A Luftreinhaltung

• Bis 100 km Höhe hält sie ihre Zusammensetzung bei

• Zusammensetzung:

  • Hauptbestandteil: N2 (78%), O2 (21%), Ar (0,9%)

  • Permanente Spurengase: Edelgase, H2, N2O

  • Sehr räumlich und zeitlich schwankende Anteile (H2O, CO2, CH4)

• Besitzt eine Masse von etwa 4,9 * 10^18 kg

• Schicken:

  • Troposphäre: 0 - 7 km (Polargebiet) und bis 17 km (Tropen), begrenzt d. Tropopause

  • Stratosphäre: 7 - 17 km, begrenzt d. Stratopause

  • Mesosphäre: 50 - 80/85 km, begrenzt d. Mesopause

  • Thermosphäre: 80 - 85 km bis über 640 km

  • Exosphäre: 500/1000km bis über 100.000 km (interplanetaren Raum übergehend)

• Emission: Übertritt luftunvereinigender Stoffe in die offene Atmosphäre. Ort des Übertritts: Emissionsquelle

• Transmission: Vorgänge, in derne Verlauf sich räumliche Lage und Verteilung der luftverunreinigenden Stoffe in der offenen atmosphäre und dem Einfluss von Bewegungsphänomenen oder infolge weiterer physikalischer sowie chemischer Effekte Ändern

• Immission: Übertritt luftverunreinigender Stoffe von der offenen Atmospähre in einen Akzeptor (z.B. Menschen)

• Schadstoff: Fremdstoff, der sich aufgrund der Art seiner Verteilung auf der Erdoberfläche oder im Boden sowie im Erdnahen Raum als Schadstoff erweist (Primär: keine Umwandlung zwischen emission und Imission, Sekundär: Entsteht durch Umwandlung in der Atmosphäre z.B. Ozon)

• Luftschafstoff: Beimengung der Luft, die sowohl die menschliche Gesundhet als auch die Biospähre gefährden kann. Herkunft kann natürlich als auch anthropogen sein.

• Konzentration: Quantitative Angabe über Menge Schadstoff in einer bestimmten Umgebung —> hohe Konzentration führt nicht zwingend zu hoher Exposition

• Exposition: Entsteht, wenn die Menschen einem konkreten Schadstoff ausgesetzt sind.

• Dosis: Menge des Schadstoffes, die tatsächlich in den Körper eindringt —> abhängig von Exposition, stoffspez. Faktoren (z.B. Löslichkeit), personenspezifischen Faktoren (z.B. Gesundheit der Haut)

• Treibhausgase (z.B. CO2, Methan): Atmosphärische Gase, die zum Treibhausefekt durch Absorption v. der Erdoberfläche reflektieren Infrarotstrahlung beitragen.

• Smog (Smoke & Fog (nebel)): Hohe Immissionskonzentration von Luftschadstofen in Verbindung mit Nebel

  • London: Anreicherung von Schwefeldioxid & Schwebstaub während austauscharmer Wetterlagen mit hoher Luftfreuchtigkeit

  • LA: Bildung stark oxidierender Substanzen, bes. Ozon, wenn Stickoxide, Kohlenmonoxid & Kohlenwasserstoffe intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.

• Quellen: Verbrennung fossiler Brennstoffe für Stromerzeugung (Verkehr, Industrie, Haushalte), Industrielle Prozesse, Landwirtschaft, Haushalte, Abfallverbrennung

• Luftschafstoffe: Ammoniak, Stickoxide, Ozon, Feinstaub

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• Schwefeldioxid (SO2): Entsteht durch Verbrennung fossiler Brennstoffe (enthalten Spuren von Schwefel), hauptsächlich Kraftwerke.

• Stick(stoff)oxide (NOx): Mischung aus NO und NO2, Anorganische Gase das aus Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft entstehen. NO entsteht zu großen Mengen als NO2.

• Ozon (O3): Ist sekundärer Schadstoff, der durch die Reakton von NO2, Kohlenwasserstoffen und Sonneneisntrahlung (deshalb auch bei Sonnigem Wetter höhere Ozonkonzentration) entsteht.

• Kohlenwasserstoffe (HC) und flüchtige organische Verbindungen (NMVOC): Entstehen bei unvollständiger Verbrennung von Kraftstoffen & Verdunstung.

