Prüfung emissionsgeminderter Straßenkehrmaschinen D. Renschen

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Schwerpunktthemen
Prüfung emissionsgeminderter
Straßenkehrmaschinen
D. Renschen, E. Andrae, D. Glätzer, W. Weidenfeller*
Im Rahmen eines Projektes des Umweltbundesamtes wurde eine Methode entwickelt, um die Feinstaubemissionen
von Straßenkehrmaschinen zu bestimmen.
Das Hauptproblem bei der Messung der Feinstaubemission von Straßenkehrmaschinen ist die Erfassung der diffusen
Emissionen wie z. B. im Umfeld der Seitenbürsten. Solche Quellen diffuser Emissionen sind aufgrund der konstruktionstechnischen Unterschiede zwischen den Kehrmaschinen an verschieden möglichen Positionen zu finden. Um zuverlässig
in der Lage zu sein, neben den geführten auch die diffusen Emissionen zu erfassen, wurden alle Staubemissionen in
einer geschlossenen Halle gesammelt. Eine Prüfstaubmischung wurde auf einen Testparcours von 48 m Länge verteilt.
Für verschiedene Typen an emissionsgeminderten Straßenkehrmaschinen wurden die emittierten Mengen an Feinstäuben
(PM10, PM2.5 und PM1) und die Kehreffizienzen ermittelt.
Die beschriebene Methode ist geeignet, die PM10-, PM 2,5- und PM1-Fraktionen (z.B. in mg/m2 gekehrter Straßenoberfläche) von Kehrmaschinen auch nach effektiven technischen Emissionsminderungsmaßnahmen zu bestimmen.
1 Ausgangssituation
Das Umweltbundesamt (UBA) schätzte
die Gesamtmenge der Feinstaubemission
durch Straßenkehrung für Berlin auf etwa
100 t/Jahr /1/. Im Vergleich damit geht
man davon aus, dass alle Kraftwerke von
Berlin ungefähr 800 t Feinstaub pro Jahr
emittieren. Folglich scheint das Straßenkehren eine Quelle zu sein, die verringert
werden sollte, um die innerstädtischen
Feinstaubbelastungen zu reduzieren. Bei
einer PM10-Konzentration von 35 μg/m3
ergibt sich im Mittel ein Beitrag von
7 μg/m3 für „diffuse Emissionen“ wie
Aufwirbelung von Straßenstaub sowie
Straßenbelags-, Reifen- und Bremsabrieb
/2/. Bei einer früheren Studie von 1994 /3/
mit einer staubgeminderten Kehrmaschine
wurde nachgewiesen, dass eine bedeutende Reduktion der Feinstaubemission mit
technischen Mitteln erzielt werden kann.
Mittlerweile stellen mehrere Hersteller
staubgeminderte Straßenkehrmaschinen
her. Angesichts der kritischen Feinstaubbelastungen vieler Städte wurde 2010 vom
Umweltbundesamt bei der DMT GmbH &
Co. KG ein Projekt durchgeführt, in dem
eine zuverlässige Methode für die Ermittlung der Feinstaubemissionen von Kehrmaschinen unter standardisierten Bedingungen entwickeln werden sollte/4/. Mit
diesem Verfahren wurden verschiedene
Kehrmaschinen mit unterschiedlichen
technischen Ausstattungen zur Staubminderung unter vergleichbaren Bedingungen
und mit Bezug zu einer Kehrmaschine
* Dr. Dirk Renschen, Edgar Andrae,
Dietmar Glätzer, Willi Weidenfeller
DMT GmbH & Co. KG (TÜV NORD Gruppe), Abteilung
Produktprüfung Kälte & Luftqualität
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100
ohne Staubemissionsminderung geprüft.
Verwendete Staubminderungsverfahren
waren neben der Filtration die elektrostatische und die Nassabscheidung.
Eine Herausforderung bei der Prüfung
sind die sehr unterschiedlich konstruierten
Kehrmaschinen mit diversen möglichen
Positionen, an denen Stäubemissionen
erzeugt werden, wie Motorenemissionen
(kontrolliert), Abluftemission der Saugturbine, drehende Bürsten oder Bürstenwalzen (zur Aufsammlung des Kehrrichts),
die Motorkühlluft, die auf die Straßenoberfläche geblasen wird usw.
