Einfluss auf die Luftqualität 14.12.2021, 09:00 Uhr

Neue Methode zur Quantifizierung der Feinstaubemissionen aus Feuerwerk zu Silvester

Bis 2020 ermittelte und berichtete das Umweltbundesamt (UBA) die Emissionen aus dem Abbrand von Feuerwerk nach der im EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook beschriebenen Methode, die auf Expertenschätzungen beruht. Durch ein vom Verband der pyrotechnischen Industrie (VPI) beauftragtes unabhängiges Prüfinstitut wurden die Feinstaubemissionen aus Feuerwerk nun experimentell bestimmt.

Neben Lichterglanz beim Feuerwerk entsteht durch Rauchentwicklung eine starke Feinstaubbelastung. Foto: PantherMedia / Thomas Brenner

Neben Lichterglanz beim Feuerwerk entsteht durch Rauchentwicklung eine starke Feinstaubbelastung.

Foto: PantherMedia / Thomas Brenner

Zusammen mit der gleichzeitig präzisierten Ermittlung der Absatzmengen (für die Aktivitätsraten) ergibt sich eine novellierte Methodik zur Berechnung von Feinstaubemissionen von Feuerwerk. Es zeigte sich, dass die EMEP/EEA-Methode die Emissionen stark überschätzt.

Die neue Methodik verwendet zur Emissionsberechnung:

  • experimentell bestimmte Feinstaubemissionen und Emissionsfaktoren von Feuerwerkskörpern[1]
  • ermittelte emissionsrelevante Anteile an Nettoexplosivstoffmassen (NEM) in Feuerwerkskörpern
  • die jährliche Tonnage verwendeter Feuerwerkskörper

Aus den beiden letzten Faktoren erfolgt die Berechnung der Aktivitätsrate. Multipliziert mit den erstmalig experimentell bestimmten Emissionsfaktoren lassen sich die Gesamtemissionen berechnen.

Messung der Emissionsfaktoren

Als Grundlage für die Bestimmung der Emissionsfaktoren wurde eine repräsentative Auswahl an Feuerwerkskörpern (Knallkörper, Raketen, Batterien, Leuchtfeuerwerk) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Silvesterfeuerwerk 253 g PM10 pro kg NEM und 200 g PM2,5 pro kg NEM emittiert. Zudem wurde nachgewiesen, dass es zur Emissionsermittlung wichtig ist, komplette Feuerwerkskörper abzubrennen. Untersuchungen von losen pyrotechnischen Sätzen führen zu niedrigeren Messwerten.

Ermittlung des Nettoex­plosivstoffmasseanteils der Feuerwerkskörper

Die präziseste Ermittlung der Aktivitätsrate (AR) erfolgt auf Basis der NEM. So ergibt sich eine bereinigte AR, die inerte Komponenten ohne Emissionsrelevanz (z. B. Hülsen, Leitstäbe, Verpackungen) nicht enthält. Aus lager- und transportrechtlichen Gründen ist die NEM eines Feuerwerkskörpers bekannt. Durch Aufsummierung innerhalb der Feuerwerkskörpergruppen lassen sich durchschnittliche NEM-Anteile der Erzeugnisse ermitteln. So besitzt ein über alle Typen an Silvesterfeuerwerk gemittelter und gemäß den Marktanteilen zu Silvester 2019 gewichteter Anteil der NEM an der Bruttomasse 16,8 %.

Rechnet man die gemessenen Emissionsfaktoren für Silvesterfeuerwerk mittels des NEM-Anteils auf die aus dem EMEP/EEA Guidebook bekannte Bezugsgröße Bruttogewicht um, so ergeben sich gegenüber bisheriger Berichterstattung deutlich geringere Emissionsfaktoren:

42,5 g PM10 / kg Feuerwerkskörper (brutto) und 33,6 g PM2,5 / kg Feuerwerkskörper (brutto)

Bestimmung der Aktivitätsrate

Bei der Berechnung der Aktivitätsrate in einem Jahr muss eine differenziertere Betrachtung als bisher durchgeführt werden. Insbesondere sind Eigenheiten des Marktes zu berücksichtigen. So ist der Feuerwerksmarkt ein Kommissionsgeschäft, ein Teil der Artikel wird in Deutschland hergestellt und ein Teil der Importmenge wird umgearbeitet. So ergibt sich die Gesamtmenge für das Stichjahr 2019 (39 234 t) als Summe aus Import (40 566 t,), Produktion (7159 t,) und Retouren des Vorjahres (13 069 t), abzüglich des Exports (3 965 t), Retouren des Betrachtungsjahres (13 162 t) und nicht ausgelieferter Ware (4 433 t). Diese Gesamtmenge lässt sich in die Mengen Silvesterfeuerwerk (30 711 t) und unterjähriges Feuerwerk (8 524 t) aufteilen.

