Modellierung der Sekundärpartikelbildung und -ausbreitung ... · Landesamt für Umwelt und...

Landesamt für Umwelt und Geologie Folie 1

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie

Modellierung

der Sekundärpartikelbildung und -ausbreitung

von Großfeuerungsanlagen

in Sachsen

Vortrag MTK 06-05

Wolfgang Poppitz

LfUG, Ref. 22, Luftqualität

Landesamt für Umwelt und Geologie

Autor: Wolfgang Poppitz, Referat 22

Folie 2

Inhalt des Vortrages

Ausgangspunkt und Aufgabenstellung

Modellbeschreibung

Eingangsparameter und Szenarien

Validierung des Modells

Ergebnisse



Folie 3

Ausgangspunkt und Aufgabenstellung 1

• Punkt- und Flächenquellen

• primäre und sekundäre Emissionen

• Nah- und Ferntransport

I. Istzustand: signifikante Überschreitung der EU-weit

vorgegebenen Immissionswerte für PM10 in

mehreren sächsischen Ballungsräumen

zz.: Erarbeitung und Beginn der Umsetzung von

Luftreinhalteplänen in mehreren sächsischen

(Groß-)Städten

nach wie vor vertiefte Klärung von Verursacher und

notwendig: Prozessketten



Folie 4

Leibniz - Institut für

Troposphärenforschung e.V., Leipzig


genaue Prognostizierung des Gesamt-Beitrages

der beiden größten GFA in Sachsen

an der Feinstaubimmission

in den urbanen Zentren in Sachsen

Forschungsvorhaben:

durch mathematische Modellierung



Folie 5

Leibniz - Institut für

Troposphärenforschung e.V., Leipzig

Vergabe 04-08:

• Prof. Dr. Eberhard Renner

• Dr. Detlef Hinneburg

• Dr. Ralf Wolke

Abschlussbericht 05-10




Folie 6

II. Modellbeschreibung



Folie 7

Modellbeschreibung 1



Folie 8

Modellbeschreibung 1 Meteorologie-Modell operationelles lokales Vorhersagemodell LM des DWD

globales Vorhersagemodell GME des DWD

umfassende Modellphysik der Troposhäre

meso- und mikroskalig (100 m – 100 km)

50 orographiefolgende Schichten (u.: 65 m)

Reanalyse des Wettergeschehens vieler Jahre

meteorologischer Treiber des Modells



Folie 9








komplexes

Emissionsmodul

einschließlich:

Kühlturm-Überhöhungs-Modell



Folie 10








komplexes

Emissionsmodul

einschließlich:


Chemie-Transport-Modell

MUSCAT (Multi-Scale Atmosphäric Transport Modell)

hochaufgelöste online-Verknüpfung in „Echtzeit“

Steuerung der physikalisch-chemischen Emissions-, Transport- und Umwandlungsprozesse

äußerst variable und unabhängige Teilprozeduren

Verarbeitung hochgradig nichtlinear gekoppelter Gleichungen und unterschiedlicher Zeitskalen

variable, von LM unabhängige, horizontale und vertikale Nestung



Folie 11








komplexes

Emissionsmodul

einschließlich:









Gasphasenchemie-Modul

RACM

umfasst 76 reaktive Spurengase in 239 Reaktionen

einschließlich 22 photolytische Reaktionen in Abhängigkeit von Sonnenstand und Bewölkung sowie der weiteren meteorologischen Grundgrößen



Folie 12








komplexes

Emissionsmodul

einschließlich:









Gasphasenchemie-Modul

RACM

umfasst 76 reaktive Spurengase in 239 Reaktionen

einschließlich 22 photolytische Reaktionen in Abhängigkeit von Sonnenstand und Bewölkung sowie der weiteren meteorologischen Grundgrößen

Aerosoldynamik-Modul

MADMAcS

Modellierung von physikalisch-chemischen Bildung und Wachstum von Partikel - in direkter Wechselwirkung mit der Gasphasenchemie und der Meteorologie

variable Größenverteilung der Aerosole



Folie 13

Modellbeschreibung 2

NH3

Reaktionspfade (Tag /

Nacht)

NOx

Reaktionspfad (Tag)

