Betrachtung der Feinstaubproblematik in Deutschland

  Marcus Prill  

  Betrachtung der Feinstaubproblematik in Deutschland Seite  I

  INHALTSVERZEICHNIS  

1  EINLEITUNG  1

1.1  AUSGANGSSITUATION  1

1.2  ZIELSETZUNG  1

1.3  AUFBAU DER ARBEIT  2

2  GRUNDBEGRIFFE DER LUFTREINHALTUNG  3

2.1  ZUSAMMENSETZUNG DER LUFT  3

2.2  LUFTVERUNREINIGUNGEN  3

2.3  DEFINITION VON EMISSION UND IMMISSION  4

3  FEINSTAUB PARTICULATE MATTER (PM)  5

3.1  DEFINITION VON FEINSTAUB UND SCHWEBSTAUB  5

3.2  ANTHROPOGENE PARTIKELEMISSIONEN  7

3.3  ENTSTEHUNG DES FEINSTAUBES  10

3.3.1  FEINSTAUB-EMISSIONEN AUS DEM VERKEHR  12

3.3.2  FEINSTAUB-EMISSIONEN AUS DER INDUSTRIE  14

3.4  FEINSTAUBBELASTUNG DURCH PM 2 5 IN DEUTSCHLAND  16

3.5  FEINSTAUBBELASTUNG DURCH PM 10 IN DEUTSCHLAND  18

3.6  TREND DER FEINSTAUBBELASTUNG IN DEUTSCHLAND  20

4  WIRKUNG DES FEINSTAUBES AUF DEN MENSCHEN  21

4.1  DIFFERENZIERUNG DER PARTIKELGRÖßEN BEI GESUNDHEITSEFFEKTEN  21

4.2  EPIDEMIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN ZUR WIRKUNG VON PARTIKELN  23

4.2.1  GEFAHREN DURCH LANGZEITEXPOSITION GEGENÜBER FEINSTAUB  23

4.2.1.1  MORTALITÄT BEI ERWACHSENEN  25

4.2.1.2  MORBIDITÄT DER ATEMWEGE  26

4.2.2  GEFAHREN VON KURZZEITEXPOSITION GEGENÜBER FEINSTAUB  27

4.2.2.1  ATEMWEGSERKRANKUNGEN  28

4.2.2.2  HERZ-KREISLAUF ERKRANKUNGEN  29

4.2.3  VERKÜRZUNG DER LEBENSERWARTUNG DURCH FEINSTAUBBELASTUNG  30

4.3  WIRKUNG VON FEINSTAUB AUF DAS IMMUNSYSTEM UND ALLERGIEN  30

5  MAßNAHMEN ZUR FEINSTAUBREDUZIERUNG  32

5.1  MAßNAHMEN ZUR FEINSTAUBREDUZIERUNG IM STRAßENVERKEHR  32

5.1.1  EINFÜHRUNG VON UMWELTZONEN  33

5.1.1.1  KENNZEICHNUNG VON UMWELTZONEN  35

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5.1.1.2  FEINSTAUBPLAKETTEN  37