Um zuverlässig insbesondere die diffusen Emissionen zu erfassen, wurden alle
Feinstaubemissionen in einem geschlossenen Raum (Halle) gesammelt. Die Abmessungen der Halle von ungefähr 20 m x
100 m x 10 m (B x L x H) wurden an die
der geprüften Kehrmaschinen (von bis zu
2.5 m x 9.5 x 3.9 m) angepasst.
2 Methodenbeschreibung
Die Kehrprüfstaubmischung wird aus
zwei verschiedenen Sandfraktionen und
einer Fraktion feinstgemahlenen Dolomit
hergestellt. Der Massenanteil kleiner
10 μm liegt bei 4,8 %. Die Prüfstaubmischung wird auf einen Prüfparcour von
48 m Länge mit einer Flächenkonzentration von etwa 125 g/m2 homogen aufgetragen. Der Prüfstaub und die Flächenkonzentration wurden von einem Kehrmaschinenprüfverfahren der EUnited, dem
europäischen Herstellerverband für kommunale Fahrzeuge, übernommen /5/. Eine
Parcourbreite von 0,6 m entlang eines TTägers dient zur Simulation des Randsteinkehrens und eine von 1,8 m zur
Simulation der Staßenkehrung.
Zur Kontrolle der Flächenkonzentration
des Prüfstaubes werden Querstreifen von 1
m Breite an drei Positionen entlang der
Teststrecke mit einem Zyklonsauger abgesaugt (Saugeffizienz 97 %) und die erfasste Staubmenge ausgewogen. Die Kehreffizienz einer Straßenkehrmaschine wird
nach deren Testkehrung durch Rücksaugen des auf dem Testparcour verbliebenen Prüfstaubes ermittelt. Dazu werden
wiederum an drei definierten Positionen
entlang der Teststrecke Querstreifen von
einem Meter Breite mit einem Zyklonsauger abgesaugt.
Die Durchführung der Kehrung des
Prüfparcours in der Testhalle erfolgt unter
weitestmöglich standardisierten Bedingungen, d.h. bei festgelegter Geschwindigkeit, minimierter Sprührate für die
Kehrbesenbesprühung etc., um eine bessere Vergleichbarkeit zu erzielen.
Jede Kehrmaschine wird zur qualitativen Erfassung diffuser Emissionen im
direkten Umfeld an vier Positionen (vorne
und mittig jeweils links und rechts) mit
mobilen Streulichtphotometern ausgerüstet (TM data, Hersteller Hund). In der
Mitte der Testhalle erfasst ein stationäres
optisches Partikelspektrometer (Promo
2000, Hersteller PALAS) kontinuierlich
die Partikelzahlen bzw. berechnet darüber
die PM-Fraktionen der Hallenluft /6/. Alle
benutzten Partikelzähler werden mehrfach
auf ein klassisches gravimetrisches PM10Immissionsmessgerät (LVS von Derenda,
Berlin) referenziert. Das Spektrometer
wird bei allen Prüfungen mit dem parallel
über die gesamte Dauer einer Messtages
sammelnden PM10-Immissionsmessgerät
abgeglichen.
Während der Vorbereitung eines Tests
und der Prüfung einer Kehrmaschine findet ein fortlaufender Anstieg der Feinstaubkonzentration in der Testhalle statt.
Durch Zwangsluftwechsel (durch Absaugung) zwischen den Tests wird der Partikelhintergrund zwischen den Prüfungen
bzw. nach der Präparation des Prüf-
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Abb. 1: 4,8 % des Massenanteils an Partikeln ist kleiner 10 μm in der
Kehrprüfstaubmischung
parcours mit der Kehrprüfstaubmischung
unter ein festgelegtes Limit gesenkt
(< 100 μg/m3).
Folgender Standardprüfablauf wird
gewählt:
- Zu Beginn eines Messtages werden alle
stationären Feinstaubmessgeräte mit
Filter ausgestattet und in Betrieb genommen.