• Feinstaub: Fraktion des Schwebstaubs, Teilmenge PM10 und PM2,5. Kann natürlich (Bodenerosion, Vulkanausbrüche) oder durch menschlichen Handeln erzeugt werden. Primär (unmittelbar von der Quelle freigesetzt) oder sekundär (Kondensationsprozess aus Vorläufersubstanzen und/oder Agglomeration von kleineren Partikeln). Gesundheitliche Wirkung: PM 10-2,5 geht immer tiefer führt zu Entzündungsvorgängen im Lungengewebe, Herz oder Kreislauf (Diesel-Ruß —> unvollst. Verbrennung —> elementarer Kohlenstoff)

• Entwicklung: Prozentuale Entwicklung geht immer weiter runter, großteil wird von Energie und Verkehrz bzw. Transport emittiert.

• Schadstoffe: Stickoxide, Schwefeldioxid

• Auswirkungen (Versauerung der Böden)

  • Pufferverlust: Nährstoffauswaschung und verringerte Pufferkapazität im Boden durch Stickstoff- und Schwefelverbindungen.

  • Schlechtes Pflanzenwachstum: Veränderte Boden-Ionenzusammensetzung und Wachstumshemmnisse für Pflanzen.

  • Langfristige Ökosystemschäden: Schwierige Umkehr von Bodenversauerung und toxischer Metallmobilisierung.

• Verantwortlich: Verkehr, Energiewirtschaft

• Stadt niedrig, da Stickoxid des Verkerhrs Ozon abbaut.

• Verkehrsfernen Parks oder Stadtrand Ozonkonzentration höher, da die Verfrachtung von Schadstoffen relativ hoch ist und NO-bedingte Ozonabbau verringert ist.

• Auf dem Land: Hohe Ozonbelastung auf dem Land an Sommertagen, da beim Transport der schadstoffbelasteten Luftmassen, die Reaktionspartner Zeit hatten über UV-Strahlung Ozon aufzubauen

• Reizung der Schleimhäute, Augen und Lungengewebe aufgrund hoher Reaktivität und geringer Waserlöslichkeit.

• Wirtschaftlich führt es zu Ernteeinbußen in der Landwirtschaft.

• Überangebot an Pflanzennährstoffen (Stickstoff & Phosphor) im Wasser oder im Boden —> fördert pflanzliches Wachstum und damit Verschlechterung des ökologischen Zustands, da das Gleichgewicht der Zusammensetzung der Pflanzenarten nicht gleichmäßig ist

• Elementarer Stickstoff kann kaum von Lebenswesen genutzt werden.

• Reaktiver Stickstoff geht aber Verbindungen ein und ist für Lebensprozesse wichtig (z.B. Nahrungsmittelproduktion).

• Zu großen Menge Stickstoff sind schädlich, da folgende Formen entstehen:

  • Ammoniak (NH3),

    • Quelle: Nutztiere

    • Auswirkung: Versauerung, Eutrophierung, sek. Feinstaub

  • Stickstoffmonoxid (NO),

  • Stickstoffdioxid (NO2),

  • Lachgas (N2O)

    • Quelle: Landwirtscahft, Bodenverdichtung, Industrie

    • Auswirkung: hochwirks. Treibhausgas

  • Stickoxide (NOX)

    • Quelle: Verkehr, Energie,

    • Auswirkung: Vorläufer von bodenn. Ozon & sek. Feinstaub, kurzfr.: Atemwege durch NO2, langfr.: Erhöhung d. mortalität

• Anorganische Spurenstoffe: Schwermetalle (Hg, Cd, Pb, Zn, Cr, As, …), Leichtmetalle (Al, Be, F), Mineralfasern (Asbest)

• Organische Spurenstoffe: Polychlorierte Dibenzodioxine und –furane, Polychlorierte Biphenyle, Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Hexachlorbenzol, Pestizide

• 90% der atmosphärischen Ozons liegt in der Stratosphäre.

• Durch Radikale (FCKW - Fluorchlorkohlenw. = FKW, SF6, NF3), die in die Gleichgewichtsreaktion (Ozon-Sauerstoff-Zyklus) eingrift, werden alternative Reaktionspfade zugänglich gemacht, welchen den Ozonabbau begünstigten —> Durch den Abbau kann UV-Strahlung nicht mehr im vollen Umfang absorbiert werden.

