Photokatalyse zur Luftreinigung in einem Verkehrstunnel in Brüssel

Acht Partner aus fünf verschiedenen europäischen Ländern nahmen an dem Projekt teil, bei dem die Photokatalyse im Labor, in größeren Simulationskammern und in Feldversuchen untersucht wurde.

Als Teil der Studie fand von Juni 2011 bis Januar 2013 eine umfangreiche, dreistufige Messkampagne im Leopold-II-Tunnel in Brüssel statt. Eine photokatalytische Zementbe­schichtung wurde an den Seitenwänden und der Decke der Tunnelröhre auf einer Länge von 80 bzw. 160 Metern angebracht, die in Richtung Stadtzentrum führt. Das luftreinigende Material wurde von einem extra installierten UV-Lampensystem aktiviert.

Mögliche Vorteile der photokatalytischen Luftreinigung in Tunneln sind saubere Luft zum Atmen für die Autofahrer, mögliche Kostenreduktionen bei der Tunnelbelüftung sowie eine Verbesserung der Luftqualität am Tunnelausgang bzw. an den Lüftungsausgängen. Während der Feldkampagne wurde die Wirkung der photokatalytischen Beschichtung auf die Luftverschmutzung (einschließlich NOx, VOC, Feinstaub, CO, etc.) innerhalb des Tunnelabschnitts intensiv untersucht.

Das PhotoPAQ-Konsortium installierte dazu für jeweils mehrere Wochen eine große Anzahl modernster Messgeräte, um den Grad der Verschmutzung im Tunnel mit und ohne Spezialbeschichtung vergleichen zu können.

Hauptergebnisse

Im Gegensatz zu ersten Abschätzungen aus den Laborversuchen, zeigten die Ergebnisse im Tunnel keine deutliche Reduktion der Schadstoffe. Zum Beispiel lag die Reduktion von Stickoxiden (NOx, eine wichtige Schadstoffklasse aus dem Straßenverkehr) unter den statistischen Unsicherheiten des Experimentes von zwei Prozent.

Als eine Ursache wurde die starke Deaktivierung des photokatalytischen Materials innerhalb des verkehrsreichen und stark verschmutzen Leopold-II-Tunnels identifiziert. Außerdem lag die tatsächliche Beleuchtungsstärke mit nur zwei Watt UV-A-Strahlung pro Quadratmeter unter dem angestrebten Wert von vier Watt pro Quadratmeter, was zu einer geringen Aktivierung und photokatalytischen Aktivität des eingesetzten Materials führte. Ein anderer negativer Effekt war die hohe Windgeschwindigkeit von bis zu fünf Metern pro Sekunde innerhalb des Tunnels, die die Kontaktzeit zwischen den Schadstoffen und der photokatalytischen Tunneloberfläche begrenzte. Und schließlich herrschte im Januar 2013 sehr kaltes und feuchtes Wetter mit Luftfeuchtigkeiten von 70 bis 90 Prozent, was ebenfalls die Aktivität des photokatalytischen Materials reduzierte. Alle diese Probleme führten unter den schwierigen Bedingungen im Tunnel zu geringeren Schadstoffreduktionen, die nur ein Zehntel der ursprünglichen Abschätzungen erreichten.

Trotzdem gelang es dem PhotoPAQ-Konsortium durch die gewonnenen Erkenntnisse aus den Feld- und Laborversuchen anhand von Simulationen die maximal mögliche Schadstoffminderung zu ermitteln.

Diese Berechnungen zeigen, dass im Idealfall die Reduktion der NOx-Konzentrationen vier Prozent im 160 Meter langen Untersuchungsabschnitt und zwölf Prozent im ganzen zwei Kilometer langen Tunnel betragen hätte. Diese Werte stellen allerdings Maximalwerte der photokatalytischen Luftreinhaltung unter optimalen Bedingungen dar, bei denen die UV-Bestrahlungsstärke deutlich über vier Watt pro Quadratmeter und die relative Luftfeuchtigkeit unter 50 Prozent liegen sollte. Zudem müssten zur Verhinderung der Deaktivierung der photokatalytischen Tunneloberfläche geringe Schadstoffbelastungen vorliegen.

Ausblick:
Die PhotoPAQ-Messkampagne im Brüsseler Leopold-II-Tunnel erwies sich als ein einzigartiges Experiment zur umfassenden Beurteilung der Wirkung von photokatalytischen Baumaterialien auf die Luftverschmutzung in einem Tunnel. Die umfangreichen Messdaten und Modellierungen ermöglichen es, die Schadstoffreduzierungen durch photokatalytische Materialien in anderen Tunneln abzuschätzen. Diese Methode kann auch von Nicht-Experten genutzt werden. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler Empfehlungen für die optimale Verwendung dieser innovativen, photokatalytischen Materialien geben, wie zum Beispiel:
Optimierung der photokatalytischen Beschichtung mit geringer Oberflächenrauigkeit zur Unterdrückung der Staubanlagerung
hohe UV-Beleuchtungsstärke (möglichst ≥10 Watt pro Quadratmeter) und geringe relative Luftfeuchtigkeit der Tunnelluft (möglichst eine hohe photokatalytische Aktivität des Materials
niedrige Windgeschwindigkeiten im Tunnel, um die Reaktionszeiten der Schadstoffe zu erhöhen

möglichst kleine Tunnelquerschnitte zur Verbesserung des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses.

Das PhotoPAQ-Konsortium dankt der Europäischen Kommission für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Programms LIFE+ sowie dem Ministerium der Hauptstadtregion Brüssel für dessen Unterstützung und Beteiligung an der Messkampagne.

Link:
http://photopaq.ircelyon.univ-lyon1.fr/
Video (5:45min):
http://photopaq.ircelyon.univ-lyon1.fr/PhotoPAQ-campaigns/Indoor-campaign
Weitere Informationen:
en+fr:
Dr. Christian George, PhotoPAQ-Koordinator
Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (IRCELYON)
Tel: +33-(0)472 431 489
http://cacgp.chemistry.uoc.gr/cvs_cacgp_07/Christian_George_CV_new.htm
de:
PD Dr. Jörg Kleffmann
Bergische Universität Wuppertal
Tel. +49-(0)202-439-3534
http://www.ptc.uni-wuppertal.de/team/dozenten/privdoz-joerg-kleffmann.html
und
Prof. Dr. Hartmut Herrmann
Leibniiz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Tel. +49-(0)341-2717-7024
http://www.tropos.de/info/herrmann_h.pdf