Luftverschmutzung: "Das dichteste Luftmessnetz, das wir kennen"
Stickoxide, Kohlendioxid, Feinstaub: Während das öffentliche Leben wegen der Covid-19-Pandemie stark eingeschränkt war, wurden deutlich weniger Schadstoffe in die Atmosphäre emittiert. Die Luft war auf einmal nicht nur gefühlt besser. Satellitenbilder der US-Raumfahrtbehörde Nasa und des europäischen Pendants Esa verzeichneten deutlich geringere Emissionen von Schadstoffen aus Auspuffen von Kraftfahrzeugen und aus Fabrikschornsteinen.
Aber um diese Werte zu erfassen, muss man nicht in die Erdumlaufbahn aufsteigen. Auch auf dem Boden lassen sich die Luftqualität messen und die ersten Effekte der Maßnahmen zur Normalisierung erkennen. "Wir haben den Einfluss der Kontaktbeschränkungen durch Corona auf die Luftqualität gesehen. In einigen Wohngegenden hatte sich die Luftqualität teilweise sehr stark verbessert" , berichtet Robert Heinecke im Gespräch mit Golem.de. " Das nimmt jetzt langsam wieder ab."
Breeze misst in Altona
Heinecke ist Gründer und Chef des Hamburger Unternehmens Breeze Technologies, das eigene Luftmesssensoren entwickelt hat und derzeit im Hamburger Bezirk Altona ein Messnetz testet. Mit rund 35 Sensoren überwacht das Startup ein Gebiet von 14,1 Quadratkilometern. Es sei "das dichteste Luftmessnetz, das wir kennen" . Weitere knapp 20 Sensoren sind über den Rest der Stadt verteilt. Acht davon hat Breeze im Auftrag der Umweltschutzorganisation Naturschutzbund (Nabu) entlang der Elbe installiert, um Schiffsemissionen zu messen.
"Wir erfassen alle wichtigen Parameter der urbanen Luftqualität" , sagt Heinecke und meint damit: Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxide, Feinstaub, Ozon, Ammoniak. Für jeden Parameter, der gemessen wird, gibt es ein dediziertes Sensorelement. Hinzu kommt eine Recheneinheit, die die Daten der Sensoren ausliest, sie kontrolliert und über ein entsprechendes Funkmodul zur Auswertung und Verarbeitung an einen Cloud-Server geschickt.
In Hamburg nutzt Breeze zur Übertragung Mobilfunk und WLAN. Das System beherrscht aber aber auch andere Standards wie Lora . Damit die Daten bei der Übertragung nicht verändert werden können, werden sie verschlüsselt.
Auf dem Server werden die Daten zunächst auf Plausibilität geprüft: Stimmen die Temperaturen mit dem aktuellen Wetterbericht überein? Ist die Luftfeuchtigkeit nicht über 100 Prozent oder nicht unter 0 Prozent? Passen die Werte zu denen anderer Sensoren in der Nähe? Dafür setzt das Unternehmen auch künstliche Intelligenz ein, die Daten nach ungewöhnlichen Mustern durchsucht und mit älteren vergleicht, die in der Datenbank gespeichert sind.
Die Software rechnet Sensorfehler heraus
Die Software korrigiert auch Fehler der Sensoren. Günstigere Sensoren für Stickoxide sind temperaturabhängig: Sie können bei gleicher Stickoxid-Konzentration in der Luft bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Werte liefern. Gibt es ein festes Muster für diese Abweichungen, kann die Software sie herausrechnen.
Einige der Sensoren weisen zudem Querempfindlichkeiten auf: Stickoxid-Sensoren reagieren zum Beispiel auch auf Ozon. Auch das muss herausgerechnet werden. Erst nach diesen Prozeduren werden die Messwerte in der Datenbank abgelegt, können verwendet oder über das Bürgerportal eingesehen(öffnet im neuen Fenster) werden.
"Wir wollen zukünftig flächendeckend in der Lage sein, für jede Straße, für jeden Block im Stadtquartier zu sagen, wie sich dort die Luftqualität über die Zeit entwickelt, um dann intelligente Maßnahmen zur Luftreinhaltung beschließen zu können" , sagt Heinecke. Und das möglichst in Echtzeit: Alle 30 Sekunden senden die Sensorstationen einen Datensatz. "Teilweise messen wir mit den einzelnen Sensorelementen aber noch deutlich häufiger. Wir versuchen, das, was technisch machbar ist, herauszuholen, um so weit wie möglich in Echtzeit zu sein."
Ziel des Projekts ist, den Einfluss der Verkehrsströme auf die lokale Luftqualität in Altona besser kennenzulernen.
Wie dicht muss das Sensornetz von Breeze sein?
