Anwendungsmöglichkeiten und erste Ergebnisse aus Pilotstudien zur Photokatalyse an Straßenbauwerken
(2015)
Zur Frage, ob photokatalytisch aktive Oberflächen im Straßenbau eine Lösung des Stickoxidproblems darstellen können, stellt der Beitrag erste Ergebnisse aus Pilotstudien zu TiO2-Anwendungen vor. Diese betreffen die Untersuchung einer Lärmschutzwand mit TiO2-Beschichtung (A1, Niedersachsen), eine photokatalytisch aktive Straßenoberfläche (NOxer(R)-Belag, B433 in Hamburg, Decke mit Ti02-haltiger Zementschlämme, derzeit noch in Auswertung) sowie einen Tunnel (Tunnelkassetten mit TiO2-Matten im Tunnel Rudower Höhe in Berlin, A113, fortgeführt in Bezug auf die Untersuchung der Haltbarkeit der Kassettensysteme). Ausführlich dargestellt werden die Untersuchungen zur Beschichtung der Lärmschutzwand an der Al mit Titandioxid-haltiger Suspension, den zugehörigen forschungsbegleitenden Studien, sowie den Ergebnissen in Bezug auf die NO2-Minderungsrate. Die bisher durchgeführten Auswertungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Die Entwicklung der Minderungsraten lässt vermuten, dass photokatalytische Suspensionen zum Teil mehrere Monate benötigen, um sich frei zu brennen und die aktiven TiO2-Partikel an die Oberfläche treten zu lassen. Schon die Lärmschutzwand allein bewirkt eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentrationen im direkten Hinterland durch Verfrachtung der Luftschadstoffe in höhere Luftschichten.
Ermittlung der Schadstoffbelastung in einem Tunnelbauwerk mit geschlitzter Decke an der EB 42 n
(1987)
Eine Schnellstraße durch einen Tunnel mit einer in der Mitte geschlitzten Decke zu führen, wie an der EB 42n im Bereich Königswinter-Oberdollendorf, ist in der Bundesrepublik Deutschland ohne Vorbild. Zur Klärung, welche Umweltbelastungen von einem derartigen Bauwerk ausgehen können, wurde in einer Messkampagne untersucht, welche Schadstoffbelastungen im Tunnel und außerhalb des Tunnels auftreten. Bei einem Verkehrsstau auf einer Richtungsfahrbahn von mehreren Kilometern Länge im Bereich des Tunnelbauwerkes wurden im Tunnel Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen, die um mehr als den Faktor 5 unter dem Grenzwert aus den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) lagen. Die Schadstoffbelastungen am Schlitz des Tunnels sind gering. Sie unterschreiten sowohl die Grenzwerte nach TA Luft, wie auch die Grenzwerte nach der VDI-Richtlinie 2310, die wegen fehlender Grenzwerte für den Straßenbau als Orientierungshilfen herangezogen wurden. Betrachtet wurden die Stoffe Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und Ozon. Durch die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Berechnung der Konzentrationsprofile in den beiden Tunnelröhren könnte das Prinzip der natürlichen Lüftung erklärt und gezeigt werden, dass ca. 75 % bis 78 % der im Tunnel emitierten Schadstoffe über den Schlitz in der Tunneldecke und die restlichen 22 % bis 25 % über die beiden Portale abgeführt werden. Unter dem Aspekt der Luftreinhaltung ist dieses Bauwerk als umweltfreundlich anzusehen.
Vorgestellt werden Vorgehensweise, Datenaufbereitung, Modellaufbau und Ergebnisse des BASt-Projekts "Numerische Simulation der Stickoxidminderung durch photokatalytische Oberflächen an Verkehrswegen". Die Vorteile des Konzepts liegen in der Berücksichtigung von Zeitreihen (Eingangsdaten, Ausbreitungsrechnung) und in der Tatsache, dass die Depositionsgeschwindigkeit als zeitlich variable Eingangsgröße bei der Modellierung berücksichtigt wurde. Die Ergebnisse liegen entsprechend als Zeitreihen vor (Jahres- oder Tagesgänge können untersucht werden). Es ergab sich eine Minderung der NO2-Belastung um maximal knapp 1.5% im Nahbereich der Lärmschutzwand. Wesentlicher Faktor bei der Wirksamkeit photokatalytischer Oberflächen ist die Interaktion zwischen Gesamtbelastung und Depositionsgeschwindigkeit im Tagesverlauf.
