Plattform für Luftqualität in Städten

Beschreibung

Seit zehn Jahren sind städtische Luftqualitätsplattformen (Urban Air Quality Platforms, UAQPs) ein wichtiges Instrument zur Sammlung, Verarbeitung und Visualisierung hyperlokaler Daten über städtische Emissionen. Außerdem sind UAQPs in der Regel frei zugänglich und sorgen für Transparenz und ein Bewusstsein für die Luftverschmutzung. Die Daten können entweder durch über die Stadt verteilte Sensoren oder durch Satellitenbilder bereitgestellt werden. Die Sensoren, die die Daten sammeln, können entweder von einem Betreiber (z.B. der Stadtverwaltung) oder auf Privatgrundstücken installiert werden.

Zu lösende Probleme:

Kostenstruktur

Rechtliche Anforderungen

Die Politik der Europäischen Union zur Luftqualität zielt darauf ab, geeignete Instrumente zur Verbesserung der Luftqualität zu entwickeln und umzusetzen. Daher müssen die europäischen Staaten ihr Hoheitsgebiet in mehrere Gebiete und Ballungsräume unterteilen. In diesen Gebieten und Ballungsräumen müssen die Mitgliedstaaten die Luftverschmutzung durch Messungen, Modellierung und andere empirische Verfahren bewerten und der Europäischen Kommission entsprechende Daten zur Luftqualität übermitteln.

Die Europäische Kommission hat Grenzwerte für die Konzentration von Luftschadstoffen festgelegt, die die Mitgliedstaaten dazu verpflichten, verantwortungsvoll mit den Quellen umzugehen. Darüber hinaus sollten Informationen über die Luftqualität an die Öffentlichkeit weitergegeben werden.(Europäische Kommission, 2018)

• Luftqualitätsrichtlinie 2008/50/EG: Die Richtlinie bildet den aktuellen Rahmen für die Kontrolle der Luftverschmutzungskonzentrationen in der EU. Die Kontrolle von Emissionen aus mobilen Quellen, die Verbesserung der Kraftstoffqualität und die Förderung und Integration von Umweltschutzanforderungen in den Verkehrs- und Energiesektor sind Teil dieser Ziele.
• Richtlinie 2015/1480/EC : Legt die Regeln für Referenzmethoden, Datenvalidierung und Probenahmestellen für die Beurteilung der Luftqualität fest.
• Richtlinie 2010/75/EU : Über Industrieemissionen
• Richtlinie/2284/EU: Über die Verringerung der nationalen Emissionen bestimmter Luftschadstoffe. Diese Richtlinie erzwingt die Reduzierung von Luftschadstoffen wie SOx, NOx und VOCs.
• Bundesimmissionsschutzgesetz - BImSchV 39. : Das Verfahren zur Ermittlung der städtischen Emissionsquellen in Deutschland ist in der 39. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (39. BImSchV) festgelegt. Dieses Bundesgesetz basiert auf der EU-Richtlinie 2008/50/EG.

Betriebsmodelle

Betriebsmodell für eine Datenplattform zur Luftqualität (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Fakten zur Implementierung

Durchschnittliche Implementierungsdauer: 0,1 - 1 Jahr

Höhe der Erstinvestition: weniger als 50.000 € für einen Stadtbezirk

Marktübersicht

Laut einem Bericht von Business Wire wird der globale Markt für Luftqualitätsüberwachungssysteme inmitten der COVID-19-Krise auf 3,47 Milliarden Euro geschätzt. Es wird prognostiziert, dass er bis 2027 eine revidierte Größe von 4,63 Mrd. EUR erreichen wird, mit einer CAGR von 4,4%.

Der globale Markt für die Überwachung der Luftqualität ist in Innen- und Außenluftüberwachung unterteilt. Städtische Luftqualitätssysteme werden als Außenüberwachungssysteme klassifiziert. Diese können weiter unterteilt werden in stationäre, tragbare, Staub- und Partikelmonitore und Luftqualitätsüberwachungsstationen.