SO2

E m i t t i e r t e V o r l ä u f e r g a s e

P M 1 0

P r i m ä r S e k u n d ä r

PPM10 Sulfat-

ionen

Ammonium-

nitrat

Ammonium-

sulfat

Schnelle irrevers. Reaktion Variables

Gleichgewicht Kondensation

HNO3 SO42-

Primäre

Emission

Primäre

Emission Aerosol-

bildungs-

pfad



Folie 14

III. Eingangsparameter und Szenarien



Folie 15

Eingangsparameter und Szenarien 1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

CO SO2 NOx Staub PM10

Emission der beiden größten sächsischen Großfeuerungsanlagen

HKW Boxberg

HKW Lippendorf

Massenstrom

in kg/h

730

120

1200

2100

40 / 60

12 % Emission

in Form von SO42-



Folie 16


sächs. Emissionskataster

weitere Emissions-Eingangsdaten

Deutschland/ Mitteleuropa Sachsen

EMEP-Emissionsdaten

50 x 50 km

anthropogene Emissionen

biogene Emissionen

anthropogene

SO2, NO, NO2, CO, NH3,

Methan, NMVOC, PM10, PM2,5

biogene

NO, VOC


Flächenquellen

Punktquellen

Flächen

Punkt weitere Emissions-Eingangsdaten



Folie 17


sächs. Emissionskataster

weitere Emissions-Eingangsdaten


EMEP-Emissionsdaten

50 x 50 km

anthropogene Emissionen

biogene Emissionen

SNAP-Klassen

anthropogene

SO2, NO, NO2, CO, NH3,

Methan, NMVOC, PM10, PM2,5

biogene

NO, VOC


SNAP Emissionstyp

1 Verbrennungsanlagen in Energie- und Rohstoffindustrie (Kraftwerke)

2 Nicht-industrielle Verbrennungsanlagen (Heizung)

3 Verbrennungsanlagen in der verarbeitenden Industrie

4 Industrielle Produktionsprozesse ohne Verbrennung

5 Förderung und Verteilung fossiler Brennstoffe, geotherm. Anlagen

6 Freisetzung von Lösungsmitteln (Chemieindustrie)

7 Straßenverkehr

8 Schienen-, Schiffs- und Luftverkehr

9 Abfallwirtschaft, Deponien

10 Landwirtschaft

Flächenquellen

Punktquellen

Flächen

Punkt weitere Emissions-Eingangsdaten



Folie 18


60 km 16 km 2,8 Nestung: - 50 / 8 km 1,4 0,7

Modellgebiet: Globale Erde Mitteleuropa Sachsen u.

Randgebiet

Teilgebiete

um GFA

Zeitfenster: Bezugsjahr

5-wöchige

Sommer-/

Winter Periode

Wochen-Szenario

Tages-Szenario

11.08. - 15.09. 15. - 22.08.

S1, S2, S3

Simulation:

2002

11.11. - 16.12. 23. - 30.11.

W1

Nestung

Modellgebiet

Zeitfenster

Simulation

LM

MUSKAT



Folie 19


60 km 16 km 2,8 Nestung: - 50 / 8 km 1,4 0,7

Modellgebiet: Globale Erde Mitteleuropa Sachsen u.

Randgebiet

Teilgebiete

um GFA

Zeitfenster: Bezugsjahr

5-wöchige

Sommer-/

Winter Periode

Wochen-Szenario

Tages-Szenario

11.08. - 15.09. 15. - 22.08.

S1, S2, S3

Simulation:

2002

11.11. - 16.12. 23. - 30.11.

