23. Oktober 2014

Cheminées stellen bei Wintersmog die Autos in den Schatten

Energie und Umwelt Umwelt

Holzfeuerungen sind an Wintersmog-Tagen in der Schweiz die Hauptquellen von gesundheitsschädigendem kohlenstoffhaltigem Feinstaub. Das zeigt eine gross angelegte Schweizer Studie zur Feinstaubbelastung, die über 5 Jahre durch Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts PSI, der Universität Bern und der ETH Zürich durchgeführt wurde.


Als Feinstaub bezeichnen Fachleute in der Luft schwebende Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 10 Tausendstelmillimetern (10 Mikrometer). Während die grösseren Feinstaubpartikel in Rachen und Nase hängenbleiben, können kleinere Partikel von bis zu 2,5 Mikrometern Durchmesser in die Lunge und über diese in die Blutbahn gelangen. Der feinkörnige Feinstaub kann Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems verursachen. Es ist erwiesen, dass erhöhte Feinstaubkonzentrationen in der Luft zu höheren Sterblichkeitsraten führen. In Europa stellt Feinstaub eine der gesundheitsschädlichsten Formen der Luftverschmutzung dar.

Eine neue Studie mit Beteiligung des PSI hat sich der Feinstaubbelastung bei Wintersmog in der Schweiz gewidmet. Die Forschenden verwendeten bei ihren Messungen die sogenannte C-14-Technik, mit der anhand des Gehalts an radioaktivem Kohlenstoff in einer Feinstaubprobe festgestellt werden kann, ob der Feinstaub aus fossilen oder nicht-fossilen Quellen stammt.

In der Studie wurden C-14-Messungen von Feinstaubproben über 5 Jahre an 16 Messstationen, sowohl nördlich (11 Stationen) als auch südlich (5 Stationen) der Alpen, durchgeführt. Um ein möglichst repräsentatives Bild zu erhalten, wurden die Messdaten neben städtischen Stationen auch in Agglomerationen, Dörfern und Alpentälern gesammelt. Aufgrund der Dichte der Messstationen und der langen Periode, über die sie sich erstreckt, ist diese C-14-Untersuchung weltweit einmalig.

Analysiert wurden in allen 5 Wintern für alle Stationen Proben von 5 Tagen, an denen der europäische und schweizerische Grenzwert für die Feinstaubbelastung überschritten wurde. Die Studie befasste sich also nicht mit den Mittelwerten der Feinstaubbelastung über eine Wintersaison, sondern mit den Extremen, die typischerweise bei Wintersmog auftreten.

Zuordnung dank radioaktiven Kohlenstoffs

Die PSI-Wissenschaftler benutzten die C-14-Methode, um den Kohlenstoff im Feinstaub einer fossilen oder nichtfossilen Quelle zuzuordnen. Die Technik basiert darauf, dass fossile Brennstoffe nur die nichtradioaktive Form des Kohlenstoffatoms enthalten. Nicht-fossile Biomasse, wie etwa Holz, hingegen enthält Spuren der radioaktiven Form von Kohlenstoff (C-14), die in den oberen Schichten der Atmosphäre ständig gebildet wird und von der Biomasse über das CO2 aus der Luft aufgenommen wird. C-14 ist eine schwere Variante (Isotop genannt) des Kohlenstoffatoms und kommt in der Atmosphäre 1 Billion Mal seltener vor als das am häufigsten vorhandene stabile C-12-Isotop. Im Gegensatz zu C-12 ist C-14 radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Über die Jahrmillionen, die die Bildung fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Gas oder Kohle im Innern der Erde dauert, zerfällt das C-14 vollständig, so dass fossile Substanzen im Gegensatz zu „frischer“ Biomasse kein C-14 mehr enthalten.

Der Kohlenstoffgehalt im Feinstaub wurde in der Studie zudem in elementaren und organischen Kohlenstoff unterteilt. Elementarer Kohlenstoff (ein wichtiger Bestandteil von Russ) wird nur bei Verbrennungsprozessen gebildet, während organischer Kohlenstoff aus einer Vielzahl von Quellen herrühren kann - neben der Holzverbrennung und dem Verkehr auch aus Emissionen von Wäldern und dem Kochen. „Eine grosse Herausforderung bestand darin, eben diese zwei Kohlenstoffvarianten aus den Feinstaubproben für die C-14-Messung getrennt zu extrahieren -eine Kunst, die heute nur wenige Forschungsgruppen weltweit beherrschen und in dieser Studie dank der Zusammenarbeit von PSI und Universität Bern gelang“, sagt der PSI-Doktorand Peter Zotter, der die Arbeit durchführte.