Kosten

Die aktuellen technologischen Fortschritte bei den Luftqualitätssensoren haben sowohl die festen als auch die variablen Kosten der UAQPs-Plattformen für die städtische Luftqualität erheblich gesenkt. Zu den festen Kosten gehört die Software, bestehend aus der Kommunikations-API und der grafischen Web-Benutzeroberfläche. Zu den variablen Kosten gehören u.a. Kalibrierung und Wartung.

Neue Technologien machen die Wartung und Kalibrierung vor Ort größtenteils überflüssig und verlagern diese Funktionen in einen Cloud-Service. Daher umfassen die Betriebskosten dieser Art von Plattformen auch cloudbasierte computergestützte Wartungsmanagementsysteme.

Die Sensibilisierung der Bürger und ihr Verständnis für die städtischen Luftqualitätssysteme ist für jede UAQP-Implementierung notwendig. Daher müssen die Fixkosten ein Bürgerportal und Kampagnen zur Bürgerbeteiligung umfassen.

Auswirkungen der Luftverschmutzung:

1) Globale Erwärmung

2) Laut einer von der UCL mitverfassten Studie ist schätzungsweise 1 von 5 Todesfällen pro Jahr auf die Verschmutzung durch fossile Brennstoffe zurückzuführen. Im Jahr 2018 starben etwa 8,7 Millionen Menschen allein durch die Emissionen fossiler Brennstoffe. Davon werden 21,5 % dem Feinstaub zugeschrieben. Abbildung 1 veranschaulicht die Verteilung der Todesfälle als Ursache der Luftverschmutzung.

Abbildung: Durchschnittliche PM2,5-Belastung im Freien und Gesamtzahl der Todesfälle durch Luftverschmutzung nach Region im Jahr 2013(Weltbank, 2013)

3) Im Jahr 2016 erklärte die WHO, dass 92 Prozent der Weltbevölkerung in Gebieten lebten, in denen die Luftverschmutzung die Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation für die Luftqualität überstieg.

4) Die Auswirkungen der Luftqualität auf die Menschen kosteten die Weltwirtschaft im Jahr 2013 schätzungsweise 190 Milliarden Euro (Weltbank, 2013).

Ursachen der Luftverschmutzung in Innenräumen:

Wie bereits erwähnt, sind anthropogene Quellen die Hauptverursacher von Luftschadstoffen. Luftverschmutzung kann jedoch auch durch natürliche Quellen wie vulkanische Aktivitäten (die hauptsächlich SO2, CO2 und HF freisetzen), Sandstürme wie den Saharastaub und Ozon, das durch die Reaktion von Sonnenlicht mit Sauerstoff entsteht, verursacht werden. Die anthropogenen Quellen werden jedoch mit einer viel höheren Rate und Dichte emittiert.

Anthropogene Quellen können in mobile, stationäre und flächige Quellen unterteilt werden. Bei den mobilen Quellen handelt es sich um Emissionen, die durch den Verkehr verursacht werden, z.B. durch Fahrzeuge, Seeschiffe und Züge. Luftschadstoffe in Abgasen entstehen durch unvollständige Verbrennung von Kraftstoff. Kohlenmonoxid und unverbrannter Kraftstoff sind die wichtigsten Abgase, die von Benzinmotoren erzeugt werden.

Stationäre Quellen sind Kraftwerke, industrielle Aktivitäten und Ölraffinerien. Deren Auswirkungen sind größer, wenn sie sich innerhalb des Stadtgebiets befinden. Die Energiequellen mit dem höchsten Emissionsfaktor sind Braunkohle und Steinkohle. Aus diesem Grund gibt es weltweite Bemühungen, aus der Kohle als Energiequelle auszusteigen.

Schließlich können flächige Quellen der Landwirtschaft und menschlichen Aktivitäten zugeordnet werden. Die landwirtschaftlichen Emissionen werden in der Regel unterschätzt. Da jedoch Ammoniak NH3 und Methan CH4 die wichtigsten Luftschadstoffe sind, sind ihre Auswirkungen gravierend. Methan zum Beispiel hat ein 28-mal höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid.