W1

Nestung

Modellgebiet

Zeitfenster

Simulation

LM

MUSKAT



Folie 20

IV. Validierung des Modells



Folie 21

meteorologische Parameter

Validierung des Modells 1

--- Simulation

--- Stations-Messwerte



Folie 22



--- Simulation




Folie 23



--- Simulation




Folie 24



--- Simulation




Folie 25

Schadstoffkonzentrationen


--- Simulation




Folie 26



--- Simulation




Folie 27



--- Simulation




Folie 28



--- Simulation




Folie 29

V. Ergebnisse



Folie 30

Ergebnisse 1

SO2 -

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

40

↑ 0

μg/m³



Folie 31

Ergebnisse 1

SO2 -

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

SO2 -

Imm-

Zusatz-

belastung

40

↑ 0

μg/m³



Folie 32

Ergebnisse 2

SULFAT-

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

20

↑ 0

μg/m³



Folie 33

Ergebnisse 2

SULFAT-

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

SULFAT-

Imm-

Zusatz-

belastung

10

↑ 0

μg/m³



Folie 34

Ergebnisse 3

Sommertag

S1

NITRAT-

Gesamt-

Immission

10

↑ 0

μg/m³



Folie 35

Ergebnisse 3

Sommertag

S1

NITRAT-

Imm-

Zusatz-

belastung

2

↑ 0

μg/m³



Folie 36

Ergebnisse 4

PM10 -

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

20

↑ 0

μg/m³



Folie 37

Ergebnisse 4

Sommertag

S1

PM10 –

Imm-

Zusatz-

belastung

10

↑ 0

μg/m³



Folie 38

Ergebnisse 5

NH3 –

Gesamt-

Immission

Sommertag

S1

10

↑ 0

μg/m³



Folie 39

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 40

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 41

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 42

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 43

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 44

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 45

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 46

Ergebnisse 6

PM10-Immissions-

Zusatzbelastung



Folie 47

Ergebnisse 7 maximale mittägliche Zusatzbelastung

infolge der GFA-Emissionen im Sommer

-10

0

10

20

30

40

50

60

15.08. 16.08. 17.08. 18.08. 19.08. 20.08. 21.08. 22.08.

Ko

nze

ntr

ati

on

in

ug

/m³

Δ AmmSulfat

Δ PM10

Δ AmmNitrat

Δ PPM10

Δ SO2



Folie 48


infolge der GFA-Emissionen im Sommer

-10

0

10

20

30

40

50

60

15.08. 16.08. 17.08. 18.08. 19.08. 20.08. 21.08. 22.08.

Ko

nze

ntr

ati

on

in

ug

/m³

Δ AmmSulfat

Δ PM10

Δ AmmNitrat

Δ PPM10

Δ SO2

PM10

≈ 25 % ≈ 12 % x MAmmSulfat

SO2 88 % x MSO2



Folie 49

Ergebnisse 8 Prognose von Wochen-Zeitreihen

für 9 Immisions-Stationen in Sachsen

Sommerszenario

markanteste Ereignisse

• 21.08.: Leipzig Mitte: +8 μg/m³

Leipzig West: +8 μg/m³

• 15.08.: Zwickau: +5 μg/m³

• 16.08.: Zwickau: +3 μg/m³

)

) PM10-Immission

)

) durch

) GFA-Lippendorf

alle anderen Ereignisse < +2 μg/m³



Folie 50

Ergebnisse 8 Prognose von Wochen-Zeitreihen

für 9 Immisions-Stationen in Sachsen

Sommerszenario

markanteste Ereignisse

alle anderen Ereignisse < +2 μg/m³



Folie 51

Ergebnisse 9

Tages-

gang

der

Emissions-

höhe



Folie 52

Ergebnisse 10

SO2 -

Gesamt-

Immission

Wintertag

S1

10

↑ 0

μg/m³



Folie 53

Ergebnisse 10

SO2 -

Gesamt-

Immission

Wintertag

S1

SO2 -

Imm-

Zusatz-

belastung

10

↑ 0

μg/m³



Folie 54

Ergebnisse 11

PM10 -

Gesamt-

Immission

Wintertag

S1

20

↑ 0

μg/m³



Folie 55

Ergebnisse 11

PM10 -

Gesamt-

Immission

Wintertag

S1

PM10 -

Imm-

Zusatz-

belastung

2

↑ 0

μg/m³



Folie 56


infolge der GFA-Emissionen im Winter

-10

0

10

20

30

40

50

60

Ko

nze

ntr

ati

on

in

ug

/m³

Δ AmmSulfatΔ PM10

Δ AmmNitratΔ PPM10

Δ SO2

24.11.



Folie 57

Ergebnisse 12 Schätzwert für die mittlere Jahres-Zusatzbelastung

infolge der GFA-Emissionen

-10

0

10

20

30

40

50

60

Ko

nzen

trati

on

in

ug

/m³

Jahr

Δ PM10 ≤ 0,1 μg/m³



Folie 58

Ende

**** danke fürs Zuhören und -schauen ****

Date post:	03-Sep-2019
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