Seit einigen Jahren gilt in den Ländern der Europäischen Union ein Grenzwert von 40 Mikrogramm Stickoxide pro Kubikmeter Luft. Diese Stoffe werden unter anderem bei der Verbrennung von fossilen Kraftstoffen freigesetzt. Verbote, bestimmte Straßen mit Dieselfahrzeugen zu befahren, sollen dazu beitragen, diese Werte einzuhalten.
Hamburg hat vor zwei Jahren als erste deutsche Großstadt Dieselfahrverbote erlassen , nachdem die städtischen Messstationen dort zu hohe Stickoxid-Werte angezeigt hatten. Gesperrt sind ein Abschnitt der Max-Brauer-Allee und einer auf der diese kreuzenden Stresemannstraße. Beide Sperrzonen befinden sich in Altona.
Fahrverbote gelten nicht für Anlieger
Allerdings gibt es für die Verbote eine Reihe von Ausnahmen, etwa für Anwohner, Anlieger und Taxis. Zum anderen nehmen die betroffenen Fahrzeuge dann andere Routen, so dass das Problem lediglich verlagert wird. Da die Umwege zum Teil weiter sind, werden möglicherweise sogar noch mehr Schadstoffe emittiert. So genau lässt sich das aber nicht feststellen, da das städtische Messnetz nicht dicht genug ist.
Das will Breeze ändern. Doch wie dicht ein Netz an Sensoren sein muss, um Werte straßen- oder blockgenau zu erfassen, weiß bisher noch niemand. Aktuell arbeitet Breeze mit der Hypothese, dass Sensoren im Abstand von 500 bis 1.000 Meter ausreichen. Dazwischen könnten Werte interpoliert werden. Das reicht aber unter Umständen nicht aus: "Es gibt erste wissenschaftliche Erkenntnisse, dass in stark befahrenen Straßen sogar schon fünf Meter weiter die Luftqualität anders sein kann als am ursprünglichen Messpunkt" , sagt Heinecke.
Ein Ziel des Hamburger Projekts wird deshalb sein, hier mehr Erkenntnisse zu gewinnen. Bisher lässt sich laut Heinecke noch wenig dazu sagen. Ein erstes Fazit will das Unternehmen im Laufe dieses Monats ziehen. Eine Fallstudie soll im Juni erscheinen.
Die Breeze-Sensoren hängen an Balkons
Hier kommt dem Startup zugute, dass die Sensoren deutlich kleiner sind als die der Stadt: Letztere sind große, teure Kästen. Die Breeeze-Sensoren hingegen sind klein und handlich. Sie müssen auch nicht am Straßenrand aufgestellt werden. "Wir haben einen Aufruf gestartet an Bürgerinnen und Bürger, sich als Sensorhosts zu bewerben" , erzählt Heinecke.
Die meisten Sensoren wurden dann auf Balkonen, Terrassen oder in Gärten angebracht. Aber auch einige Geschäfte und Kindergärten wurde zu Sensorhosts. Bei der Aufstellung hätten sie sich an die offiziellen Regeln gehalten, sagt Heinecke.
Es gibt nämlich eine Vorschrift für das Anbringen von Sensoren für die Luftmessung: die 39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes(öffnet im neuen Fenster) (39. BimSchV), die die europäische Richtlinie 2008/50/EG über Luftqualität und saubere Luft(öffnet im neuen Fenster) in deutsches Recht umsetzt.
Darin ist beispielsweise die Höhe festgeschrieben, in der die Sensoren installiert werden müssen: zwischen 1,5 und 4 Metern über dem Boden, in Ausnahmefällen bis 8 Metern. Außerdem müssen 25 Meter Mindestabstand zu verkehrsreichen Kreuzungen eingehalten werden. Eine Messstation darf aber auch nicht mehr als 10 Meter vom Fahrbahnrand entfernt sein.
"Das Neue an unserer Technologie ist, dass wir die ganze Komplexität, wie sie bisher in den grünen Luftmesskästen existierte, in die Software, in die Cloud gesteckt haben. Das heißt: Was heute noch mit pneumatischen Pumpen und eigenen Laborarbeitsplätzen in diesen Containern stattfindet, findet zukünftig mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und Algorithmen in der Cloud statt" , sagt Heinecke. "Das gibt uns die Möglichkeit, die Zahl der Sensoren, die wir installiert haben, zu skalieren und neue Funktionen recht unkompliziert hinzuzufügen." Die Cloud ist Azure von Microsoft .
Was lässt sich nun mit diesen Sensoren anfangen?
Anwendungen für die Messnetze von Breeze
Ein weiterer Vorteil des Breeze-Systems sind die Kosten: Das Geschäftsmodell sieht den Aufbau, die Wartung und den Betrieb von Sensornetzen mit zugehöriger Software vor. Während eine Messstation, wie sie die Stadt Hamburg aufstellt(öffnet im neuen Fenster) , gut und gerne 100.000 Euro und mehr kostet, geht Breeze von Langzeitkosten von 1.000 Euro pro Jahr für einen Sensor aus. Im ersten Jahr, wenn er installiert werden muss, ist es mehr.
