Modellrechnungen zum Abbau von Stickoxiden mittels Photokatalyse

Im Zuge der Corona-Pandemie ist es zu einem erheblichen Rückgang des Straßenverkehrs gekommen, und damit einhergehend sind die Stickstoffdioxid-Emissionen (NO2) stark gesunken. Bereits seit dem Ende des Lockdowns Mitte April 2020 konnten jedoch wieder deutlich steigende Werte gemessen werden. Auch rückblickend auf das Jahr 2019 wurde der Jahresmittelgrenzwert für NO2 von 40 µg/m³ Luft trotz bereits geltender Dieselfahrverbote sowie eingerichteter Umweltzonen an rund 20 Prozent der verkehrsnahen Messstationen in Deutschland überschritten. Im Vergleich zum Jahr 2018 waren es noch 42 Prozent der Stationen. Das Fraunhofer IST verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von Oberflächen, die mit einer photokatalytischen Aktivität versehen/ausgestattet dazu beitragen können, Luftschadstoffe abzubauen. Insbesondere im städtischen Raum stehen dafür große bebaute Oberflächen zur Verfügung. Zusammen mit der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften in Wolfenbüttel wurde daher eine Studie im Rahmen einer Masterarbeit initiiert, um mittels numerischer Simulation das Abbaupotenzial photokatalytisch ausgerüsteter Oberflächen zur Stickoxidreduzierung zu bestimmen. Hierzu wurde das Modell eines realen Straßencanyons auf dem Gelände des Fraunhofer IST ausgewählt, da hier zum einen die Schadstoffe bei bestimmten Windbedingungen schlecht abtransportiert werden und zum anderen ausreichend Oberflächen zur Verfügung stehen, die potenziell mit photokatalytischen Oberflächen ausgerüstet werden können.

Modellcanyon auf dem Gelände des Fraunhofer IST in Braunschweig.
© Fraunhofer IST, Inga Ziemer
Modellcanyon auf dem Gelände des Fraunhofer IST in Braunschweig.
ArcMap-Modellskizze des untersuchten Geländes.
© Fraunhofer IST, Inga Ziemer
ArcMap-Modellskizze des untersuchten Geländes.
Prozentuale Minderung der NO<sub>x</sub>-Emissionen im photokatalytisch aktiv ausgerüsteten Modellcanyon.
© Fraunhofer IST, Inga Ziemer
Prozentuale Minderung der NOx-Emissionen im photokatalytisch aktiv ausgerüsteten Modellcanyon.

Die Vorgehensweise

Als Bewertungsgröße für die photokatalytische Aktivität wurde die photokatalytische Depositionsgeschwindigkeit von Stickstoffmonoxid (NO) nach prEN 16980-1 für verschiedenste kommerziell im Markt erhältliche Baustoffe wie z. B. Glas, Betonpflasterstein und Rauputz im Labor bestimmt. Aus ihr wird der photokatalytische Widerstand berechnet, der wiederum eine essentielle Größe für atmosphärische Ausbreitungsrechnungen darstellt.

Diese Werte dienten in der Untersuchung als Eingangsgröße, um mit den Programmen LASAT (Lagrange Simulation von Aerosol-Transport zur Simulation der Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphäre) und WinMISKAM (prognostisches mikroskaliges Strömungs- und Ausbreitungsmodell für Windows) die Reduktion der NOx-Konzentrationen am Beispiel des Straßencanyons auf dem Gelände des Fraunhofer IST unter Berücksichtigung der meteorologischen Daten zu Windströmung und Sonneneinstrahlung beispielhaft für das Jahr 2018 zu simulieren (vgl. nebenstehende Abbildungen oben und Mitte). 
 

Verbesserung der Luftqualität durch Photokatalyse

Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass bei angenommener vollständiger photokatalytischer Ausrüstung von Straße, Fassade und Dach bereits bei geringen Depositionsgeschwindigkeiten von 0,14 cm/s die NOx-Konzentrationen im Jahresmittel um 1 bis 2 Prozent gemindert werden können. Beim Einsatz von photokatalytischen Hochleistungsbaustoffen mit mittleren Depositionsgeschwindigkeiten von bis zu 1,50 cm/s, wie sie beispielsweise im BMBF-Verbundvorhaben »PureBau« entwickelt wurden, können die NOx-Emissionen im Mittel hingegen sogar um 10 bis 12 Prozent reduziert werden (vgl. nebenstehende Abbildung unten). Dabei schwanken die Abbauraten zwischen 2 bis 4 Prozent im Winter sowie zwischen 16 bis 18,5 Prozent an durchschnittlichen Sommertagen. Die Photokatalyse kann somit nachweislich auch in sonnenärmeren Gegenden der Republik einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität in unseren Innenstädten beitragen.
 

Ausblick

Im Zuge einer Erweiterung der Laborkapazitäten wird zurzeit die am Fraunhofer IST vorhandene Messtechnik um die Möglichkeit zur Bestimmung der photokatalytischen Depositionsraten von Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) erweitert, um die atmosphärischen Eingangsgrößen noch exakter bestimmen zu können. Parallel hierzu unterstützt das IST als Mitglied des DIN Normenausschusses Photokatalyse die Entwicklung zukünftiger Prüfnormen in diesem Bereich und bietet seinen Kunden somit zukünftig ein ganzheitliches Angebot zur Bewertung ihrer photokatalytisch aktiven Produkte vom Werkstoff bis in die Anwendung.