- Vor dem Beginn einer Kehrmaschinenprüfung und nach Lüftung der Halle
über Nacht wird die Hintergrundkonzentration an Staub in der Hallenluft
bestimmt.
- Danach wird der Anstieg des Staubgehaltes in der Hallenluft durch den
nichtkehrenden Betrieb einer Kehrmaschine ermittelt. Die Kehrmaschine
wird wieder in der Ausgangsposition
platziert und ausgeschaltet.
- Im Anschluss daran wird die Prüfstrecke
mit der Kehrprüfstaubmischung gespurt.
- Danach werden an drei definierten
Positionen entlang der Strecke Streifen
Abb. 2: Dosiergenauigkeit des Kastenstreuers zur Präparation des
Parcours mit Prüfstaub
von 1 m Breite abgesaugt und darüber
wird die Flächenkonzentration (in g/m3)
für die aufgetragene Kehrprüfstaubmischung ermittelt.
- Vor der Kehrmaschinenprüfung wird die
Halle je nach Staubbelastung der Luft
etwa 30 – 120 min zwangsbelüftet, bis
ein Konzentrationslimit von 100 μg/m3
für PM10 unterschritten ist.
- Start der Kehrung der Spur mit den vorgegebenen bzw. beschriebenen Einstellungen bzw. der Kehrmaschinenfahrer versuchte, diese Zielwerte zu
erreichen. Nach dem Abkehren werden
die Schmutzlöse- und Aufnahmeeinrichtungen ausgeschaltet und die Kehrmaschine fährt in die Ausgangsposition
zurück (< 2 min).
- Dann erfolgt die Erfassung der Aufnahmeeffizienz der Kehrmaschine für die
ausgestreute Kehrprüfstaubmischung.
Danach wird mit einem Industriesauger
die Spur nachgereinigt, um die Prüfstrecke möglichst vollständig abzureini-
gen (Dauer dieses Arbeitsschrittes etwa
30 min).
- Danach wird der Prüfparcour für die
nächste Prüfung präpariert und die Halle
gelüftet.
3 Ergebnisse und deren
Bewertung
Die Prüfstaubmischung bestand neben
15 % Dolomitstaub („PM10 Material“)
aus 85 % gewaschenem Kristall-Quarzsand (Durchmesser 0,1 bis 2 mm; SiO2
bzw. Quarz; Abbildung 1). Der Quarzstaubanteil für Korngrößen ≤ 90 μm liegt
unter einem Promille, so dass der gewählte
Sand quasi frei an lungengängigen Staubanteilen ist.
Die Kehrprüfstaubmischung wurde
mittels eines Kastenstreuers (Walzenstreuer) auf dem Parcour verteilt. Die
Dosagegenauigkeit wurde zuerst im aufgebockten Zustand ermittelt (Abbildung 2).
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Schwerpunktthemen
Abb. 3: Gleichzeitige Ermittlung der Verteilung der
Feinstaubkonzentration an 4 Hallenpositionen
Beim Standardbetrieb des Kastenstreuers (Schieben bzw. Ziehen) zum Auftragen der Kehrprüfstaubmischung wurde
festgestellt, dass sich so die Zielkonzentration auf dem Parcour nicht ausreichend
exakt einstellen lässt. Deshalb wurde der
Prüfstaub so dosiert, dass er etwas unterhalb der Zielkonzentration aufgetragen
und die Differenzmenge manuell nachgestreut wurde.
Die Zeitdauer zur Erreichung einer
Gleichverteilung der Konzentration an
Feinstaub in der Halle wurde bestimmt
(Abbildung 3). Dazu wurde gezielt
Prüfstaub punktuell im Frontbereich der
Halle in die Hallenluft über einen Pressluftdispergierer eingeblasen, während in
Richtung der vier Hallenecken Streulichmessgeräte den Feinstaubkonzentrationsverlauf erfassten. Mit einer Bandwaage
erfolgte die Aufgabe einer genau dosierten
Menge von 200 g des Kehrprüfstaubgemisches. Dieses wurde über einen Zeitraum von 12 min mittels Pressluftinjektion
Abb. 4: Ermittelte Abklingraten der PM-Fraktionen in der Hallenluft
dispergiert in die Hallenluft eingeblasen.