Gewichtete Emissionsfaktoren

Sind AR und Marktverteilung zu Silvester bekannt, lässt sich der Emissionsfaktor (EF) von Feuerwerk entsprechend den Kundenvorlieben zu einzelnen Feuerwerkstypen gewichten. So konnten spezifische EF für jede repräsentative Feuerwerksgruppe bestimmt werden. Entsprechend lassen sich für jede Gruppe individuell deren Emissionen zu Silvester berechnen. So wird eine genauere Emissionsberechnung ermöglicht. Summiert man die Emissionen aller Gruppen im Beispieljahr 2019 ergeben sich Gesamtemissionen durch Silvesterfeuerwerk in Höhe von 1 477 t PM10 und 1 229 t PM2,5. Final lassen sich gewichtete Emissionsfaktoren bestimmen. Im Jahr 2019 lagen diese höher als die gemittelten Emissionsfaktoren in Höhe von 253 g PM10 / kg NEM und 200 g PM2,5 / kg NEM und betrugen:

286,2 g PM10 / kg NEM und 238,2 g PM2,5 / kg NEM

Diese gewichteten Faktoren lassen sich nicht auf andere Jahre oder Länder übertragen, sondern sind abhängig von jährlichen und regionalen Marktanteilen.

Emissionsberechnung

Der Abbrand aller Feuerwerkskörper (unterjährig plus Silvester) führt nach Anwendung der neuen Methodik zwischen den Jahren 2009 und 2019 jährlich zu durchschnittlich 2 050 t PM10 und 1 650 t PM2,5. Damit reduziert sich die vom UBA bisher ermittelte Emissionsmenge um rund 50 %. 70 bis 75 % der Feinstaubemissionen entstehen dabei zu Silvester, 25 bis 30 % durch besondere Anlässe während des Jahres, wie beispielsweise Großveranstaltungen oder Konzerte.

Luftqualität zu Silvester und Einordnung ins gesamte Emissionsgeschehen

Es finden sich zu Silvester die lokal höchsten Feinstaubkonzentrationen (Stundenmittelwerte) eines Jahres. Die jeweils vorherrschenden Wetterbedingungen beeinflussen die Verteilung und den Abbau von Schadstoffen in der Atmosphäre signifikant. So werden je nach Wetterlage nicht nur einzelne stark erhöhte Stundenwerte gemessen, sondern auch PM10-Tagesgrenzwerte überschritten, tendenziell in ländlichen Räumen deutlich seltener. Erhöhte Feinstaub-Werte außerhalb der Neujahrsnacht treten in der kalten Jahreszeit aufgrund einer Kombination aus erhöhten Emissionen (u. a. Heizepisoden) und winterlichem Hochdruckwetter (geringe Windgeschwindigkeit und eingeschränkter Luftaustausch) generell häufiger auf (Bild).

PM10-Tagesmittelwerte an den Neujahrstagen 2017 – 2020 (von links nach rechts); Überschreitun-gen des PM10-Tagesgrenzwertes in Rot, erstellt aus Stationsmesswerten und geostatistischem In-terpolationsverfahren. Quelle: Autoren

PM10-Tagesmittelwerte an den Neujahrstagen 2017 – 2020 (von links nach rechts); Überschreitun-gen des PM10-Tagesgrenzwertes in Rot, erstellt aus Stationsmesswerten und geostatistischem In-terpolationsverfahren.

Foto: Autoren

Die ausführliche Darstellung der Methodik zur Emissionsermittlung findet sich in Heft 01/02-2022. Zudem komplettieren eine umfassende Informationssammlung zu Feuerwerk und ein Ausblick zu aktueller Forschung und Entwicklung zu umweltfreundlicherem Feuerwerk den kommenden Beitrag. Dabei werden technische Grundlagen und gesetzliche Rahmenbedingungen auf Basis deutscher und europäischer Rechtstexte erläutert. Dies umfasst eine ausführliche Analyse zu Stoffen und Gemischen, die integral in den Erzeugnissen der pyrotechnischen Industrie verwendet werden, sowie verbotenen Stoffen in Feuerwerkskörpern. Künftige Entwicklungen sind durch Nachhaltigkeitsbestrebungen geprägt, um etwa die Kunststoffemissionen durch Feuerwerkskörper, Belastung durch Schwermetalle bzw. gesundheitsschädliche Stoffe, Reduktion der Lautstärke von Feuerwerkskörpern und Reduktion von Abfällen auf ein technisch umsetzbares Maß zu minimieren. Das Thema Treibhausgasemissionen wird dabei nur gestreift, da der Abbrand von Feuerwerkskörpern zwar grundsätzlich zu Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2) führt, diese aber vernachlässigbar sind.

Den vollständigen Text finden Sie in der aktuellen Ausgaben 01/02-2022.

 

Literatur

  1. Keller, Schragen, Prop., Explos., Pyrotech. 2021, 46, 825, doi.org/10.1002/prep.202000292

Ute Dauert
Leiterin des Fachgebietes II 4.2 Beurteilung der Luftqualität“ Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau.
Susan Kessinger
David Kuntze
Wiss. Mitarbeit. Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau.
Dr. Fritz Keller
Christian Schragen
Verband der Pyrotechnischen Industrie (VPI), Ratingen.

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