Auslaugungserscheinungen im Spritzbeton können im bergmännischen Tunnelbau zu Versinterungen der Dränageleitungen sowie zu einer Erhöhung des pH-Wertes des abfließenden Bergwassers führen. Die Folge sind hohe Betriebskosten, verursacht durch den Spülungsaufwand zum Entfernen der Versinterungen beziehungsweise aufgrund der erforderlichen Neutralisation zur Reduzierung des pH-Wertes. Das Ausmaß der Versinterungen kann sehr unterschiedlich sein und wird durch eine Reihe verschiedener objektspezifischer Faktoren beeinflusst. Die nationalen und internationalen Regelwerke gehen sehr unterschiedlich auf diese Problematik ein. Die Spritzbetonrichtlinie des Österreichischen Betonvereins fordert als Hauptmaßnahme die Verwendung alkalifreier Erstarrungsbeschleuniger durch Einhaltung eines Na2O-Äquivalents kleiner als 1,0 Masse-Prozent und einem pH-Wert von 3,0 bis 8,0. Auch das Regelwerk der Deutschen Bahn AG, die DS 853, sieht eine konsequente Anwendung alkalifreier Beschleuniger vor, wobei zusätzlich auf eine Minimierung der Beschleunigermenge geachtet werden soll. Auf europäischer Ebene sind bislang keine Bestrebungen im Gange, der angesprochenen Problematik entgegenzuwirken. Obschon in den maßgebenden Regelwerken keine Verfahren zur Prüfung des Auslaugverhaltens gefordert werden, existieren dennoch verschiedene Messverfahren, mit denen der Einfluss der unterschiedlichen betontechnologischen Parameter auf die Auslaugbarkeit quantifiziert werden kann. Sie lassen sich nach Schüttel-, Säulen- und Standverfahren sowie speziellen auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren unterscheiden. Die Analyse der Verfahren zeigt, dass die Schüttelverfahren trotz ihrer einfachen und schnellen Durchführbarkeit zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens einer Spritzbetonschale eher ungeeignet sind und vielmehr zur Bestimmung der chemischen Charaktereigenschaften eines Stoffes herangezogen werden können. Bei dem FIZ-Durchflussverfahren sowie dem ISE-Verfahren, die zu den Säulenverfahren zu zählen sind und speziell für zementverfestigtes Prüfgut entwickelt wurden, ist durch die festgelegte Größe der Probekörper eine gute Reproduzierbarkeit der Versuche gegeben. Die aufwendige Versuchsdurchführung beim FIZ-Verfahren sowie die hohe Wasserdurchlässigkeit der Proben beim ISE-Verfahren machen allerdings ihren Einsatz zur Untersuchung des Auslaugverhaltens von Spritzbeton unzweckmäßig. Die Standverfahren, zu denen auch das Trogverfahren nach ÖNorm S 2072 zählt, welches die Spritzbeton-Richtlinie des Österreichischen Betonvereins vorgibt, zählen zu den praxisnahen Auslaugtests. Allerdings wird ihr Einsatz durch eine vergleichsweise kurze Versuchsdauer zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens eingeschränkt. Zu den speziell auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren zählen die Umströmungsplatte (System Philipp Holzmann), die Durchströmungszelle (TU München) sowie die Umströmungsanlage (Ruhr-Universität Bochum). Durch ihre realistische Simulation der natürlichen Gegebenheiten liefern sie aussagekräftige Ergebnisse, die zudem gut reproduzierbar sind. Aufgrund der unterschiedlichen Versuchsprinzipien sind die Ergebnisse der Verfahren quantitativ nicht miteinander vergleichbar. Zudem fehlen Grenzwerte, die eine direkte Beurteilung des Auslaugverhaltens zulassen. Als Hauptverursacher der Auslaugungserscheinungen des Spritzbetons werden die besonders leicht wasserlöslichen Alkalien im Zementstein gesehen, die vor allem über die alkalihaltigen Beschleuniger in den Spritzbeton gelangen. Untersuchungen der Ruhr-Universität Bochum belegen, dass sowohl mit alkalifreien als auch mit alkaliarmen Beschleunigern, ergänzt mit SiO2-Zusatzstoffen, eine erhebliche Reduzierung der Calciumauslaugung gegenüber den alkaliarmen Beschleunigern erreicht werden kann. Dies ist um so bedeutender, da durch die Calciumauslaugung die Versinterungen der Dränageleitungen maßgeblich hervorgerufen werden. Sowohl aus materialtechnologischer als auch aus arbeitshygienischer Sicht empfiehlt es sich daher, zukünftig als Regelfall alkalifreie Beschleuniger einzusetzen. Zudem sollten Zuschlagstoffe mit einem niedrig wirksamen Alkaligehalt zum Einsatz kommen. SiO2-Zusatzstoffe können wesentlich zu einer Reduzierung der Auslaugungserscheinungen beitragen. Ihr Einsatz ist daher zu empfehlen. Auf die Prüfung des Auslaugverhaltens sollte trotz fehlender Grenzwerte nicht verzichtet werden. Durch die Festlegung von Mindestanforderungen an das Prüfverfahren lassen sich aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse erzielen.
