Chemische und physikalische Charakterisierung von anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels UAV basierter Online In-Situ-Probenahme und komplementärer Analytik

Abstract

Die Luftreinhaltung in der Industrie ist von entscheidender Bedeutung für die Erhaltung der Umweltqualität und die Sicherstellung einer gesunden Arbeitsumgebung. Angesichts der bestehenden Industrialisierung und der damit verbundenen Emissionen ist es unerlässlich, wirk-same Maßnahmen zur Reduzierung von Schadstoffen zu ergreifen. Die regionale Dichte von Industriebetrieben geht mit einer lokalen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen einher, was vor allem Einfluss auf die Luftqualität der direkten Umgebung hat. In dieser Arbeit wurde ein UAV-basiertes Online In-Situ Probenahme-Modul (InfraSampler) für stationäre und mobile Messungen, sowie direkten Probenahme am Schornstein von Industrieemissionen entwickelt. Der InfraSampler wurde mit hochauflösenden Sensoren zur Messung der Konzentrationsverteilung von Emissionen ausgestattet (z.B. CO2, O2, CH4). Zusätzlich wurde eine kommutable Probenahmeeinheit eingerichtet, welche die Probenahme von VOCs mit anschließender Analytik im Labor oder eine olfaktometrische Analyse ermöglicht. Es wurden drohnenbasierte Messstrategien entwickelt, welche besonders zur Charakterisierung urbaner Industrieemissionen geeignet sind. Querschnittsmessflüge durch die Abluftfahne ermöglichten die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne und lieferten einer Grundlage zur Berechnung des Beitrags der industriellen Emissionen zur umgebenden Gesamtbelastung. Radiale Messflüge ermöglichten eine Kartierung der Gasfahnenverteilung über einen definierten Bereich. Damit gehören zu den möglichen Anwendungsbereichen die Untersuchung anthropogen beeinflusster Umwelt, die Probenahme an Reingasströmen und die Transmissionsmessung sowohl im vertikalen als auch horizontalen Raum. Mögliche Zusatzapplikationen schließen die Schadstoffkartierung, Verfolgung von mobilen Quellen und die stationären Messungen mit möglichen frequenziellen Positionswechsel ein. Es konnten Aussagen über die Einflussmechanismen einzelner atmosphärischer Parameter auf den Reingasstrom getroffen werden, um daraus allgemeine Tendenzen für eine optimale Probenahme ableiten zu können. Ein Ansatz zur Korrektur des atmosphärischen Einflusses auf die Probenahme wurde mit Hilfe des Einsatzes einer horizontalen Lanze hergeleitet und deren Leistungsfähigkeit anhand einiger Fallstudien untersucht. Darunter fällt die olfaktometrische Charakterisierung des Abgasstromes einer Biogasaufbereitungsanlage mit Vergleichsmessungen anhand dynamischer Olfaktometrie, der Kartierung und Ermittlung von der Distribution einer simulierten Gasfahne (CO2 und CH4) in Bezug auf den Bodeneffekt, sowie dem Definieren von möglicher Sensorik, welche durch eine stationäre Messkampagne geprüft und anschließend in das InfraSampler-System mit aufgenommen wurde. Zukünftige Untersuchungen der Ursachenzusammenhänge zwischen Immissions- und Emissionsbetrachtungen bieten ein interessantes Forschungsfeld, welches durch UAV-gestützte Transmissionsmessungen weiter erforscht werden sollte. Ein weiterer wichtiger Schritt, um eine große Anzahl an Flugmissionen durchführen zu können und statistische Auswertungen zu ermöglichen ist die Entwicklung eines Leitfadens zur UAV-basierten Probenahme, basierend auf bestehenden Normen und Richtlinien.