5.1.1.3  AUSNAHMEREGELUNG VON FAHRVERBOTEN IN UMWELTZONEN  39

5.1.2  NACHHALTIGER PERSONENVERKEHR  39

5.1.3  NACHHALTIGER GÜTERVERKEHR  40

5.1.4  NACHRÜSTUNG DER FAHRZEUGTECHNIK  41

5.1.5  STRAßENSPERRUNGEN UND DURCHFAHRTSVERBOTE  42

5.1.5.1  ERGEBNISSE EINER STRAßENSPERRUNG  42

5.1.5.2  ERGEBNISSE EINES DURCHFAHRTSVERBOTES  43

5.2  MAßNAHMEN ZUR FEINSTAUBREDUZIERUNG IN DER INDUSTRIE  44

5.2.1  STAUBABSCHEIDUNG  45

5.2.2  STAUBFRAKTIONEN UND ZUSAMMENSETZUNG  46

5.3  MAßNAHMEN ZUR FEINSTAUBREDUZIERUNG IN DER LANDWIRTSCHAFT  46

6  RECHTLICHE GRUNDLAGEN IN BEZUG AUF FEINSTAUB  48

6.1  BUNDESIMMISSIONSSCHUTZGESETZ (BIMSCHG)  48

6.2  BUNDESIMMISSIONSSCHUTZVERORDNUNG (BIMSCHV)  48

6.3  RAHMENRICHTLINIE LUFTQUALITÄT 96 62 EG  49

6.4  EUROPÄISCHE LUFTQUALITÄTSRICHTLINIE 1999 30 EG  50

6.5  RICHTLINIE 2008 50 EG  52

6.6  LUFTREINHALTE- UND AKTIONSPLÄNE  53

6.7  TA LUFT (2002)  53

6.8  CLEAN AIR FOR EUROPE (CAFE)  54

7  FAZIT UND ZUKUNFTSAUSBLICK  56

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  ABBILDUNGSVERZEICHNIS  

  ABBILDUNG 1: NATÜRLICHE ZUSAMMENSETZUNG REINER LUFT  3

  ABBILDUNG 2: TEILCHENGRÖßE (DURCHMESSER IN CM)  6

  ABBILDUNG 3: ANTHROPOGENE PARTIKELEMISSIONEN (MOBILE QUELLEN)  8

  ABBILDUNG 4: ANTHROPOGENE PARTIKELEMISSIONEN (STATIONÄRE FEUERUNGSPROZESSE)  8

  ABBILDUNG 5: ANTHROPOGENE PARTIKELEMISSIONEN (PRODUKTIONSPROZESSE)  9

  ABBILDUNG 6: VERTEILUNG DER PM 10 EMISSION IN DEUTSCHLAND FÜR DAS JAHR 2005  10

  ABBILDUNG 7: VERTEILUNG DER PM 10 EMISSION IN DEUTSCHLAND FÜR DAS JAHR 2020  11

  ABBILDUNG 8: ANNAHMEN FÜR DIE NEUEN GRENZWERTE  11

  ABBILDUNG 9: PM 10 EMISSIONEN IM JAHR 2005 (DEUTSCHLAND)  13

  ABBILDUNG 10: TREND DER PM 10 EMISSIONEN NACH SEKTOREN  15

  ABBILDUNG 11: ÄNDERUNG DER EINZELNEN SEKTOREN VON PM 10 AUF PM 2 5 O. VERKEHR  16

  ABBILDUNG 12: ÄNDERUNG DER EINZELNEN SEKTOREN VON PM 10 AUF PM 2 5 BEIM VERKEHR  17

  ABBILDUNG 13: KONZENTRATIONSBEREICHE VON PM 2 5 AN MESSSTATIONEN (D 2001)  18

  ABBILDUNG 14: KONZENTRATIONSBEREICHE VON PM 10 AN MESSSTATIONEN (D 2001)  19

  ABBILDUNG 15: ANGRIFFSORTE VON PM IN DER LUNGE  22

  ABBILDUNG 16: DER UMWELTZONEN-FAHRPLAN 2008  35

  ABBILDUNG 17: VERKEHRSZEICHEN „BEGINN DER UMWELTZONE“  36

  ABBILDUNG 18: VERKEHRSZEICHEN „ENDE DER UMWELTZONE“  36

  ABBILDUNG 19: VERKEHRSZEICHEN „ZUSATZSCHILD PLAKETTEN“  36

  ABBILDUNG 20: ZUTEILUNGSKRITERIEN DER PLAKETTEN  38

  ABBILDUNG 21: ZUORDNUNG DER SCHLÜSSELNUMMER ZU DER JEWEILIGEN PLAKETTE  38

  ABBILDUNG 22: PM 10 GRENZWERTE DER EU-RICHTLINIE 1999 30 EG (STUFE 1)  51

  ABBILDUNG 23: PM 10 GRENZWERTE DER EU-RICHTLINIE 1999 30 EG (STUFE 2)  52

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ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS  

Abb. Abbildung  

AHSMOG Adventist Health Study of SMOG  

Ar Argon  

AU Abgasuntersuchung  

BImSchG Bundesimmissionsschutzgesetz  

BImSchV Bundesimmissionsschutzverordnung  

BW Baden-Württemberg  

bzgl. bezüglich  

CAFE Clean Air For Europe  

CH 4 Methan (Methylwasserstoff)  