Die Deckenventilatoren waren zur Durchmischung der Hallenluft eingeschaltet.
Der Zeitpunkt nach dem Kehren zum
Starten der Bestimmung der Hallenimmissionskonzentration wurde auf die
Zeitdauer zur Gleichverteilung des Feinstaubes angepasst.
Zusätzlich wurden die Abklingkurven
der Schwebstaubbelastung in der Halle
ermittelt und darüber die Luftwechselrate
berechnet. Die Luftwechselrate ist der
Luftvolumenstrom, der je Zeiteinheit in
die Prüfhalle einströmt. Da dieser auch
teilweise von den aktuellen Witterungsbedingungen abhängig ist, wurden diese
zu den jeweiligen Messungen erfasst und
dokumentiert. In Anlehnung an die DIN
EN ISO 12569 /7/, in der die Luftwechselrate mittels Dosage eines Tracergases in
das zu prüfende Gebäude und der
Erfassung der Abklingkurve des Prüfgases
nach Ende der Dosage bestimmt wird,
kann mit Schwebstäuben, die im Zeitraum
Tab. 1a: Kategorisierung der geprüften Straßenkehrmaschinentypen
Tab. 1b: Übersicht technischer Charakteristika der geprüften Straßenkehrmaschinentypen
102
der Messung der Konzentrationsabnahme
keine oder nur eine vernachlässigbare
Abnahme aufgrund von Sedimentation
aufweisen (PM1-Fraktion), ebenfalls die
Luftwechselrate des Gebäudes ermittelt
werden. Die Rate des Luftwechsels in der
Halle (≤ 0,25/h) wurde bestimmt, indem
die Abklingrate der PM1-Fraktion bestimmt wurde (Abbildung 4).
Während und nach der Prüfung einer
Kehrmaschine auf die Gesamtfeinstaubemissionen beim Kehren wurden die
Anstiege der Feinstaubfraktionen in der
Halle aufgezeichnet. Die Prüfung der
Kehrmaschine in einem Modus wurde i.a.
wenigstens dreifach durchgeführt, so dass
für die spezifischen Feinstaubemissionen
ein Mittelwert und die Standardabweichung berechnet werden konnte.
Anhand des nachfolgenden Beispiels
eines solchen Messverlaufs ergab sich mit
der entsprechenden Korrektur für den
Feinstaubhintergrund in der Prüfhalle ein
Anstieg der PM10-Fraktion durch diese
Prüfung von 74 μg/m3 (Abbildung 5).
Im Verhältnis zur gekehrten Fläche
ergab sich für dieses Beispiel eine PM10Emissionsrate von 20 (± 8.6) mg/m3. Die
entsprechenden Werte für die PM2,5Fraktion waren 1.9 (± 0.5) mg/m3 und für
die PM1-Fraktion 0.3 (± 0.1) mg/m3. Die
berechneten Standardabweichungen sind
vergleichsweise hoch, da sich insbesondere die Kehrbedingungen im Detail (z. B.
Anpressdruck der Kehrbesen, Anstellwinkel, Drehzahl etc). nicht durch fixe
Einstellungen an den Kehrmaschinen fest
regeln lassen, sondern i.a. manuell eingestellt werden.
Alle geprüften Straßenkehrmaschinen
(überwiegend 5m3-Klasse; Kategorisierung Tabelle 1a) sind nachfolgend mit den
entscheidenden technischen Charakteristika aufgelistet (Tab. 1b). Neben den 5 emissionsgeminderten Kehrmaschinen wurde
eine reguläre nicht staubgeminderte Kehrmaschine als Referenz mit geprüft.
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Schwerpunktthemen
Die untersuchten Kehrmaschinen mit
Filtern zur Reinigung der Bunkerabluft
sowie eine nasssaugende Kehrmaschine
wiesen Reduktionen für die PM10Emissionen von über 90% (bis zu 99%)
auf. Gleichzeitig wurde für die verwendete Kehrprüfstaubmischung eine Kehreffizienz von mehr als 80% (bis 94%)
erzielt (Tab. 2).
