Luftreinhaltung 01.06.2019, 00:00 Uhr

Feinstaub- und Stickoxidfilter für Straßen

Stickoxide (NOx) und Feinstäube lassen sich an Hot Spots aus der Luft entfernen. Mit einer neuen Filteranlage ließen sich auch am Stuttgarter Neckartor die Luftqualitätsgrenzwerte einhalten - ohne Diesel-Pkw verbannen zu müssen.

Die Verkehrswende zumindest angekündigt - gesehen am Theodor-Heuss-Ring in Kiel. Bild: Christoph Kronhagel

Die Verkehrswende zumindest angekündigt - gesehen am Theodor-Heuss-Ring in Kiel. Bild: Christoph Kronhagel

Schon lange gilt es, den CO2-Ausstoß von Autos zu senken. Die Dieseltechnik bietet hier Vorteile, da man hierfür die Verbrennung verbesserte. Durch die höheren Verbrennungstemperaturen stieg jedoch der Anteil an Stickstoffdioxid (NO2) im Abgas. Parallel entdeckte die Politik den gesundheitlichen Schaden, den dieses Gas verursachen kann, und legte Obergrenzen fest: etwa den Jahresgrenzwert von 40 mg NOx/m³ – im Vertrauen darauf, dass Ingenieure der Autoindustrie auch dafür eine Lösung finden.

Dies war nicht leicht und wurde erst mit der neuesten Dieselgeneration Euro 6d erfüllt. Die Folgen sind bekannt: Es gibt derzeit für ältere Diesel-Pkw Fahrverbote in Hamburg und Stuttgart. Weitere Städte werden wohl nachziehen, wenn deren Luftreinhaltepläne nicht überzeugen. Die nächsten Gerichtsurteile liegen an – etwa Anfang September für Köln, Bonn und Aachen.

Vor allem zwei Wege werden nun diskutiert, die NOx-Gehalte in Städten zu senken: ein Hardware-Nachrüstung bestehender Dieselfahrzeuge sowie das Aussperren der Dieselfahrzeuge. Der erste Weg gestaltet sich etwa schwierig, weil mit einem Eingriff ins Motormanagement auch die Garantie für den Motor erlischt. Die zweite Lösung provoziert Missstand im sozialen Bereich, weil etwa berufstätige Eltern ihre Kinder nicht mehr zum Kindergarten fahren können.

Der schematische Aufbau einer smartAir-Filteranlage. Bild: Christoph Kronhagel

Der schematische Aufbau einer smartAir-Filteranlage. Bild: Christoph Kronhagel

 

Fehlen nachhaltige Lösungen, kann pragmatisch reagiert werden, indem die Emissionen aus der betroffenen Zone abgezogen werden, bis der Flottenwandel den NO2-Eintrag ausreichend gesenkt hat oder die sicher notwendige Verkehrswende greift, die grundsätzlich den Verkehr reduziert. Das dauert aber. Außerdem wird die Betrachtung von Feinstaubgefahren zukünftig stärker in den Fokus rücken und dies macht auch vor Elektroautos nicht halt.

Eine solche pragmatische Zwischenlösung hat die baden-württembergische Firma air2public aus Ortenberg entwickelt: so genannte smartAIR-Filter. Diese basieren auf einem Konzept der Firma Ecovac aus Mögglingen b. Gmünd. Sie können NO2 mit Feinstaub aus dem Straßenraum abziehen und filtern. Sie nutzen eine Aktivkohle der Firma Jacobi Carbon mit deutschem Sitz in Frankfurt/Main. Diese Aktivkohle wird vollständig ökologisch aus Kokusnussschalen hergestellt. Mit diesen Filtern werden 80 Prozent Feinstaub und NO2 aus der umgewälzten Luft entzogen.

Gefiltert nah dem Auspuff

Das Absaugen und Filtern der Emissionen ist anspruchsvoll, da sich Emissionen aus den Fahrzeugen schnell mit der Umgebungsluft vermischen. Je weiter dies vorangeschritten ist, desto mehr Luftvolumen müsste eine solche Anlage umwälzen, um den NO2-Gehalt senken zu können. Besser ist, die Emission am Ort des Eintritts in die Atmosphäre zu erfassen – also auf Höhe der Auspuffe nah der Straßendecke.