CO Kohlenstoffmonoxid  

CO 2 Kohlenstoffdioxid  

d. h. das heißt  

etc. et cetera (und so weiter; und die übrigen)  

EG Europäische Gemeinschaft  

EU Europäische Union  

EURO 1-6.. EURO-Norm (Abgasnorm): Schadstoffklasse für Kraftfahrzeuge; Festlegung  

von Grenzwerten für Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und  

Partikel  

FEV 1 Forced Expiratory Volume in 1 second (Einsekundenkapazität): ist ein  

dynamischer, zeitabhängiger Messparameter in der Lungenfunktionsdiagnostik  

FVC Forcierte Vitalkapazität: ist die maximale exspiratorische Vitalkapazität in  

einer möglichst kurzen Zeit  

g/m 3  

Gramm pro Kubikzentimeter  

h Stunde (hour)  

H 2 Wasserstoff  

He Helium  

HRV Herzfrequenzvariabilität  

KAT Katalysator  

Kfz Kraftfahrzeug  

Kr Krypton  

KRAD Kraftrad  

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Betrachtung der Feinstaubproblematik in Deutschland Seite V

kt Kilotonnen

LKW Lastkraftwagen

µg/m 3

Mikrogramm pro Kubikmeter

Mikrometer; 10 ^-4 cm

µm

N 2 Stickstoff

Ne Neon

NFZ Nutzfahrzeug

NH 3 Ammoniak

NO 2 Stickstoffmonoxid

NO X Stickstoffoxid (Sammelbezeichnung für die gasförmigen Oxide des Stickstoffs)

NRW Nordrhein-Westfalen

O 2 Sauerstoff

O 3 Ozon

PAH Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAK = Polyzyklische aromatische

Kohlenwasserstoffe)

PEF Peak Expiratory Flow (Maximaler Atemstrom bei der Ausatmung)

PKW Personenkraftwagen

PM Particulate Matter (Feinstaub)

TA Luft Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft

TSP Total Suspended Particulates (Schwebstaub)

u. a. unter anderem / und andere

UNECE United Nations Economic Commission for Europe (Wirtschaftskommission der

Vereinten Nationen für Europa)

usw. und so weiter

VwV Verwaltungsvorschrift

WHO World Health Organization (Weltgesundheitsorganisation)

Xe Xenon

z. B. zum Beispiel

z. T. zum Teil

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1 EINLEITUNG

1.1 AUSGANGSSITUATION

Das Thema „Feinstaub“ ist seit Beginn des Jahres 2005 immer häufiger Auslöser für öffentliche Diskussionen in der Politik, den Medien und der Bevölkerung gewesen. Die Medien berichten regelmäßig über Themen wie Umweltzonen, Überschreitungen der Grenzwerte bei Feinstaub, Straßensperrungen, Durchfahrtsverboten, usw. In der Bevölkerung wurde dadurch eine regelrechte Verunsicherung ausgelöst, da die Kenntnisse über die Entstehung des Feinstaubes, die Wirkung von Feinstaub auf Mensch und Tier, sowie Maßnahmen zur Reduzierung von Feinstaub große Lücken aufweisen.

Trotz der frühzeitigen Einführung von Abgasnachbehandlungstechnologien, Emissions- und Immissionsgrenzwerten und deren laufender Verschärfung besteht insbesondere beim Feinstaub noch weiterer Handlungsbedarf. Das Thema „Feinstaub“ wurde in der Vergangenheit eher als kleineres Problem angesehen. Aufgrund aktueller Messungen, Studien und Untersuchungen wird der Feinstaubproblematik heute eine viele höhere Priorität zugesprochen als noch vor ein paar Jahren.

Jeder in der Bevölkerung kann seinen Teil zur Feinstaubreduzierung beitragen und nicht immer müssen Maßnahmen mit Kosten verbunden sein. Oft sind schon ein gesunder Menschenverstand und nachhaltige Denkweise die ersten Schritte zu einer Minderung von Problemen. Grundlagen dafür sind jedoch fachkundige Informationen. Es ist nur möglich Probleme zu beseitigen, wenn die Ursachen dafür bekannt sind.

