Luft nach oben

Der Streit über die Interpretation der Messergebnisse während der Lockdowns zeigt exemplarisch, in welches Wespennest man sticht, wenn man sich auf das Gebiet der Luftreinhaltung wagt. Fakt ist zunächst, dass die Jahresmittelwerte für Stickstoffdioxid in Deutschland stetig zurückgehen. Lagen die Werte vor 2010 bei verkehrsnahen Messstationen in den Städten bei 45 bis 50 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft, so betrugen sie 2020 und 2021 nur noch 30 Mikrogramm. Das heißt, dass der in der EU gültige Grenzwert von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter inzwischen nur noch von ein bis zwei Prozent der Messstationen überschritten wird, während es 2010 noch rund 75 Prozent waren. „Die Gründe für diesen Rückgang sind vor allem der Ersatz von alten Dieselfahrzeugen durch solche, die neuere Abgasnormen erfüllen, und auch die Software-Updates für viele Dieselautos“, sagt Wegener.

Feinstaubfresser an Straßen

Zu den Straßen, an denen es Probleme gibt, die Grenzwerte einzuhalten, gehört der Verkehrsknotenpunkt „Am Neckartor“ in Stuttgart, den täglich rund 80.000 Fahrzeuge durchfahren. Um Fahrverbote zu vermeiden, setzt man dort seit 2019 auf Filtersäulen, entwickelt vom Unternehmen Mann und Hummel aus Ludwigsburg. Verschmutzte Luft wird hindurchgesaugt, dabei binden die Säulen durchschnittlich 80 Prozent des Stickstoffdioxids (NO2), das in der Luft enthalten ist, und zudem Feinstaub. NO2 wird mittels Aktivkohle abgetrennt – eine Kohle, die aufgrund unzähliger feiner Poren und Kanäle eine riesige innere Oberfläche besitzt, an der sich die Gasmoleküle anlagern. Der Feinstaub bleibt dagegen im Kunstfaser-Material hängen.

23 dieser Kombifilter-Säulen, jede mit einem Gewicht von rund 1000 Kilogramm, stehen auf einer Strecke von nur 300 Metern Länge. Jede Säule reinigt pro Stunde mehr als 16.500 Kubikmeter Luft – das entspricht dem täglichen Luftverbrauch von rund 30.000 Menschen. Dafür ist eine elektrische Leistung von rund 1500 Watt erforderlich. Die Luftschadstoffe belegen nach und nach die freien Bindungsplätze in den Filtermaterialien, sodass diejenigen für Stickstoffdioxid alle vier bis sechs Wochen ausgetauscht werden müssen.

Ein Projektbericht von Mann und Hummel dokumentiert die Ergebnisse von mehrmonatigen Messungen, bei denen die Kombifilter-Säulen im Jahr 2019 periodisch ein- und ausgeschaltet wurden. Demnach ging die NO2-Konzentration an der offiziellen Messstation der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg durchschnittlich um rund neun Prozent zurück. Die Konzentration von Feinstaub der Partikelgröße bis zehn Mikrometer (PM10) reduzierte sich um knapp sieben Prozent.

©bdw-Grafik/Karl Marx; Quelle: UBA

„Es muss also ein enorm hoher Aufwand betrieben werden, um die Schadstoff-Konzentrationen in einem kleinen Areal ein wenig zu senken“, urteilt der Jülicher Experte Wegener. Für die Schadstoffbelastung der Anwohner einige Meter von der sechsspurigen Straße entfernt brächten solche Filteranlagen wenig. „Es geht nur darum, nicht wegen Grenzwert-Überschreitungen wichtige Verkehrsadern lahmlegen zu müssen oder noch viel teurere bauliche Maßnahmen ergreifen zu müssen.“

Jan-Eric Raschke, Director Public Affairs bei Mann und Hummel, drückt es anders aus: „Wir haben die Filtersäulen immer schon als Brückentechnologie kommuniziert, die so lange zum Einsatz kommt, bis die Luftreinhaltungspläne der Städte greifen.“ Filtersäulen stehen derzeit in Stuttgart noch an zwei weiteren Straßen, außerdem in Heilbronn, Ludwigsburg und München.

Da inzwischen nur noch wenige deutsche Messstationen den EU-Jahresmittelgrenzwert für NO2 überschreiten, erscheint das Geschäftsmodell der Filterspezialisten bald auszulaufen. Allerdings: Der Wert, den die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt, liegt mit nur 10 Mikrogramm pro Kubikmeter erheblich unter dem der EU. „Den strengeren WHO-Richtwert für den NO2-Jahresmittelwert hielten 78 Prozent aller Stationen nicht ein“, heißt es im Bericht Luftqualität 2021 des Umweltbundesamtes. Die deutschen Stationen, die mit einem Grenzwert von 10 Mikrogramm pro Kubikmeter keine Probleme hätten, lägen alle auf dem Land. Justiert die EU den NO2-Grenzwert künftig nach, könnte dies Filtersäulenherstellern wieder neuen Zulauf bescheren. Beratungen und Absprachen dazu laufen aktuell.

