkt vor der Schwabengarage, wo ein sehr großer Straßenabstand und eine erhöhte Distanz zu den nächstgelegenen Säulen vorliegen, zeigen sich hingegen relevante Verzögerungseffekte, die für einen sehr eingeschränkten Luftaustausch sprechen. Im zweiten Halbstundenintervall verfünffachte sich dort die NO₂-Minderung. Die PM2.5-Minderung steigerte sich ebenfalls massiv. Dies verdeutlicht nochmals die Notwendigkeit, die Daten des ersten Halbstundenintervalls bei der quantitativen Bewertung der Anlagengesamtleistung zu verwerfen.

Die an den Messpunkten beobachteten Schadstoffminderungen durch den Anlagenbetrieb bestätigen die Vorhersagen einer örtlich variablen Wirkung der Anlagen aus den Simulationen (vgl. Abbildung 7.2). Da die Säulenpositionen der Simulation bautechnisch nur auf der Südwestseite 1:1 realisiert werden konnten, sind quantitative Vergleiche zwischen Versuch und Simulation nur dort möglich. Die Referenzwerte für die Nordost- und Südwestseite sind mit höherer quantitativer Unsicherheit belegt und deshalb als rein indikativ zu werten.

Abbildung 7.2 – Vergleich zwischen simulativer Prognose und Messergebnissen der Phase III.

Tabelle 7.4 – NO₂-Messergebnisse von LUBW-Messstationen und Passivsammlern in Stuttgart im 3. und 4. Quartal 2019. Quelle: LUBW, partiell veröffentlicht in LUBW (2020e).

In Anbetracht der Modellannahmen für die Simulation (Rau, 2021) und der abweichenden Auswertehöhe besteht zwischen Simulations- und Versuchsergebnissen eine sehr gute Übereinstimmung. Die resultierende NO₂-Minderung von 8.9% an der LUBW-Messstation deckt sich hervorragend mit dem prognostizierten Wert von 8.5%. Auch an den weiteren MANN+HUMMEL Messpunkten auf der Südwestseite besteht eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment. Trotz der mangelnden Referenzwerte im restlichen Bereich sind die Verhältnisse der Minderungswirkung an den verschiedenen Messpunkten stimmig. Es kann darum von einer Eignung der angewandten Simulationsmethodik zur Prognose der Feldwirkung der Anlagen ausgegangen werden. Die simulativ vorhergesagten 10% bis 15% NO₂-Minderung im Gehwegbereich und 30% im Nahfeld der Filtersäulen sind folglich plausibel.

7.2 Entwicklung der Schadstoffkonzentrationen am Neckartor

Neben den kontinuierlichen Spot-Messungen führte die LUBW in 2019 im Stuttgarter Stadtgebiet breitangelegte Messungen mit NO₂-Passivsammlern durch (LUBW, 2020d). Deren Daten werden quartalsweise erhoben. Ergänzend zum Standort Neckartor wurden in den ersten Oktoberwochen 2019 an der Hohenheimer Straße und an der Pragstraße Filteranlagen von MANN+HUMMEL mit Aktivkohle-Kombifiltern zur NO₂-Abscheidung installiert. Diese laufen seither im Dauerbetrieb. Die Schaltversuche der Phase III am Neckartor begannen am 20.9.19, also kurz vor dem Quartalswechsel. In Bezug auf die Messung mit den Passivsammlern kann der Schaltversuch vereinfacht als eine Form des Dauerbetriebs mit 50% der Anlagenleistung aufgefasst werden. An allen Anlagenstandorten sollten sich die Filter also auf die Werte des 4. Quartals auswirken. Tabelle 7.4 führt die LUBW-Messdaten im Quartalsvergleich für alle Standorte auf, an denen Daten aus den Quartalen 3 und 4 vorliegen.