Die Abscheideeffizienz der verwendeten Staubabscheider wurden soweit möglich separat im Standbetrieb mittels einer
gravimetrischen Bestimmung des Staubgehaltes in der Abluft nach dem Abscheider für die emissionsgeminderten,
trockenkehrenden Kehrmaschinen ermittelt
(Tab. 3).
Die Bestimmung der Abscheideeffizienz der Kehrmaschinen TOA, TGA
und TGM ergab Werte für die Massenabscheidung von über 99 %. Die Kehrmaschine TGA erreichte über 99,9 % und
die TGM sogar über 99,99 %. Soweit die
Feinstaubfraktion PM10 in der Abluft
ermittelt werden konnte, lagen diese Werte
etwas niedriger, was aufgrund des höheren
Partikeldurchlasses von Feinstaubpartikeln (insb. von Partikeln <1 μm, im Vergleich mit Grobstaub) durch Filtermedien
erwartungsgemäß ist.
Mittels der Streulichtmessgeräte, die an
vier Positionen rund um die Kehrmaschine
angebracht waren, ließen sich Unterschiede in den lokalen Emissionen zwischen den verschiedenen Kehrmaschinentypen feststellen, so daß man z.B.
gezielte technische Verbesserungen zur
Emissionsminderung an der Maschine
durchführen kann.
Während erwartungsgemäß bei der
nicht emissionsgeminderten Kehrmaschine ein wesentlicher Teil des beim Kehren
erzeugten Gesamtfeinstaubes in der
Abluftemission enthalten ist, verursachen
die diffusen Emissionen (Bürsten, Walzen
etc.) den Hauptanteil der Gesamtstaubemission bei den staubgeminderten Kehr-
Tab. 2: PMx-Reduktionen der geprüften Straßenkehrmaschinentypen
Tab. 3: Reduktion der Feinstaubemissionen in der Abluft der Kehrmaschinen
Abb. 5: Verläufe der PMx-Fraktionen vor und nach dem Kehren
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Schwerpunktthemen
Abb. 6: Visuelle Emissionen der nicht emissionsgeminderten
Standardkehrmaschine (Referenz)
maschinen (Tab. 4). Dies sieht man auch
sehr gut im Vergleich der Staubaufwirbelung durch die Referenzmaschine
(Abb. 6) mit den visuell kaum wahrnehmbaren Emissionen bei einer emissionsgeminderten Kehrmaschine (Abb. 7) ohne
Einhausung des Kehrbesens.
Die ermittlete Kehreffizienz einer
Kehrmaschine gibt an, wie effizient die
Aufnahme/Abkehrung der verwendeten
Kehrprüfstaubmischung erfolgt (Tabelle 5).
Die mittleren Kehreffizienzen für die
Prüfstaubaufnahme sind für die emissionsgeminderten Kehrmaschinen deutlich besser als bei der Referenzmaschine.
4 Zusammenfassung und
Ausblick
Ausgehend von der Ausgangssituation
und unter Berücksichtigung der Ergebnisse des durchgeführten Projektes kann
man annehmen, dass mit dem systematischen Einsatz effizient feinstaubgeminderter Kehrmaschinen in den Innenstädten ein
wirksamer Beitrag zur Minderung der
Feinstaubproblematik erzielt werden kann.
Für eine effiziente feinstaubgeminderte
Kehrmaschine sind der Einsatz eines wirk-
Abb. 7 : Visuelle Emissionen bei einer emissionsgeminderten
Straßenkehrmaschine ) ohne Einhausung des Kehrbesens
samen Feinstaubabscheiders zur Reinigung der Bunkerabluft und eine effiziente
Erfassung des Feinstaubes, der durch die
mechanische Aufnahme des Kehrgutes
entsteht, unabdingbar.
Die wesentliche Schwerpunkte des Projektes lagen in der Bestimmung
- der Abscheideeffizienz der verschiedenen Abluftreinigungssysteme,
- der lokalen Emissionen im direkten
Umfeld der Kehrmaschine und
- der flächenbezogenen
Feinstaubemissionen beim Kehren.