Zu kaufen gibt es die Sensoren nicht, da sie nur in einem Messnetz zusammen mit dem Cloud-Dienst nutzbar sind. Wird das Netz nur für ein Projekt eingerichtet, können die Sensoren anschließend eingesammelt und wiederverwendet werden. Durch den Austausch einzelner - veralteter oder kaputter - Komponenten lassen sich die Geräte über einen langen Zeitraum nutzen. "Das hat auch den Charme, dass wir Elektroschrott reduzieren können" , sagt Heinecke.
Verkehrsbeeinflussung in Echtzeit
Mit einem solchen Messnetz könnte die Luftqualität in einer Stadt über die Zeit, aber auch in Echtzeit erfasst werden. Eine Anwendung dafür könnte dynamisches Verkehrsmanagement sein. "Das müssen dann auch nicht immer starre Fahrverbote sein, sondern ein Fahrverbot könnte dynamisch erlassen werden, also nur dann, wenn es von den Grenzwerten her nötig ist" , erläutert Heinecke. "Es könnte wie in London eine Citymaut für bestimmte Stadtgebiete auf Basis der aktuellen Luftmesswerte erhoben werden. Über Ampelanlagen oder eine intelligente Beschilderung könnten Autofahrer über andere Strecken geroutet werden."
Das ist aber nur eine mögliche Anwendung. Eine weitere könnte der Katastrophenschutz sein. Denn ein solches Netzwerk könnte nach einem Brand oder einem Chemieunfall erfassen, wo Gefahr für die Bewohner besteht. Bei zwei Feuern in Hamburg war das der Fall: "Wir waren als einer der Ersten in der Lage zu sagen, in welche Stadtquartiere sich die Verschmutzung ausgebreitet hat - und das mit nur zwei oder drei Sensoren, die wir damals erst im Stadtgebiet installiert hatten" , erzählt Heinecke.
In einem Projekt mit dem US-Heimatschutzministerium will Breeze testen, ob die Sensoren sich auch dazu eignen, Buschfeuer zu detektieren. In den vergangenen Jahren brannten im US-Bundesstaat Kalifornien große Waldflächen ab.
Andere Abnehmer sieht das Unternehmen in der Immobilienbranche: Die Unternehmen könnten gezielt dort bauen, wo die Luftqualität hoch ist. Krankenversicherungen könnten darauf drängen, dass Städte und Unternehmen in Maßnahmen zur Luftreinhaltung investieren, um Gesundheitskosten zu senken. Anbieter von Fitness-Apps könnten mit den Daten ihren Nutzern Laufstrecken anbieten, wo die Luft gerade sehr sauber ist.
Sensoren sollen Umweltsünder identifizieren
Nicht zuletzt könnten die Sensoren auch dazu genutzt werden, Luftverschmutzer zu identifizieren. Dazu könnten beispielsweise die im Auftrag des Nabu an der Elbe installierten Sensoren dienen. Die Schiffsemissionen sind in Hafenstädten wie Hamburg ein Problem : Zwar dürfen Schiffe in den Häfen nur Diesel verbrennen und nicht wie auf hoher See Schweröl.
Doch auch wenn sie festgemacht sind, emittieren die Schiffe Schadstoffe wie Feinstaub, Ruß, Schwefeloxide und Stickoxide, da die Maschinen laufen, um die Bordsysteme mit Strom zu versorgen. Hamburg hat deshalb angefangen, eine Landstromversorgung für Schiffe einzurichten .
Sollte die Nutzung von Landstrom eines Tages verbindlich sein, könnten Sensoren erfassen, ob ein Schiff - und wenn ja, welches - keine Landstromversorgung nutzt. In Marseille wurden 2018 ein englisches Kreuzfahrtunternehmen und einer seiner Kapitäne verurteilt, weil der Kapitän im Hafen Dieselöl mit einem höheren Schwefelanteil als erlaubt verfeuert hatte. "Es gibt viele Möglichkeiten, was man mit diesen Daten alles machen kann" , resümiert Heinecke.
Als Abnehmer sieht Breeze in erster Linie Städte. Projekte gibt es beispielsweise in Hennef bei Bonn oder in Neckarsulm in Baden-Württemberg. Das Projekt in Hamburg ist jedoch Eigeninitiative, also ohne Auftrag der Stadt. Das Unternehmen verhandelt mit weiteren Städten im Land, aber auch im europäischen und asiatischen Ausland. Sie alle haben das Ziel, die Luft- und damit die Lebensqualität zu verbessern. Auch in Zeiten nach dem Corona-Lockdown.