• SSPI 1-2,6

• SSPI 1 -1,9

• SSPI 5-8,5

• SSPI 2-4,5

• SSPI 3-7,0

Kipppunkte im Klimasystem sind kritische Schwellen, bei deren Überschreiten eine unkontrollierbare Eigendynamik einsetzt, die qualitative Änderungen im Klimasystem verursacht. Dies erhöht das Risiko bei Erwärmung über 2-3°C.

• Einfach: Kipppunkte sind Schwellen im Klimasystem, nach deren Überschreiten große und oft unkontrollierbare Veränderungen passieren können.

• Beispiel: Methanfreisetzung durch Auftauen des sibirschen Perfmafrostboden, heftigere El nino Ereignisse

• 
  

• Braunkohle

• Steinkohle

• Heizöl schwer

• Heizöl leicht

• Erdgas

• Kohlenstoff: CO2

• Wasserstoff: H2O

• Schwefel: SO2

Bei der Verbrennung von Brennstoffen entsteht aus dem gebundenen Schwefel hauptsächlich SO₂, ein farbloses, stechend riechendes Gas. In bestimmten Bedingungen kann es zu SO₃ oder H₂S umgewandelt werden.

Stickoxide entstehen als thermisches NOx, Brennstoff-NOx und promptes NOx, wobei sie zu etwa 95% aus NO und 5% aus NO₂ bestehen.

• Thermisches NOx entsteht bei hohen Temperaturen (ab etwa 1250 °C) durch Reaktion von Luftstickstoff (N₂) mit Sauerstoff (O₂) aus der Verbrennungsluft.

• Promptes NO entsteht bei sauerstoffarmer Verbrennung durch Reaktion von Brennstoffradikalen mit N₂, ist aber weniger bedeutend.

• Brennstoff-NO entsteht aus organischen Stickstoffverbindungen in Brennstoffen wie Heizöl und Kohle, auch bei niedrigeren Temperaturen.

• Bei unvollständiger Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen vielfältige Stoffe wie Alkohole, Aldehyde und organische Säuren.

• Kohlenmonoxid (CO) entsteht bei Sauerstoffmangel und unzureichender Vermischung, es ist farblos, geruchlos und kann zu Vergiftungen führen.

CAFE ist eine Strategie der Europäischen Kommission zur Bekämpfung der Luftverschmutzung, Teil des sechsten Umweltaktionsprogramms. Sie zielt darauf ab, die durch Feinstaub und Ozon verursachten vorzeitigen Todesfälle und hohen volkswirtschaftlichen Kosten zu reduzieren.

Luftreinhaltung in Deutschland basiert auf Luftqualitätsstandards, emissionsbegrenzenden Anforderungen nach dem Stand der Technik, und Festlegung von Emissionshöchstmengen für relevante Schadstoffe.

Wichtige Instrumente der Luftreinhaltung in Deutschland sind die

• Qualität von Brennstoffen,

• Emissionsgrenzwerte nach dem Stand der Technik,

• Typprüfungen und Genehmigungsverfahren,

• kontinuierliche Überwachung der Luftqualität,

• sowie Immissionsgrenzwerte und Luftreinhaltepläne.

• Der nationale Emissionshandel (nEHS) umfasst Verkehr und Wärme, zielt auf Inverkehrbringer von Brennstoffen und startete 2021.

• Der europäische Emissionshandel (EU-ETS) umfasst Industrie und Energieanlagen, zielt auf Anlagenbetreiber mit direkten Emissionen und existiert seit 2005.

• Brechnung:

  • Standardmethoden (Verbrennungsemissionen, Prozessemissionen)

  • Massenbilanz (CO2-Emission)

• Messung

• Mechanische Entstaubung -z. B. durch Fliehkraft

• Nassentstaubung -z. B. durch einem Venturiwäscher

• Filtrationsentstaubung -z. B. durch Schlauchfilter

• Elektroentstaubung -z. B. durch einen Platten-Elektroabscheider

Die Staubabscheidung erfolgt durch

• mechanische Entstaubung (Schwerkraft, Trägheitskraft, Fliehkraft),

• Nassentstaubung (Staub an Wassertröpfchen gebunden),

• Filtrationsentstaubung (Rohgasstrom durch Filter)

• Elektroentstaubung (elektrisch geladene Staubteilchen im elektrischen Feld).