1.2 ZIELSETZUNG

Diese Bachelorthesis hat zum Ziel, über die Entstehung und die Problematik des Feinstaubes zu informieren. Dabei soll gezeigt werden, wie und wo der Feinstaub entsteht, welche Auswirkungen Feinstaub auf den Menschen hat und welche Maßnahmen zur Vermeidung bzw. zur Reduzierung des Feinstaubaufkommens sinnvoll erscheinen und auch wirtschaftlich umsetzbar sind. Diese Bachelorthesis dient als Grundlageninformation über Feinstaub und soll zum Nachdenken anregen.

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1.3 AUFBAU DER ARBEIT

Zu Beginn dieser Arbeit wird ein kurzer Überblick der Grundbegriffe der Luftreinhaltung gegeben, um den Sachverhalt von Luftverunreinigungen sowie Emissionen und Immissionen zu verdeutlichen. Im Hauptteil werden die Grundlagen des Feinstaubes sowie seine Entstehung und die Belastung durch den Feinstaub in Deutschland erörtert. Als nächstes wird auf die Wirkung des Feinstaubes auf den Menschen eingegangen, somit sollen die möglichen Gesundheitsrisiken durch die Feinstaubbelastung aufgezeigt werden. Des Weiteren werden Maßnahmen zur Feinstaubreduzierung aus den Bereichen Verkehr, Industrie und Landwirtschaft beschrieben. Im Schlussteil wird noch grob auf die rechtlichen Grundlagen im Zusammenhang mit dem Thema Feinstaub eingegangen.

Marcus Prill

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2 GRUNDBEGRIFFE DER LUFTREINHALTUNG

Das Ziel der Luftreinhaltung ist die nachhaltige Sicherstellung von guter Luftqualität. Die Maßnahmen zur Luftreinhaltung dienen somit gleichzeitig der Vermeidung von Luftverschmutzungen.

2.1 ZUSAMMENSETZUNG DER LUFT

Neben den Spuren anderer Gase wie CO, O 3 , H 2 , CH 4 , NO 2 , NO X und NH 3 ist auch Wasserdampf als variable Komponente vertreten. Chemisch reine Luft wird in natürlicher Umgebung nicht angetroffen, da – auch in so genannten Reinluftgebieten – immer Luftverunreinigungen festzustellen sind. Diese können natürlichen oder anthropogenen ¹ Ursprungs sein. Chemisch reine Luft kann jedoch in definierter Zusammensetzung als „synthetische Luft“ für analytische Zwecke technisch hergestellt werden. ² Die Zusammensetzung natürlicher, reiner Luft geht aus Abbildung 1 hervor:

Abbildung 1: Natürliche Zusammensetzung reiner Luft

2.2 LUFTVERUNREINIGUNGEN

Als Luftverunreinigungen gelten nach der Definition im Bundesimmissionsschutzgesetz alle Veränderungen der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Gase, Aerosole ³ , Dämpfe oder Geruchsstoffe. ⁴ Es ist deutlich, dass

¹ anthropogen: bezeichnet alles was vom Menschen beeinflusst, verursacht oder hergestellt wird

² Vgl. Bank, Matthias (2000), S. 437

³ Aerosole: feinste in der Luft verteilte Partikel oder auch Flüssigkeitströpfchen

⁴ Vgl. Bundes-Immissionsschutzgesetz (2002) § 3, S. 4f

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Luftverschmutzung ein Teil des globalen Zusammenhangs zwischen Bevölkerungswachstum, Umweltverschmutzung und Ressourcenverknappung ist. 5