Die Abscheideeffizienzen der Filtersysteme zur Reinigung der Bunkerabluft
der emissionsgeminderten, trockenkehrenden Kehrmaschinen im stationären Betrieb
lagen zwischen 99,7 % und 99,99 %. Die
Ergebnisse der Messungen lokaler Emissionen im direkten Umfeld der Kehrmaschine zeigen deutlich, dass die
Staubminderung beim Kehren durch eine
Einhausung der Seitenbesen sehr viel
effektiver ist als z. B. durch eine Bedüsung
mit Wasser. Während die flächenbezogenen PM10-Emission für eine nicht entstaubte Kehrmaschine bei trockener
Kehrung der Kehrprüfstaubmischung etwa
Tab. 4: Geschätzter Anteil der diffusen Feinststaubemission an der Gesamtemission
Tab. 5: Ergebnisse der Kehreffizienzen je Kehrmaschinentype (untergliedert nach Kehrszenarien)
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400 mg/m3 betrug, fielen diese Emissionen
bei den feinstaubgeminderten Kehrmaschinen auf bis unter 10 mg/m3 ab.
Anhand der Ergebnisse konnte ebenfalls eine Abschätzung zu den beim
Kehren entstehenden diffusen Emissionen
getroffen werden. Auch war es möglich,
die Kehreffizienzen der Kehrmaschinen zu
berechnen.
Durch das Umweltbundesamt soll im
Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens der Betrieb ausgewählter emissionsgeminderter Kehrmaschinen um Alltagseinsatz in der Kommune untersucht
werden, um die Alltagstauglichkeit zu prüfen.
Die Ergebnisse des abgeschlossenen
Forschungsvorhabens finden auch Eingang in eine neue Richtlinie des VDI, die
VDI 2096 „Emissionsarme Kehrmaschinen“.
Literatur
/1/ Remus 2007: Präsentation bei der VDI Arbeitsgruppe
NA 134-01-65 AA (VDI 2096), „Emissionsarme
Kehrmaschinen“ Düsseldorf (26.10.2006)
/2/ John, Astrid, Hugo, Achim, Kaminski, Heinz, Kuhlbusch,
Thomas: Untersuchung zur Abschätzung der Wirksamkeit
von Nassreinigungsverfahren zur Minderung der PM10Immissionen am Beispiel der Corneliusstraße, Düsseldorf,
IUTA-Bericht Nr. LP 26 (2005)
/3/ Stockmann & Noack: UBA/BSR-Projekt „Entstaubte
Kehrmaschine“, Abschlußbericht DMT Nr. 51 02 18 94;
UBA Nr. II 1.1-50441-9/33 (1994)
/4/ UBA - Renschen, Dirk: Messprogramm zur Ermittlung
des möglichen Beitrags emissionsgeminderter Feinstaubkehrmaschinen an der Einhaltung anspruchsvoller Immissionsgrenzwerte für Staubpartikel (Measurement project to
determine the possible impact of fine dust emission
reduced sweepers to the compliance with PM10 immission
limits),FKZ 340 01 008, BMU Umweltinnovationsprogramm
(Link zum Abschlußbericht im Internet: http://www.cleanerproduction.de/de/technologiebereiche/projekte/
luftreinhaltung/35406
/5/ www.eu-nited.net/municipalequipment (“The EUnited
PM10 test is a simple outdoor test procedure …. which is
highly dependent on the outside influences”).
/6/ DIN EN 12341:1999-03 Luftbeschaffenheit; Ermittlung
der PM10-Fraktion von Schwebstaub; Referenzmethode
und Feldprüfverfahren zum Nachweis der Gleichwertigkeit
von Messverfahren und Referenzmessmethode
DIN EN 14907:2005-11 Luftbeschaffenheit - Gravimetrisches Standardmessverfahren für die Bestimmung der
PM2,5-Massenfraktion des Schwebstaubs
/7/ DIN EN ISO 12569: 2001-03 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Bestimmung des Luftwechsels von
Gebäuden - Indikatorgasverfahren
F & S Filtrieren und Separieren
Jahrgang 26 (2012) Nr. 2