In mancher Hinsicht ist die Situation beim Feinstaub ähnlich: Auch dort ist der Richtwert der WHO deutlich strenger als der gültige EU-Grenzwert. 2021 hielten 33 Prozent der deutschen Messstationen den WHO-Wert nicht ein. Dagegen überschritt keine den EU-Grenzwert. Weil das schon seit 2018 der Fall ist, rüstete Mann und Hummel seine ursprünglich gebauten Feinstaubsäulen zu NO2-Feinstaub-Kombifiltern auf.

Auf Mission für saubere Luft

Es ist nicht das erste Unternehmen, das Anlagen zur Reinigung von Stadtluft entwickelt hat. Vorreiter war der niederländische Designer Daan Roosegaarde. Er und sein Team stellten 2015 in einem Park in Rotterdam den „Smog Free Tower“ auf: eine sieben Meter hohe Aluminiumkonstruktion, die stündlich Feinstaub aus rund 30.000 Kubikmeter Luft bindet. Der Turm arbeitet nach einem anderen Prinzip als die Säulen aus Baden-Württemberg: Er lädt die eingesaugte Luft mit positiv geladenen Ionen auf, die er mittels Hochspannung erzeugt. Diese Ionen ballen sich mit Feinstaub aufgrund elektrostatischer Anziehung zu größeren Partikeln zusammen, die zu Boden sinken. Laut Studio Roosegaarde reduziert der Smog Free Tower auf freiem Feld und bei ruhigem Wetter in einem Umkreis von 20 Metern bis zu 45 Prozent der PM10-Konzentration – eine Angabe, die allerdings nie wissenschaftlich publiziert wurde.

Mit dem Turm gingen Daan Roosegaarde und sein Team später auf Tournee, unter anderem in China. „Wir sind auf einer Mission für saubere Luft“, so Roosegaarde. Das macht deutlich, dass er mit seinem Turm andere Ziele verfolgt als etwa Mann und Hummel: Er will auf das Problem der verschmutzten Luft aufmerksam machen und sieht den Turm als Teil eines „Smog Free Project“, zu dem auch Workshops etwa für die Industrie, Politiker oder Studenten gehören.

Wenn der Smog Free Tower nicht in Parks, „sondern in halb geschlossenen oder geschlossenen Höfen eingesetzt wird, können die positiven Auswirkungen viel größer sein“, zitiert das Studio Roosegaarde Bert Blocken, Professor an der Technischen Universität Eindhoven. Weil große Luftreiniger in Räumlichkeiten mit geringem Luftaustausch eine größere Wirkung entfalten als im Freien, peilt auch Mann und Hummel ein neues Einsatzgebiet für seine Filtersäulen an: U-Bahnhöfe. „Dort tritt durch Reifen- und Schienenabrieb Feinstaub in Konzentrationen auf, die bis zu zehnmal so hoch sind wie an verkehrsreichen Straßen“, so Raschke. Derzeit führt das Unternehmen entsprechende Pilotprojekte mit Feinstaub-Filtersäulen in Paris und Lyon durch.

Sparsame Moosfilter

Allen technischen Filtern gemeinsam ist, dass sie Energie verbrauchen und nicht geräuschlos arbeiten. Da ist es eine verführerische Idee, stattdessen auf die natürliche Filterwirkung etwa von Moos zu setzen. Denn Moose nehmen Nährstoffe nicht wie höhere Pflanzen über Wurzeln auf, sondern über ihre elektrostatisch aufgeladene Oberfläche, die somit auch Feinstaub und Luftschadstoffe anzieht. Doch während sich bei Laborversuchen die Feinstaubkonzentrationen in der Umgebung von Moos verringerten, funktionierte dies im realen Einsatz nicht: Nach dem Aufstellen einer 100 Meter langen und 3 Meter hohen Mooswand im Frühjahr 2017 am Neckartor in Stuttgart sanken die Werte nicht, ebenso wenig wie die Stickoxid-Konzentration. Dieses ernüchternde Ergebnis ist sicher auch darauf zurückzuführen, dass die verschiedenen Moosarten auf der senkrechten Wand zum Teil verdorrten – trotz spezieller Bewässerung und einer eigens angebrachten Beschattung. Im Sommer 2018 wurde die Wand wieder demontiert.

Die Green City Solutions GmbH aus Bestensee, Brandenburg, baut ihr Geschäft trotzdem auf Moosfiltern auf. Allerdings sind die Moosflächen in einen drei Meter hohen Holzturm integriert, der mit Sensoren, Ventilatoren und einem Bewässerungssystem ausgestattet wird. Die „Kombination aus Stadtmöbel und Biofilter“, so die Herstellerfirma, verbraucht somit wie die physikalisch-chemischen Luftfilter Energie, allerdings mit rund 100 Watt elektrischer Leistung recht wenig. Dafür filtere der „CityTree“ Luft in einer Menge, die dem Atemvolumen von rund 10.000 Menschen entspricht.