2.3 DEFINITION VON EMISSION UND IMMISSION

Als Emission wird alles das bezeichnet, was der Verursacher einer Verunreinigung auswirft. Den Verursacher nennt man demzufolge auch Emittent. Somit sind Emissionen, die von einer Anlage ausgehenden Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen und ähnliche Erscheinungen. Vom Verursacher aus gelangt die Emission anschließend durch Schadstoffausbreitung, -verteilung und -verdünnung (Transmission) als Immission zum Empfänger, also zum Menschen, zum Tier, zur Vegetation, usw. Schädliche Umwelteinwirkungen sind Immissionen, die nach Art, Ausmaß oder Dauer geeignet sind, Gefahren, erhebliche Nacheile oder erhebliche Belästigungen für die Allgemeinheit oder die Nachbarschaft herbeizuführen. Immissionen sind auf Menschen, Tiere und Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre sowie Kultur- und sonstige Sachgüter einwirkende Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen und ähnliche Umwelteinwirkungen. 6

Im Gegensatz zur Emissionsmessung liefert die Immissionsmessung keine Mittelwerte über ein ganzes Land sondern örtlich/punktuell gemessene Werte. Die Emissionswerte in kt pro Jahr und Land sind das Resultat einer Berechnung. Im Gegensatz dazu sind die Immissionswerte von Messungen in µg/m ³ zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. 7

⁵ Vgl. Möller, Detlev (2003), S. 537f

⁶ Vgl. Bank, Matthias (2000), S. 439

⁷ Vgl. Haus der Technik Fachbuch (2007), Bd. 72, S. 152

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3 FEINSTAUB – PARTICULATE MATTER (PM)

Wie oft fälschlicherweise behauptet, ist Feinstaub nicht gleich Russ. Feinstaub besteht aus einem komplexen und heterogenen Gemisch fester und flüssiger Teilchen mit unterschiedlichster stofflicher Zusammensetzung. ⁸ Feinstaubkonzentrationen werden in Mikrogramm pro Kubikmeter Luft [µg/m ³ ] angegeben. Die internationale Abkürzung für Feinstaub lautet PM (Particulate Matter). 9

3.1 DEFINITION VON FEINSTAUB UND SCHWEBSTAUB

Mit dem Begriff Feinstaub - PM 10 werden Teilchen bezeichnet, welche einen größenselektierten Lufteinlass passieren, der bei einem aerodynamischen Durchmesser von 10 µm einen Abscheidegrad von 50 % aufweist. Der aerodynamische Durchmesser eines Teilchens beliebiger Form, chemischer Zusammensetzung und Dichte ist gleich dem Durchmesser einer Kugel mit der Dichte ein Gramm pro Kubikzentimeter (1 g/cm ³ ), welche in ruhender oder wirbelfrei strömender Luft dieselbe Sinkgeschwindigkeit hat wie das betrachtete Teilchen.

Es gibt Partikel, welche auf direkte Art und Weise von ihren Verursachern emittiert werden (so genannte Primärpartikel) und solche die durch Luftchemie aus gasförmigen Substanzen gebildet werden (so genannte Sekundärpartikel). Diese so genannten sekundär gebildeten Partikel sind derzeit Inhalt zahlreicher Studien, in denen versucht wird quantitative Größenordnungen abzuschätzen und vor allem eine verursachergerechte Zuordnung zu erreichen. ¹⁰ Grob kann man partikel- und gasförmige Luftverunreinigungen voneinander unterscheiden, wobei Partikel sowohl fest als auch flüssig sein können.

Innerhalb der partikelförmigen Luftverunreinigungen wird nach Größe unterschieden:

a) Grobstaub (10 bis 200 µm): Technisch relativ einfach zu beseitigen, eher ärgerlich als gesundheitlich relevant, und er sedimentiert ¹¹ freiwillig aus der Luft.

b) Feinstaub (1 bis 10 µm): Technisch mit abnehmender Größe immer schwieriger zu beseitigen, gesundheitlich relevant, da ab ca. 10 µm Lungengängigkeit auch bei intakten Atemwegen angenommen werden kann. Eine Sedimentation aus der Luft erfolgt nicht oder nur sehr langsam.

⁸ Vgl. Haus der Technik Fachbuch (2007), Bd. 72, S. 145

⁹ PM: Particulate Matter – Feinstaub

¹⁰ Vgl. Haus der Technik Fachbuch (2007), Bd. 72, S. 145f

¹¹ sedimentiert: Das Absetzen von Teilchen aus Gasen oder Flüssigkeiten unter dem Einfluss der Schwerkraft

Marcus Prill

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c) Aerosole (kleiner als 1 µm): Aerosole, auch Feinststäube genannt, sind feinste in der Luft verteilte Partikel oder auch Flüssigkeitströpfchen; technisch am schwierigsten zu beherrschen. 12

Die Abbildung 2 gibt einen Überblick der unterschiedlichen Teilchengrößen.