Ein typischer Baustein einer Schlitzrinne der smartAir-Filteranlage. Bild: Betonwerk Neu-Ulm

Ein typischer Baustein einer Schlitzrinne der smartAir-Filteranlage. Bild: Betonwerk Neu-Ulm

 

Um die Luft effektiv absaugen zu können, wird ein „Flächenkanal“ in der Straße eingerichtet. Dazu wird eine Straßenzone auf 100 m Länge 80 cm tief abgefräst. Dort werden dann in mehreren Linien Schlitzrinnen gesetzt, wie sie üblicherweise zur Entwässerung von Autobahnen eingesetzt werden. Zwischen diesen Schlitzrinnen werden Stahlbetonfertigteile als neue Fahrbahnen eingesetzt, unter denen sich nun ein Hohlraum bildet. Die Schlitzrinnen bilden eine flächige Matrix in der Zone der höchsten NO2-Konzentration. Sie führen die Straßenluft in die Hohlräume und zu einem Luftkanal, durch den stündlich 150.000 m³ Luft strömen können. Damit entsteht ein „Flächenkanal“, der über eine Matrix kleiner Öffnungen die Luft absaugt und zur Filteranlage leitet. Der Filter selber ist ein einem Baukörper eingesetzt, der die Straße oberirdisch überspannt.

Parallel wird auch das Wasser durch die Rinnen entsorgt, was den Filterprozess nicht stört, weil bei Regen keine hohen Emissionen entstehen und smartAIR nicht aktiv ist.

Solche Flächenkanäle mit Filteranlage lassen sich sinnvollerweise an Hot Spots – also jenen Orten mit sehr hoher Emissionsbelastung – einsetzen. Genau dies schlägt air2public etwa für das Neckartor vor. Eine Computersimulation durch das Ingenieurbüro Lohmeyer in Karlsruhe hat erfasst, wo sich dort die höchste NO2-Konzentration bildet. Grundsätzlich gilt, dass sich diese Konzentration am stärksten bei relativer Windstille bildet und genau diese Wetterlage löst auch die Grenzwertüberschreitungen aus. Lohmeyer hat in der Simulation auch die Luftvermischung durch den Verkehr selber berücksichtigt. Genau in dem Bereich der höchsten NO2-Konzentration wird der Flächenkanal eingerichtet. Entscheidend ist, dass sich diese Höchstkonzentration in der Höhe bis 1,5 m über der Straße bildet und sich damit von der Absaugung durch die Schlitze im Boden gut erfassen lässt.

Leider geben die Dieselmotoren neben NO2 auch Stickstoffmonoxid (NO) ab – zwar im Verhältnis NO2 zu NO = 9 zu 1. Das NO nimmt Sauerstoff auf und wandelt sich langsam in NO2 um. Es reicht also nicht, auf den primären NO2-Eintrag der Autos zu fokussieren. air2public integriert daher bewusst Ozongeneratoren in den „Flächenkanal“, in denen ultraviolettes Licht Ozon (O3) produziert und NO direkt in NO2 umwandelt.

Überschüssiges Ozon wird in der oberirdischen Filteranlage in dem Staubfilter durch eingedüstes Aktivkohlesorbens neutralisiert. Dieses Sorbens nimmt NO2 sowie Ozon auf und wird zusammen mit dem gesammelten Feinstaub automatisch abgereinigt – und dies nicht mit Pressluft wie üblich, sondern mit einem neuen Verfahren der Innofil GmbH aus Schwetzingen aus. Diese hat ein Niederdruck-Rückspülsystem entwickelt, das energieeffizient und platzpaarend arbeitet.