Der Vergleich der Messwerte zeigt, dass es an 10 von 10 Messpunkten im Bereich der Filteranlagen zu einem Rückgang der NO₂-Konzentrationen im 4. Quartal kommt. Der Rückgang beträgt im Mittel 4.9 µg/m³, respektive 10%. An 37 der 39 verbleibenden Messpunkte ohne Filtersäulen kommt es hingegen zu Anstiegen der NO₂-Konzentrationen, im Mittel um 6.5 µg/m³, beziehungsweise 28%. Dies gilt auch für den nicht mit Filteranlagen ausgerüsteten Verkehrs-Hotspot am Arnulf-Klett-Platz. Die Konzentration im Bereich der Anlagen geht demnach trotz gegenläufigem Trend im städtischen Hintergrund zurück. Abgesehen von der Inbetriebnahme der Filteranlagen ist den Autoren keine Emissionsminderungsmaßnahme bekannt, die im 4. Quartal 2019 in Stuttgart neu eingeführt wurde (vgl. Tabelle 5.1). Somit ist davon auszugehen, dass diese Verbesserungen zumindest anteilig auf die Filteranlagen zurückzuführen sind.

7.3 Vermessung des NO₂-Abscheidegrades mittels ICAD-Messungen

Zur Überprüfung der auslegungsgemäßen Abscheidefunktion unter realen Einsatzbedingungen wurde für den Zeitraum von sechs Wochen ein NO₂-Messgerät in einem Filter Cube an der südwestlichen Ecke der Kreuzung Heilmannstraße/B14 verbaut (Abbildung 7.3). Die Ergebnisse sind insbesondere für eine Überprüfung der Eingangsparameter der MISKAM-Simulationen relevant.

Mit dem Airyx ICAD Analyzer kann im Wechsel die NO₂-Konzentration von Rohluft- und Reinluftseite gemessen und daraus die Adsorptionseffizienz berechnet werden. Die Probenahme erfolgte mittels Schläuchen aus dem Strömungskanal unmittelbar vor und nach dem Filterelement.

Die mittels der MISKAM-Simulationen prognostizierte Minderungswirkung der Anlagen (Rau, 2021) beruht auf der Annahme, dass die Filter über ihre Lebensdauer gemittelt 80% des angesaugten NO₂ abscheiden. Ausgehend von Werten weit über 90% sinken die NO₂-Abscheidegrade der eingesetzten Aktivkohlefilterelemente mit zunehmender Betriebszeit ab. Um den Mittelwert von 80% zu halten, müssen die Filter regelmäßig und abhängig von der NO₂-Konzentration gewechselt werden. Die Vorhersage des Wechselintervalls wiederum bedarf einer technischen Bauteilauslegung, die auf Labordaten und Felderprobungsergebnissen beruht. Unter den Randbedingungen der Simulation (65 µg/m³, ursprünglicher Prognosewert für 2019) wurden für die Aktivkohlefilter (Generation 2, Projektphase Phase III) 30 Tage Standzeit vorhergesagt. Zur Überprüfung dieser Angaben wurde mit dem Airyx ICAD Analyzer der NO₂-Abscheidegrad der Filterelemente in den Filter Cubes direkt bestimmt. Dafür wurde das Messgerät in einer Säule an der Ecke Heilmannstraße/B14 verbaut (siehe Abbildung 3.3, Standort vor dem roten Gebäude) und die Roh- und Reingaskonzentrationen kontinuierlich gemessen.

Abbildung 7.3 – In-situ Messung der NO₂-Adsorptionseffizienz. Messgerät Airyx ICAD verbaut in einer Filtersäule (Phase III).

Die Ergebnisse bestätigen die ursprüngliche Standzeitvorhersage gemäß der Bauteilauslegung auch unter den realen Randbedingungen im Feldversuch.

8 Danksagungen

Die MANN+HUMMEL GmbH dankt dem Verkehrsministerium Baden-Württemberg für die Förderung des Projekts. Zudem danken die Autoren Herrn Dr. Rayk Rinke vom Amt für Umweltschutz Stuttgart und Prof. Dr. Achim Dittler vom Karlsruher Institut für Technologie für die fachlichen Konsultationen sowie der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg für die Bereitstellung der Messdaten.

9 Quellen

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