–Massenkraft-abscheider

–FilterndeAbscheider

–ElektrischeAbscheider

–NassarbeitendeAbscheider

• Schwerkraftabscheider (Prallfläche, vertikalem Rohgaseintritt, versetzten Lamellen) —> niedriger Energiebedarf

• Trägheitsabscheider

• Fliehkraftabscheider (Zyklone: hoher Druckverlust, hohe Temperaturen möglich mit speziellen Stählen)

• Temperaturbereich: Bis 250°C je nach Filtermaterial

Elektroabscheider werden zur weitergehenden Entstaubung eingesetzt,

• erreichen Staubkonzentrationen von 10-50 mg/m³

• arbeiten optimal bei Staubwiderständen zwischen 10⁶ und 10¹¹ Ωcm,

• haben einen Druckverlust von 150-300 Pa,

• sind bis zu 300°C einsetzbar

• benötigen 0,1-0,6 kWh/1.000 m³ bei Pulstechnologie.

• Zyklon (Gasmengenunterlast, Staubbeläge)

• Filternde Abscheider (zu hohe Temperaturen, Funkenflug)

• Elektrische Abascheider (Drahtbruch, Schwankungen im elektrischen Staubwiderstand)

• Nassabscheider/wäscher (Korrosion, Verschleiß, Waschwasserverteilung ungenügend)

Primärmaßnahmen zur NO-Reduktion umfassen

• Absenken der Verbrennungstemperatur,

• geringen Luftüberschuss,

• niedrige Verbrennungslufttemperatur,

• Rauchgasrezirkulation,

• NOx-arme Brenner mit gestufter Luftzufuhr

• und kombinierte Brennstoff- und Luftstufung.

Abhängig von:

• Brennstoff und Feuerungsart: Rauchgasrezirkulation, NOx-arme Brenner mit gestufter Luftzufuhr im Brenner, Luftstufung im Feuerraum

• Bei SCR können Taupunktunterschreitungen zu Ammoniumchlorid und -sulfat führen.

• Bypässe verhindern Katalysatorbrand bei hohen CO-Konzentrationen.

• SO₃-Bildung fördert Ammoniumhydrogensulfat, was Verklebungen und Korrosion verursacht.

• Hohe NOₓ-Reduktion ist energetisch und wirtschaftlich aufwendig.

• High Dust: höhere Temperaturen möglich, da Staubabscheidung hitner DeNOX

Reduktionsmittel:

• Harnstoff: 900-1.050°C

• Ammoniak: 800 – 950°C

Wirkungsgrade:

Abgasrückführung-10 %

Luftstufung, 2-fach-60 %

Luftstufung, 3-fach-70 %

SNCR-Verfahren-80 %

SCR-Verfahren-90 %

Absorption ist das Lösen von Gasen oder Dämpfen in einem Lösungsmittel zur Reinigung oder Weiterverwendung.

• Bei physikalischer Absorption lösen sich Gase reversibel im Lösungsmittel und können wiedergewonnen werden.

• Bei chemischer Absorption reagieren Gase irreversibel mit der Waschflüssigkeit und bilden schwerflüchtige Verbindungen, die meist nicht regenerierbar sind.

1. Erfassung (Capture): CO₂ aus fossilen oder biomassebefeuerten Kraftwerken, Industrieanlagen oder der Luft erfassen.

2. Transport: Komprimiertes CO₂ per Schiff oder Pipeline zum Nutzungs- oder Speicherort transportieren.

3. Nutzung (Use): Erfasstes CO₂ zur Herstellung von Produkten oder Dienstleistungen verwenden.

4. Speicherung (Storage): CO₂ dauerhaft in unterirdischen geologischen Formationen speichern (onshore oder offshore).

1. Post Combustion:

   • Prinzip: Verbrennung mit normaler Luft, CO₂ wird aus dem Abgas ausgewaschen (Rauchgaswäsche)

   • Kann in bestehende Kraftwerke integriert werden, wenn Platz vorhanden

2. Oxyfuel-Verfahren:

   • Prinzip: Verbrennung mit reinem Sauerstoff, Rauchgas hat hohe CO₂-Konzentration, wird gereinigt und verdichtet

   • Wasserdampf wird durch Kondensation abgeschieden

3. Pre Combustion (IGCC):

   • Prinzip: Synthesegas wird vor der Verbrennung erzeugt und CO₂ abgetrennt

   • Sehr komplex, IGCC-Anlage ähnelt eher einer chemischen Anlage

   • Synthesegas kann zu anderen (Treib-)Stoffen weiterverarbeitet werden

Unterschied: Bei Pre-Combustuon und Oxyfuel ist die CO2 Abtrennung nachd er Verbrennung (Dampfkraftwerke) statt vor der Verbrennung (Kombikraftwerke) wie bei Pre-Combustion.

