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12 | 2012

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Special

Special Luftreinhaltung/Emissionen Wissenschaftler von drei Fraunhofer- Instituten arbeiten derzeit an einem mobilen, satellitenbasierten System zur Emissionsmessung. Esliefert aktuelle Informationen zuFeinstaubkonzentrationen, Ozonwerten und anderen Luftschadstoffen. Ziel des Projekts ist ein dynamisches Umweltkataster, das Schadstoffkonzentrationen flächendeckend und über lange Zeiträume dokumentiert. In der Messbox lassen sich zwei Sensoren für unterschiedliche Schadstoffe an das System ankoppeln. Von Interesse sind vor allem Gase, die imVerbrennungsmotor entstehen, sowie Ozon und Feinstaub. Bild: Fraunhofer IPK Flächendeckende Luftqualitätskontrollen mit rollendenMessstationen Jürgen Wöllenstein Gesetzliche Regelungen zur Emissionsüberwachung bestimmen, wie oftgemessenwirdund wie die Messwerte interpretiert werden: Sowird der Ozonwert in einer mittelgroßen Stadt häufig an nur zwei oder drei Messstationen gemessen. Die Messwerte werden dann über acht Stunden gemittelt. Dies istinetwasopräzise,als würdeder Thermostatder Heizung die Wohnraumtemperatur einmal täglich inder Nähe des Backofens aufnehmen, um daraus die erforderliche Heizleistung für die kommenden24Stundenabzuleiten. Die Ozonwerte schwanken deutlich im Tagesverlauf; hier kann die Mittelung derMesswerte über einengroßen Zeitraum das Ergebnis starkverfälschen. Ozonwerte können zudem abhängig vom Messort variieren: Teilweise geht das Gas Verbindungen mit anderen in derLuftvorhandenen Stoffen, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid ein, so dass die lokale Ozonkonzentration sinkt; nur einige Straßen weiter kann sie aber deutlichhöher liegen. Mit aktuellen, ortsgenauen Messungen wären Verkehrsleitzentralen inder Lage, einzelne Straßen gezielt zusperren, sobald bestimmte Grenzwerte überschritten sind. Und sie könnten später kontrollieren, wie effektiv die Maßnahme war. Auch Umweltsünder sind anhand von ortsgenauen Messwerten schneller dingfest gemacht. Dazu bedarfesallerdings zertifizierter Messprotokolle und einergerichtsfesten Ortung der Messpunkte, die nur mit einem satellitenbasierten System möglichist. Rollende Messstationen Hier setzt die Forschungs- und Entwicklungsarbeit des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM (Freiburg)an. DieWissenschaftlermontieren spezielle Messsystemeauf die Dächer von Pkw. Die so ausgestatteten Fahrzeuge nehmen während der Fahrt permanent Messwerte auf. Die Ortung der Autos geschieht über das geplante europäische Satellitennavigationssystem Galileo –und zählt damit zu den ersten konkreten Anwendungen für das im Aufbau befindliche zivile Navigationssystem.Anders als GPS stellt Galileo bestimmten Diensten eine „Integrity- Funktion“ zur Verfügung, die die Korrektheit der übertragenen Daten garantiert. Für die Ortungssignale haben Kollegen vom Fraunhofer-Institut für IntegrierteSchaltungenIIS (Erlangen) einen speziellen Empfänger gebaut. Die Ortsdaten werden in einer Basisplattform für Galileo-Anwendungen mit den Messdaten kombiniert und ausgewertet. Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK (Berlin) baut diese Plattform in einem sogenannten Galileo-Lab speziell für das Emissionsmonitoring auf. Die ausgewerteten Daten werden nach Abschluss der Messungen drahtlos in eine zentrale Datenbank oder wahlweise auf ein mobiles Endgerät hochgeladen und auf verschiedene Arten grafisch visualisiert. Über das Internet sind sie für Verkehrsplaner oder die Öffentlichkeitjederzeitabrufbar. Sensoren nach Bedarf ankoppeln Dierollende Messstation bündelt unterschiedliche Sensoren und Messsysteme in eineretwa100 ×150 cm großen Box. Im Unterschied zu stationären Messcontainern, in denen teure Messtechnik verwendetwird, setzen die Entwickler fürdie Messfahrzeuge auf preisgünstige Sensoren undSysteme. Nur so lässtsichfür eine flächendeckende Kar- 16 UmweltMagazin Dezember 2012