Abbildung 2: Teilchengröße (Durchmesser in cm)

Feste oder flüssige Schwebstoffe, die in Gasen suspendiert ¹³ sind, bezeichnet man auch als Schwebstaub. Es werden dabei folgende Definitionen verwendet:

S Der Schwebstaub (total suspended particulates, TSP) ist die Aerosolkomponente der in der Luft vorhandenen Partikel bis zu einem oberen aerodynamischen Durchmesser von rund 30 µm.

¹² Vgl. Bank, Matthias (2000), S. 437f

¹³ suspendiert: mit Gasen verbunden oder in Gasen vorhanden

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S Der thorakale Schwebstaub (thoracic particulates, PM 10 ) umfasst Partikel, die einen größenselektierten Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 10 µm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % aufweist.

S Der alveolengängige Schwebstaub (respirable particulates, PM 2,5 ) umfasst Partikel, die einen größenselektierten Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen Durchmesser von 2,5 µm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % aufweist. S Die ultrafeinen Partikel umfassen Teilchen mit < 0,1 µm thermodynamischen Durchmesser. 14

Feinstaub ist somit ein Teil der Gruppe von Schwebstäuben. Der Feinstaub mit der Bezeichnung PM 10 kann somit auch dem thorakalen Schwebstaub zugeordnet werden.

3.2

ANTHROPOGENE PARTIKELEMISSIONEN

Die anthropogen verursachten Emissionen zu denen auch der Feinstaub zählt, werden üblicherweise in vier Quellgruppen unterschieden:

N Straßenverkehr mit einer niedrigen Ableitungshöhe ¹⁵ (kleiner 0,5 m) als mobile Quelle bzgl. des einzelnen Fahrzeugs bzw. als Linienquelle bzgl. stark befahrener Straßen (Flugverkehr ist gesondert zu betrachten),

N Haushalte und Kleingewerbe mit einer mittleren Ableitungshöhe (10 bis 20 m) als stationäre Flächenquelle,

N Industrie mit einer mittleren Ableitungshöhe (kleiner 50 m) als stationäre Punkt- oder Flächenquelle,

N Kraftwerke zur Energieerzeugung mit einer Ableitungshöhe (größer 50 m) als stationäre Punktquelle. 16

Die anthropogenen Partikelemissionen wurden für das Jahr 2000 in Deutschland zu S 506 kt Gesamtstaub,

S 248 kt PM 10 und

S 147 kt PM 2,5

quantifiziert (einschließlich der Aufwirbelungen von Straßenstaub durch Fahrzeuge).

¹⁴ Vgl. DIN Deutsches Institut für Normung e. V. / KRdL Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN, Hg. (2006), S. 17

¹⁵ Ableitungshöhe: Die Höhe der Emissionsquelle. Diese Höhe kann etwa durch Schornsteine erhöht werden

¹⁶ Vgl. Bank, Matthias (2000), S. 473

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Bei den PM 10 -Emissionen lag der Anteil stationärer Quellen bei 60 %, bei den PM 2,5 -Emissionen bei 55 %. ¹⁷ Die Abbildungen 3 bis 5 zeigen Beispiele für Quellgruppen der

anthropogenen Partikelemissionen. Die Abbildung 3 beinhaltet die mobilen Quellen, also die Quellen, die nicht stationär aufgestellt sind.

Abbildung 3: Anthropogene Partikelemissionen (Mobile Quellen)

Die Abbildung 4 zeigt die stationären Feuerungsprozesse, also die Quellen, die stationär aufgestellt sind und die den Feuerungsprozessen zugeordnet werden können.

Abbildung 4: Anthropogene Partikelemissionen (Stationäre Feuerungsprozesse)

¹⁷ Vgl. Haus der Technik Fachbuch (2007), Bd. 72, S. 31