Das Unternehmen wirbt weiter damit, dass sich die Feinstaubbelastung in der direkten Umgebung des Moosfilters um bis zu 82 Prozent verringere, und verweist auf entsprechende Untersuchungen des TROPOS. „Diese Angabe stammt nicht von uns“, sagt hingegen Maik Merkel vom TROPOS. „Bei unseren Messungen, die wir Ende 2019 und Anfang 2020 in einer 5000 Quadratmeter großen Halle durchgeführt haben, konnten wir – bezogen auf die Anzahlkonzentration von Partikeln kleiner als ein Mikrometer – eine Verringerung um 30 Prozent in einem Meter Entfernung vom CityTree feststellen.“

Das Team um Merkel führte auch Messungen auf dem Walter-Benjamin-Platz in Berlin durch, als dort sechs CityTrees aufgestellt waren. Der Platz ist 100 mal 30 Meter groß, auf drei Seiten von 20 bis 30 Meter hohen Gebäuden umgeben und auf der westlichen Seite von einer verkehrsreichen Straße begrenzt. Das Ergebnis laut öffentlichem Abschlussbericht: „Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten und der passenden Richtung konnten die Anzahlkonzentrationen um 10 bis 30 Prozent in der Clean Air Zone gemindert werden.“ Doch ob sich solche Zonen gesäuberter Luft ausbilden, liegt am Wetter. Merkel: „Es war schwer, die Ergebnisse aus den Messungen in der Halle unter in der Stadt herrschenden Bedingungen zu reproduzieren.“

Rund 40 CityTrees sind derzeit nach Unternehmensangaben in Europa im Einsatz, aufgestellt unter anderem von Konzernen. Die Werbewirkung der mindestens 36.500 Euro teuren „Frischluft-Haltestellen“, so die Bezeichnung der Telekom, spielt dabei sicher eine Rolle.

Forschende verfolgen noch eine andere Idee, um die Schadstoffbelastung in Städten zu reduzieren: den Einsatz von Materialien, die bei Einstrahlung von Sonnen- oder UV-Licht eine schnelle Umwandlung unter anderem von Stickoxiden und Ozon fördern. Schon lange etwa ist bekannt, dass Titandioxid als Photokatalysator Reaktionen beschleunigen kann, bei denen diese Luftschadstoffe abgebaut werden. Die Industrie setzt Titandioxid vielfältig als Weißpigment ein: etwa in Farben, Lacken, Kunststoffen und Sonnenschutzmitteln. Da liegt es nahe, Beton oder Asphalt für Gebäude oder Straßen mit einer titandioxidhaltigen Anti-Schadstoff-Beschichtung auszurüsten.

Entsprechende Versuche haben bislang allerdings keine überzeugenden Ergebnisse geliefert. So stellten die Partner des EU-Projekts PhotoPAQ keine Schadstoffminderung in einem Brüsseler Tunnel fest, an dessen Decke und Seitenwänden eine photokatalytische Betonbeschichtung mit UV-Licht bestrahlt wurde. Skandinavische Forschende berichten über Messungen auf einer Straße in Kopenhagen, deren Gehsteige aus Betonsteinen mit einer titandioxidhaltigen Oberfläche bestanden: Während der Sommermonate war dort die Konzentration an Stickstoffmonoxid tagsüber um durchschnittlich 22 Prozent niedriger als im benachbarten herkömmlich gebauten Straßenabschnitt. Die Konzentrationen an Stickstoffdioxid, das als deutlich gesundheitsschädlicher gilt, unterschied sich dagegen in den beiden Vergleichsabschnitten der Straße kaum.

Textilfassaden gegen Stickoxide

Der Architekt Jan Serode von der Rheinisch-Westfälischen Hochschule Aachen hat kürzlich einen weiteren Versuch gestartet, mit Titandioxid Luftschadstoffe zu reduzieren: Riesige feinmaschige Netze aus Fasern, die das photokatalytische Material enthalten, sollen als Gebäudefassade dienen, also Häuser nahezu vollständig umhüllen. Vom Februar 2020 bis zum Dezember 2021 war der Prototyp einer solchen Textilplane im Einsatz: 16,5 Meter hoch und 4,8 Meter breit, angebracht an der Außenseite eines Hamburger Bürogebäudes. Dieser Prototyp reduzierte die Stickoxid-Belastung in der Umgebung der Fassade durchschnittlich um ein Drittel.

„Dieses ermutigende Ergebnis ist sicher unter anderem darauf zurückzuführen, dass eine solche Textilfassade aufgrund ihrer Netzstruktur eine sehr große Oberfläche hat und dass das Titandioxid in Form von Nanoteilchen vorliegt, die katalytisch besonders aktiv sind“, sagt Franz Rohrer vom Institut für Troposphäre des Forschungszentrums Jülich. Zusammen mit Kollegen von der RWTH Aachen wird er in den nächsten Monaten die Außenwirkung einer solchen textilen Fassade noch genauer untersuchen. Der Name der Stiftung, die das Vorhaben fördert, könnte für alle Bemühungen stehen, Luftschadstoffe zu verringern, um so die Gesundheit der Menschen zu schützen: „Lebendige Stadt“.