Die rollenden Messsysteme gehören zu den ersten Anwendungen des geplanten europäischen Satelliten-Navigationssystems Galileo. Grafik: Fraunhofer IPM tierung eine ganze Flotte –darunter gegebenenfalls auch Fahrzeuge desöffentlichen Nahverkehrs – ausstatten. Ziel der Arbeiten ist eine modulare Plattform,andie je nachBedarfunterschiedliche Sensoren angekoppelt werden können. Neben Temperatur und Feuchte werden Kohlenstoffoxide oder Stickstoffverbindungen gemessen, die im Verbrennungsmotor entstehen. Zudem ermittelt das Messgerät Ozon und Feinstaubkonzentrationenbis hinunter zu 10 Mikrometern Partikelgröße (PM10). Neues optisches Filterphotometer Neben kommerziellen Sensoren, die für das System genutzt werden, hat Fraunhofer IPM eigens für den rollenden Einsatz ein optisches Filterphotometer entwickelt, das erstmals die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak und Methan simultan misst. Als Lichtquelle dient ein thermischer Strahler, der imGegensatz zuden üblicherweise verwendeten Laseroptiken deutlich kostengünstiger ist. Die Strahlungsquelle muss eine hohe spektrale Breite besitzen, damit alle benötigten Absorptionsbanden der entsprechenden Gase überdeckt werden. Für einen besonders empfindlichen Nachweis setzen die Wissenschaftlerauf die Absorptionsspektroskopie im Mittleren Infrarot mit Wellenlängen von 3bis 11µm. Der Infrarot-Messstrahl wird über eine Spiegeloptik in eine kompakte White- Zelle geleitet. Dort legt der Messstrahl mehrfachgefaltet1,7 MeterWegstrecke durch die ins System angesaugte Luftprobezurück. Ein Filterrad mit vieroptischen Filtern moduliert und filtert die Strahlung. DietransmittierendenBereiche des Rads bestehen aus passenden Filtern für die einzelnen Gase. Damit deckt der Filter im Vergleich zu herkömmlichen Filterphotometern eine besondersgroße Bandbreite von3bis11 µm ab. Im pyroelektrischen Detektor lässt sich anhand der Lichtabsorption mittels geeigneter Signalaufbereitung und -verarbeitung die Konzentration der einzelnen Gase ermitteln. Mit einem zusätzlichen Filter, bei dem keine Gasabsorption auftritt, wird eine Referenzabsorption gemessen. Messdaten jederzeit abrufbar Die berechneten Gaskonzentrationenwerdenüber eine drahtlose Verbindung an den Galileo-Server weitergegeben, mit den Ortsdaten verknüpft und in einer Datenbank abgelegt. So sind sie für Mitarbeiterder Verkehrsleitzentralenüber das Internet jederzeitabrufbar. Auch mobile Endgeräte können auf die Daten zugreifen –eine Applikation für das iPhone stehtbereits zurVerfügung. Bis die ersten mobilen Fahrzeuge in deutschen Städten unterwegs sind, wirdesnochein wenig dauern:Die Inbetriebnahme der ersten Galileo-Satelliten istfür dasJahr 2013 geplant. Bis dahin testen die Wissenschaftler ihr System in Berchtesgaden. Dort hat die Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt DLR Pseudosatelliten aufgebaut, an denen künftige Galileo-Anwendungen erprobtwerden. Prof. Jürgen Wöllenstein, Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, juergen.woellenstein@ ipm.fraunhofer.de UmweltMagazin Dezember 2012 17

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