Da elementarer Kohlenstoff (EC, auch schwarzer Kohlenstoff genannt) nur bei Verbrennungsprozessen emittiert werden kann, ist eine Quellenzuordnung in diesem Fall relativ einfach: Er stammt zum allergrössten Teil entweder aus den Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen oder aus Holzfeuerungen(fossile Emissionen von elementarem Kohlenstoff aus Industrie, Gas- und Ölheizungen, sowie nicht-fossile Beiträge aus Waldbränden, Kehrrichtverbrennungsanlagen und Grillieren sind in der Schweiz klein). Das wiederum heisst, dass der fossile Anteil komplett dem Verkehr, der nicht-fossile den Cheminées und Holzöfen zugeordnet werden kann. Komplexer sieht es beim organischen Kohlenstoff aus. Dieser kann nämlich aus einer Vielzahl von Quellen herrühren – neben der Holzverbrennung und dem Verkehr nämlich auch von biogenen Quellen wie Emissionen aus Wäldern oder vom Kochen. Zudem kann der organische Feinstaub entweder direkt emittiert werden oder erst in der Atmosphäre durch die Umwandlung von flüchtigen gasförmigen Kohlenwasserstoffen zu Feinstaubpartikeln gebildet werden.

Der nicht-fossile organische Kohlenstoff wurde bei dieser Studie jedoch mehrheitlich auf die Holzverbrennung zurückgeführt, denn Emissionen aus Wäldern sind in der Schweiz im Winter praktisch nicht vorhanden und Kochemissionen machen einen geringeren Anteil aus. Für die Holzverbrennung als Hauptquelle spricht der Umstand, dass die Konzentrationen des nicht-fossilen organischen Kohlenstoffs mit jenen des Moleküls Levoglucosan korrelierten. Levoglucosan entsteht nämlich aus der Zersetzung durch Erhitzung (Pyrolyse) von Zellulose, dem Hauptbestandteil von Holz. Levoglucosan ist also ein Marker für die Holzverbrennung.

Unterschiede zwischen Nord und Süd

Die C-14-Messungen zeichnen ein unterschiedliches Bild der Feinstaubbelastung für den Norden und den Süden der Schweiz: Nördlich der Alpen beträgt der nicht-fossile Anteil am organischen Kohlenstoff im Feinstaub je nach Station zwischen 70 und 87 Prozent. Das heisst also, dass der fossile Anteil und somit der Beitrag des Strassenverkehrs zum organischen Kohlenstoff sich im Norden auf maximal 30 Prozent beläuft. Südlich der Alpen ist der Beitrag der Verbrennungsmotoren noch kleiner: dort entfallen höchstens 19 Prozent der Belastung mit organischem Kohlenstoff auf die Mobilität. Der überwiegende Beitrag des nicht-fossilen Anteils sowohl nördlich als auch südlich des Alpenhauptkamms macht die Bedeutung von Holzheizungen für die Feinstaub-Belastungsspitzen im Winter deutlich.

Der Blick auf die Messdaten zum schwarzen Kohlenstoff bestätigt dieses Bild. Bei diesem stammt die Belastung an den meisten Messstationen zwar primär aus fossilen Quellen, also aus dem Verkehr. Dennoch halten sich Verkehr und Holzverbrennung bei der Belastung mit schwarzem Kohlenstoff an einigen Standorten ungefähr die Waage. Im Schächental und im bündnerischen San Vittore schlagen die Holzfeuerungen sogar mit 70 bzw. 66 Prozent zu Buche.

Effizientere Holzfeuerungen im Norden

Holzfeuerungen, so die Schlussfolgerung der Studie, sollten vermehrt in den Mittelpunkt der Massnahmen zur Reduktion der Feinstaubbelastung in der Schweiz rücken. Dies vor allem, weil im Verkehr zukünftig weitere Senkungen der Feinstaubemissionen zu erwarten sind. Ein möglicher Weg wäre die Förderung modernerer, effizienterer Holzfeuerungen. Diese emittieren weniger schwarzen Kohlenstoff und vor allem weniger organische Kohlenstoffverbindungen, weil in ihnen die Verbrennung vollständiger abläuft. In der Tat fanden die PSI-Forschenden in dieser Studie, dass nördlich der Alpen, im dicht besiedelten Mittelland, verhältnismässig weniger organischer Kohlenstoff aus der Holzverbrennung ausgestossen wird – ein Indiz dafür, dass dort im Schnitt effizientere Holzfeuerungen zum Einsatz kommen als im Süden.

Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch das Bundesamt für Umwelt, die Kantone Basel-Stadt, Basel-Land, Graubünden, Solothurn, Tessin und Wallis sowie die OSTLUFT, die inNET Monitoring AG und das Fürstentum Liechtenstein

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva
Weiterführende Informationen
Labor für Atmosphärenchemie am PSI
Kontakt / Ansprechpartner
Dr. André Prévôt, Leiter der Gruppe Gasphasen- and Aerosol-Chemie, Paul Scherrer Institut,
Telefon: +41 56 310 42 02, E-Mail: andre.prevot@psi.ch
Originalveröffentlichung
Radiocarbon analysis of elemental and organic carbon in Switzerland during winter-smog episodes from 2008 to 2012 – Part 1: Source apportionment and spatial variability
P. Zotter, V. G. Ciobanu, Y. L. Zhang, I. El-Haddad, M. Macchia, K. R. Daellenbach, G. A. Salazar, R.-J. Huang, L. Wacker, C. Hueglin, A. Piazzalunga, P. Fermo, M. Schwikowski, U. Baltensperger, S. Szidat, A. S. H. Prévôt
Atmospheric Chemistry and Physics, 14, 13551-13570, 2014
DOI: 10.5194/acp-14-13551-2014