Es werden erste Ergebnisse des von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsprojekts "Hauptstudie zur Wirksamkeit von Tunnelwänden als Träger photokatalytischer Oberflächen" (FE 9.0184/2011/ARB) vorgestellt. Ziel war die Erarbeitung von technischen Lösungen zur Stickoxidreduktion an einem Tunnelstandort durch die Konzeptionierung und den Bau abgeschlossener photokatalytischer Reaktoren (Tunnelkassetten) sowie deren Validierung im Tunnel "Rudower Höhe" an der Bundesautobahn A113 in Berlin. Dabei wird künstliches UV-Licht als Energiequelle für den Schadstoffabbau eingesetzt. Es wird speziell über die Modellierungen berichtet, mit Hilfe derer die Tunnelkassetten sowohl strömungstechnisch als auch in Hinblick auf den photokatalytischen Abbauwirkungsgrad optimiert wurden.
Vorgestellt werden Ergebnisse aus der Untersuchung "Vergleich verschiedener Modellierungsprogramme zur Berechnung von Luftschadstoffen". Die Untersuchung wurde begleitend zu der Pilotstudie "NO2-Reduktion an Ti02-dotierten Lärmschutzwänden (LSW) an der A1" durchgeführt. Projektziel war der Vergleich von drei Ausbreitungsmodellen sowie die Auswahl eines geeigneten Modells für ein zu entwickelndes Online-Monitoring-System. Es wurde festgestellt, dass sich die Modellergebnisse infolge der Umsetzung kleinräumiger Details unterscheiden sowie dass alle Modelle lediglich geringe NOx-Minderungen in Folge der katalytischen Oberflächenbeschichtung anzeigen. In den numerischen Modellen wird die photokatalytische Wirkung der Ti02-beschichteten Lärmschutzwand über einen Depositionsprozess berücksichtigt. Unter Berücksichtigung der Hintergrundbelastung und der NOx-NO2-Umwandlung würde sich die Wirkung des Katalysators im Maximum auf weniger reduzieren. Die Messungen zeigten keine eindeutige Wirkung bezüglich der Immissionskonzentrationen im Bereich der beschichteten beziehungsweise unbeschichteten LSW an.
Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität in Städten waren bisher bei der Verminderung von Stickoxiden nur bedingt erfolgreich. Interessant ist, ob der Einsatz der Photokatalyse hier weiterhelfen kann. Photokatalytische Anwendungen wurden schon in einigen Pilotstudien untersucht, zum Beispiel an Straßen beziehungsweise Modell-Canyons sowie in Tunneln. Teilweise wurden international sehr positive Ergebnisse erzielt, geichzeitig liegen aus anderen internationalen Projekten Ergebnisse unterhalb der Messgenauigkeit vor. Die vorgestellten Ergebnisse werden anhand verschiedener Variablen betrachtet und die erwartbare Atmosphärenrelevanz diskutiert. Zusammengefasst wird, dass basierend auf bekannten Feldmessungen für die Photokatalyse eine mittlere NOx-Reduktion von nur wenigen Prozent (in Hauptstraßenschluchten) zu erwarten ist. Dieses Potenzial muss mit anderen Maßnahmen verglichen werden (Kosten/Nutzenanalyse). Materialien müssen vor ihrem Einsatz in der Atmosphäre sorgfältig auf ihre Aktivität untersucht werden. Erfüllen die Oberflächen die Voraussetzungen, um als aktiv eingestuft zu werden, ist ihr Einsatz zur Luftreinhaltung klar zu empfehlen.
Auf Straßen und im Windkanal wurde an Autobahnen das NO2- und Pb - Ausbreitungsverhalten bei Anordnung von Lärmschutzwänden, Gehölzpflanzungen oder Wald in Fahrbahnnähe gemessen und der freien Schadstoffausbreitung gegenübergestellt. Es wurde ermittelt, dass eine 500 m lange und mindestens 4 m hohe Lärmschutzwand die NO2- und Pb-Belastung um 30 bis 50% reduziert. Sie führt aber vor der Wand im Straßenraum zu einer Konzentrationserhöhung bis zu 25%. Ein beidseitiger mit Unterholz durchsetzter Mischwaldstreifen von 50 m Tiefe bewirkt ebenfalls eine Minderung hinter dem Waldstreifen. Heckenartige Gehölzpflanzungen führen zu keiner Verringerung der Belastung. Vergleichsmessungen im Windkanal zeigen für gasförmige Schadstoffe eine stärkere Schutzwirkung einer 4 m hohen Lärmschutzwand gegenüber einem gleich hohen Randbewuchs.