Plattform zur Luftqualität in Städten

Beschreibung

Seit einem Jahrzehnt sind Plattformen zur städtischen Luftqualität (Urban Air Quality Platforms, UAQPs) ein wichtiges Instrument zur Erfassung, Aufbereitung und Visualisierung hyperlokaler Daten über städtische Emissionen. Darüber hinaus sind UAQPs in der Regel frei zugänglich, was für Transparenz sorgt und das Bewusstsein für Luftverschmutzung schärft. Die Daten können entweder von über die Stadt verteilten Sensoren oder mittels Satellitenbildern bereitgestellt werden. Die Sensoren, die die Daten erfassen, können entweder von einem Betreiber (z. B. der Gemeinde) 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 Zonen und Ballungsräume unterteilen. In diesen Zonen und Ballungsräumen müssen die Mitgliedstaaten die Luftverschmutzungswerte anhand von Messungen, Modellrechnungen und anderen empirischen Verfahren bewerten – und der Europäischen Kommission entsprechend Luftqualitätsdaten übermitteln.

Die Europäische Kommission hat Grenzwerte für die Konzentration von Luftschadstoffen festgelegt, die die Mitgliedstaaten dazu verpflichten, verantwortungsvoll gegen die Emissionsquellen vorzugehen. Darüber hinaus sollten Informationen zur Luftqualität an die Öffentlichkeit weitergegeben werden. (Europäische Kommission, 2018)

• Richtlinie 2008/50/EG über die Luftqualität: Die Richtlinie bildet den aktuellen Rahmen für die Begrenzung der Luftschadstoffkonzentrationen in der EU. Zu diesen Zielen gehören die Begrenzung von Emissionen aus mobilen Quellen, die Verbesserung der Kraftstoffqualität sowie die Förderung und Integration von Umweltschutzanforderungen in den Verkehrs- und Energiesektor.
• Richtlinie 2015/1480/EG : Legt die Vorschriften bezüglich Referenzmethoden, Datenvalidierung und Standorte von Probenahmestellen für die Beurteilung der Luftqualität fest
• Richtlinie 2010/75/EU : Über Industrieemissionen
• Richtlinie 2284/EU: Zur Verringerung der nationalen Emissionen bestimmter Luftschadstoffe. Diese Richtlinie schreibt die Verringerung von Luftschadstoffen wie SOx, NOx und VOCs vor.
• Bundes-Immissionsschutzverordnung – BImSchV 39 : Das Verfahren zur Ermittlung städtischer 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 Plattform für Luftqualitätsdaten (BABLE, 2021)

Marktpotenzial

Fakten zur Umsetzung

Durchschnittliche Umsetzungsdauer: 0,1 – 1 Jahr

Anfängliche Investitionssumme: weniger als 50.000 € für einen Stadtbezirk

Marktüberblick

Laut einer Analyse von Business Wire wird der weltweite Markt für Luftqualitätsüberwachungssysteme inmitten der COVID-19-Krise auf 3,47 Milliarden Euro geschätzt. Ebenso wird prognostiziert, dass er bis 2027 ein revidiertes Volumen von 4,63 Milliarden Euro erreichen wird, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 4,4 %.

Der globale Markt für Luftqualitätsüberwachung unterteilt sich in die Überwachung von Innenräumen und Außenbereichen. Systeme zur Überwachung der Luftqualität in städtischen Gebieten werden als Außenüberwachungssysteme klassifiziert. Diese lassen sich weiter in stationäre und tragbare Messgeräte, Staub- und Partikelmessgeräte sowie Luftqualitätsmessstationen unterteilen.

Kosten

Aktuelle technologische Fortschritte bei Luftqualitätssensoren haben sowohl die Fixkosten als auch die variablen Kosten von Plattformen zur städtischen Luftqualitätsüberwachung (UAQP) erheblich gesenkt. Zu den Fixkosten zählt die Software, bestehend aus ihrer Kommunikations-API und der grafischen Web-Benutzeroberfläche. Zu den variablen Kosten gehören unter anderem Kalibrierung und Wartung.

Neue Technologien machen lokale Wartungs- und Kalibrierungsmaßnahmen weitgehend überflüssig, da diese Funktionen auf einen Cloud-Dienst verlagert werden. Daher umfassen die Betriebskosten solcher Plattformen cloudbasierte computergestützte Wartungsmanagementsysteme.

Die Sensibilisierung und das Verständnis der Bürger für städtische Luftqualitätssysteme sind für jede Umsetzung von UAQPs unerlässlich. Daher müssen die Fixkosten Bürgerportale und Kampagnen zur Bürgerbeteiligung umfassen.

Auswirkungen der Luftverschmutzung:

1) Globale Erwärmung

2) Laut einer von der UCL mitverfassten Studie ist schätzungsweise jeder fünfte Todesfall pro Jahr auf die Verschmutzung durch fossile Brennstoffe zurückzuführen; im Jahr 2018 starben allein aufgrund der Emissionen fossiler Brennstoffe etwa 8,7 Millionen Menschen. Davon entfallen 21,5 % auf Feinstaub. Abbildung 1 veranschaulicht die Verteilung der Todesfälle als Folge der Luftverschmutzung.

Abbildung: Durchschnittliche PM2,5-Belastung im Freien und Gesamtzahl der Todesfälle durch Luftverschmutzung nach Regionen 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 Luftqualitätsrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation überschritt.