Beispiel Neckartor: Der Verkehr in der Spitzenbelastung emittiert dort etwa 4.000 µg/m³ an Stickoxiden (NOx). Simulationen des Büros Lohmeyer zeigen, dass smartAIR diese Oxide auf Straßenhöhe zu etwa 68 Prozent senkt und dabei nicht nur das primäre entstehende NO2, dessen Konzentration bei 400 µg/m³ liegt. Und nach diesen Berechnungen würde smartAIR bei der Hauptwindrichtung die NO2-Konzentration an der Messstation am Neckartor um mindestens 18 Prozent bei der Hauptwindrichtung senken. Dies entspricht in etwa der Erwartung des Verkehrsministeriums, welche Reduktion ein Fahrverbot für Euro 5-Pkw einbringen kann.

Diese Analyse von Lohmeyer basiert noch auf einem Konzept, bei dem die Luft aus einem smartAir-Kanal in der Mitte der Straße abgesaugt wird. Die neue Konzeption mit einer flächigen Absaugung über drei Fahrbahnen wird aktuell in einer neuen Simulation erfasst. Es wird eine erhebliche Steigerung des Ergebnis‘ erwartet.

Natürlich bedeutet der Einbau dieser Filter einen größeren Eingriff in den Straßenraum, als Filterstationen am Straßenrand aufzustellen. Daher muss die Leistung der Filter sehr konkret belegt werden, um die Behörden zu einer solchen Maßnahme zu motivieren.

Das Verkehrsministerium Stuttgart unterstützt die Entwicklung von smart Air mit rund 70.000 Euro. Damit testet das Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) an der Universität Stuttgart einen smartAIR-Prototyp die Filtertechnik in einem Tunnel in Stuttgarter Stadtteil Fellbach unter realen Bedingungen. Der Bericht dazu wird Anfang Juni vorliegen. Dieser Bericht kann auch für die Behörden in Kiel, Köln, Düsseldorf, Essen, Hamburg, München und Reutlingen von Bedeutung sein, weil diese Kommunen von Fahrverboten an den entsprechenden Hotspots bedroht werden.

Das Unternehmen hält smartAIR für eine Brückentechnologie, um die eklatante Situation in vielen deutschen und internationalen Städten zu entspannen. Der Filter kann damit der Verkehrswende Zeit verschaffen. Wir reden hierbei von Verhaltensmustern in unserer Gesellschaft, die sich Regel weniger über Verbote beeinflussen lassen, als durch das Angebot von attraktiven Alternativen.

Von Christoph Kronhagel

Christoph Kronhagel, air2public, geschäftsführender Gesellschafter, kronhagel@air2public.com

Top Stellenangebote

VDI Verlag GmbH-Firmenlogo
VDI Verlag GmbH Abteilungsleiter Herstellung (m/w/d) Düsseldorf
Technische Universität Kaiserslautern-Firmenlogo
Technische Universität Kaiserslautern Professur (W3) für "Nachrichtentechnik - Bildsignalverarbeitung" Kaiserslautern
Hochschule München University of Applied Sciences-Firmenlogo
Hochschule München University of Applied Sciences W2-Professur für Produktentwicklung und Flugzeugkonstruktion (m/w/d) München
Hochschule München University of Applied Sciences-Firmenlogo
Hochschule München University of Applied Sciences W2-Professur für Sachverständigenwesen und Fahrzeugaufbau (m/w/d) München
Hochschule Bremerhaven-Firmenlogo
Hochschule Bremerhaven Professur (W 2) (w/m/d) für das Fachgebiet Medizintechnik Bremen, Bremerhaven
Stadt Mönchengladbach-Firmenlogo
Stadt Mönchengladbach Projektleitung (m/w/d) Gebäudetechnik Mönchengladbach
Technische Hochschule Ulm-Firmenlogo
Technische Hochschule Ulm Professur (W2) "Werkstoffkunde, Fügetechnik" Ulm
Universität Stuttgart-Firmenlogo
Universität Stuttgart W3-Professur "Systemverfahrenstechnik" Stuttgart
Hochschule Kaiserslautern-Firmenlogo
Hochschule Kaiserslautern Professur (W2) Apparatebau - Fertigungsverfahren in der Prozesstechnik Kaiserslautern
Hochschule Kaiserslautern-Firmenlogo
Hochschule Kaiserslautern Professur (W2) Embedded Systems und Digitaltechnik Kaiserslautern
Zur Jobbörse