Stakeholder Mapping

Stakeholder-Karte für eine Datenplattform zur Luftqualität (BABLE, 2021)

Regierungsinitiativen

• UK Clean Air Strategy: Diese Strategie legt die umfassenden Maßnahmen dar, die von allen Teilen der britischen Regierung und Gesellschaft erforderlich sind, um die Umweltziele zu erreichen. Die Gesetzgebung für 2019 umreißt einen starken und kohärenten Rahmen für Maßnahmen zur Bekämpfung der Luftverschmutzung.
• Europäischer Green Deal: Die EU hat im Rahmen ihres Politikbereichs "Beseitigung der Umweltverschmutzung" unter anderem ihre Unterstützung für lokale Behörden verstärkt, um sauberere Luft für ihre Bürger zu erreichen. Sie wird auch vorschlagen, die Bestimmungen über Überwachung, Modellierung und Luftqualitätspläne zu stärken, um den lokalen Behörden zu helfen, sauberere Luft zu erreichen. Die Kommission wird insbesondere vorschlagen, die Luftqualitätsnormen zu überarbeiten, um sie besser an die Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation anzupassen.

Unterstützende Organisationen

• Europäische Umweltagentur: Experten der EUA analysieren die Daten zur Luftqualität, die in ganz Europa überwacht werden. Die verarbeiteten Daten fließen in Bewertungen ein, die den Entscheidungsträgern in ganz Europa dabei helfen, bessere Strategien und Regeln für den Umgang mit Problemen der Luftverschmutzung zu formulieren.
• Europäische Weltraumorganisation: Die ESA widmet sich der friedlichen Erforschung und Nutzung des Weltraums zum Wohle der Menschheit. Die ESA setzt Erdbeobachtungssatelliten ein, um den Umweltzustand der Erde zu überwachen. Durch die Nutzung von Satellitendaten kann die ESA ein umfassenderes Bild des globalen Wandels zeichnen. Wissenschaftler und Regierungen können diese Daten nutzen, um unsere Umwelt zu verstehen, zu schützen und zu verwalten und die Erde für künftige Generationen zu bewahren.
• EU JRC: Die Gemeinsame Forschungsstelle der Europäischen Kommission arbeitet an der Harmonisierung von Luft- und Klimaüberwachungs- und Modellierungsmethoden. Zu diesem Zweck entwickelt die JRC kohärente Treibhausgas- (THG) und Luftschadstoff-Emissionsinventare und -Projektionen und führt ökonometrische Trendanalysen und Kostenschätzungen von Emissionskontrolloptionen durch. Derzeit entwickelt die GFS neue Standards für Luftqualitätssensoren, die weitere Innovationen bei UAQDPs vorantreiben werden.

Unterstützende Faktoren

1. Stadtweiter Einsatz von Sensoren zur repräsentativen Erfassung der Luftqualität
2. Priorisierung von Sensoren an Orten mit der höchsten Schadstoffkonzentration
3. Starke und ununterbrochene Konnektivität zwischen physischen und digitalen Anlagen
4. Zustimmung der Bürger zur Installation von Sensoren in der gesamten Stadt

Daten und Standards

• IEEE/ISO/IEC 21451: definiert ein Objektmodell mit einer netzwerkneutralen Schnittstelle zur Anbindung von Prozessoren an Kommunikationsnetzwerke, Sensoren und Aktoren
• ISO 37120: Nachhaltige Städte und Gemeinden - Indikatoren für städtische Dienstleistungen und Lebensqualität: Definiert und legt Methoden für eine Reihe von Indikatoren zur Steuerung und Messung der Leistung von städtischen Dienstleistungen und Lebensqualität fest
• ISO/DIS 37156: Richtlinien für den Austausch und die gemeinsame Nutzung von Daten für intelligente kommunale Infrastrukturen
• TA Luft - Deutsche Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft: Regelt die Anforderungen an die Luftqualität, einschließlich der Emissionen, der Exposition der Umgebung und ihrer Kontrollmethoden. Sie gilt für eine Reihe von Schadstoffen aus einer Reihe von stationären Quellen.