4) Die Auswirkungen der Luftqualität auf die Menschen wurden im Jahr 2013 auf Kosten für die Weltwirtschaft in Höhe von etwa 190 Milliarden Euro geschätzt ( Weltbank, 2013).

Ursachen der Luftverschmutzung in Innenräumen:

Wie bereits erwähnt, sind anthropogene Quellen die Hauptverursacher von Luftschadstoffen. Luftverschmutzung kann jedoch auch durch natürliche Quellen verursacht werden, wie beispielsweise vulkanische Aktivitäten (bei denen hauptsächlich SO₂, CO₂ und HF freigesetzt werden), Sandstürme wie der Saharastaub sowie Ozon, das durch die Reaktion von Sonnenlicht mit Sauerstoff entsteht. Dennoch werden anthropogene Quellen in weitaus höherem Umfang und mit größerer Dichte emittiert.

Anthropogene Quellen lassen sich in mobile, stationäre und Flächenquellen unterteilen. Zu den mobilen Quellen zählen Emissionen aus dem Verkehr, wie sie von Kraftfahrzeugen, Seeschiffen und Zügen verursacht werden. 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. Die Auswirkungen dieser Quellen sind größer, wenn sie sich im Stadtgebiet einer Stadt befinden. Die Energiequellen mit dem höchsten Emissionsfaktor sind Braunkohle und Steinkohle, weshalb weltweit Anstrengungen unternommen werden, Kohle als Energiequelle schrittweise aus dem Verkehr zu ziehen.

Schließlich lassen sich Flächenquellen auf landwirtschaftliche und menschliche Aktivitäten zurückführen. Landwirtschaftliche Emissionen werden in der Regel unterschätzt; da jedoch Ammoniak (NH₃) und Methan (CH₄) die wichtigsten Luftschadstoffe sind, sind ihre Auswirkungen gravierend. Methan beispielsweise hat ein Treibhauspotenzial, das 28-mal höher ist als das von Kohlendioxid.

Stakeholder Mapping

Stakeholder-Übersicht für eine Plattform für Luftqualitätsdaten (BABLE, 2021)

Regierungsinitiativen

• Britische Strategie für saubere Luft: Diese Strategie legt die umfassenden Maßnahmen fest, die von allen Bereichen der britischen Regierung und Gesellschaft erforderlich sind, um die Umweltziele zu erreichen. Das Gesetz von 2019 schafft einen soliden und kohärenten Handlungsrahmen zur Bekämpfung der Luftverschmutzung.
• Europäischer Green Deal: Der EU-Green Deal hat im Rahmen seines Politikbereichs „Beseitigung der Umweltverschmutzung“ unter anderem seine Unterstützung für Kommunalbehörden verstärkt, um sauberere Luft für die Bürger zu erreichen. Er wird zudem vorschlagen, die Bestimmungen zu Überwachung, Modellierung und Luftqualitätsplänen zu verschärfen, um den Kommunalbehörden dabei zu helfen, sauberere Luft zu erreichen. Die Kommission wird insbesondere vorschlagen, die Luftqualitätsstandards zu überarbeiten, um sie stärker an die Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation anzupassen

Unterstützende Organisationen

• Europäische Umweltagentur: Experten der EUA analysieren die europaweit erfassten Luftqualitätsdaten. Die aufbereiteten Daten fließen in Bewertungen ein, um Entscheidungsträgern in ganz Europa dabei zu helfen, bessere Strategien und Vorschriften zur Bewältigung von Luftverschmutzungsproblemen zu formulieren.
• Europäische Weltraumorganisation (ESA): Die ESA widmet sich der friedlichen Erforschung und Nutzung des Weltraums zum Wohle der Menschheit. Die ESA nutzt Erdbeobachtungssatelliten, um den Zustand der Umwelt auf der Erde zu überwachen. Mithilfe 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 bewirtschaften und so die Erde für künftige Generationen zu bewahren.
• EU-JRC: Das Gemeinsame Forschungszentrum der Europäischen Kommission arbeitet an der Harmonisierung von Methoden zur Luft- und Klimaüberwachung sowie zur Modellierung. Zu diesem Zweck erstellt das JRC einheitliche Emissionsinventare und -prognosen für Treibhausgase (THG) und Luftschadstoffe und führt ökonometrische Trendanalysen sowie Kostenschätzungen für Emissionsminderungsmaßnahmen durch. Derzeit entwickelt es neue Standards für Luftqualitätssensoren, die weitere Innovationen im Bereich der UAQDPs vorantreiben werden.

Unterstützende Faktoren

1. Stadtweiter Einsatz von Sensoren zur repräsentativen Erfassung der Luftqualität
2. Vorrangige Installation von Sensoren an Standorten mit den höchsten Schadstoffkonzentrationen
3. Starke und unterbrechungsfreie Vernetzung zwischen physischen und digitalen Ressourcen
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 für den Anschluss 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 fest, um die Leistung städtischer Dienstleistungen und die Lebensqualität zu steuern und zu messen
• ISO/DIS 37156: Leitlinien zum Datenaustausch und zur gemeinsamen Nutzung von Daten für intelligente kommunale Infrastrukturen
• TA Luft – Technische Anweisungen zur Luftreinhaltung: Regelt Anforderungen an die Luftqualität, einschließlich Emissionen, Umgebungskonzentrationen und deren Kontrollmethoden. Sie gilt für eine Reihe von Schadstoffen aus verschiedenen stationären Quellen.