Kurze Antwort:

• Adsorption:

  • Prinzip: Anlagerung von Molekülen (Gase oder Flüssigkeiten) an die Oberfläche eines Feststoffes.

  • Beispiel: Aktivkohlefilter, der Schadstoffe aus der Luft aufnimmt.

• Desorption:

  • Prinzip: Freisetzung von adsorbierten Molekülen von der Oberfläche eines Feststoffes.

  • Beispiel: Erhitzen eines Aktivkohlefilters, um die aufgenommenen Schadstoffe wieder freizusetzen.

1. Adsorption:

   • Prinzip: Anlagerung von Molekülen (Gase oder Flüssigkeiten) an die Oberfläche eines Feststoffes.

   • Beispiel: Aktivkohlefilter, der Schadstoffe aus der Luft aufnimmt.

2. Absorption:

   • Prinzip: Aufnahme von Molekülen (Gase oder Flüssigkeiten) in das Innere eines Feststof fes oder einer Flüssigkeit.

   • Beispiel: Wasser, das CO₂ aufnimmt und als Kohlensäure bindet.

noch hier bild einsetzten F.31 7-9

Unterschied: Es wird noch ein Kühler dazwischen geschaltet.

• Biofilter

• Biowäscher mit externer Regeneration

• Tropfkörper

• Membranverfahren

Bauarten: Flchenfilter, Mieten Fitler

EInsatzbereuche: Altölaufbereitung, Bierhefetrockung

1. Thermische Nachverbrennung (TNV):

   • Prinzip: Bei 650-750°C werden brennbare Stoffe in der Abluft oxidiert, Reingaswerte unter 20 mg C/m³ erreichbar. Der Verbrauch an Zusatzbrennstoff hängt von der Stoffkonzentration im Abgas ab.

2. Regenerative Thermische Nachverbrennung (RNV):

   • Prinzip: Heiße, oxidierte Abluft strömt durch Keramikkörper zur Wärmerückgewinnung, dann durchströmt die kalte Abluft einen vorher aufgeheizten Behälter, um sich selbst aufzuheizen. Enthält meist mindestens drei Behälter.

3. Katalytische Nachverbrennung (KNV):

   • Prinzip: Abluft strömt durch einen Katalysator mit aktivem Edelmetall, das die Oxidation bei niedrigen Temperaturen beschleunigt. Vorteile: hohe Aktivität, chemische Beständigkeit, geringer Druckverlust, kostengünstige Wiederaufbereitung.

• Diesel: 75,2 % Stickstoff (N2), 15% Sauerstoff (02), 7,1 & Kohlendioxid

• Otto: 68,2 % Stickstoff (N2), 0,8% Sauerstoff (02), 21% Kohlendioxid

·       Im 3-Wege-Katalysator laufen Oxidations- und Reduktionsvorgänge ab.

·       Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) werden durch Sauerstoff oxidiert.

·       Stickoxide (NOx) werden durch Kohlenmonoxid (CO) reduziert.

·       Schadstoffe (CO, HC, NOx) und Reaktionspartner (O2, CO) müssen im richtigen Verhältnis vorhanden sein.

·       Ein ausgewogenes Kraftstoff-Luft-Verhältnis (Lambda = 1) ist wichtig.

·       Das Verhältnis wird durch eine Lambda-Sonde und ein elektronisches Steuergerät geregelt.

·      Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden nach Erreichen der Betriebstemperatur (>300°C) zu über 90% in Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff  umgewandelt.

Luftzahl über 1: bei mageren Gemischen (oxidationskatalysator)

Luftzahl unter 1 bei fette Gemischen (reduktionskatalysator)

1. Mageres Gemisch (λ > 1) mit viel Sauerstoff.

2. NOx-Reduktion durch Oxidationskatalysator und Abgasrückführung (AGR).

3. AGR senkt Verbrennungstemperatur, mischt Abgas bei, reduziert NOx.

4. Erhöhtes CO und HC werden katalytisch reduziert.

5. Präzise Rückführrate, AGR nur im Teillastbereich.

Bei der SCR wird eine wässrige Harnstofflösung (AdBlue) in den Abgasstrom eingespritzt. Durch Hydrolyse entstehen Wasser und Ammoniak, das die Stickoxide im Abgas zu Stickstoff reduziert.