Miikroskalige Ausbreitungsrechnungen zur Untersuchung des Ausbreitungsverfahrens von Schiffsabgasfahnen mit dem Modell PALM

Die Konzentration von Schadstoffen in der Luft wird durch viele verschiedene Quellen wie Straßenverkehr, Industrie, Heizungsanlagen und Landwirtschaft geprägt. Im Umfeld von Wasserstraßen kann auch die Schifffahrt zur Gesamtluftschadstoffbelastung beitragen. Aus routinemäßigen Messungen der Luftqualität lässt sich der Beitrag der Schifffahrt im Umfeld einer Wasserstraße jedoch nicht ableiten. Mit dem Ziel, den Beitrag der Binnenschifffahrt an der Gesamtluftschadstoffbelastung von den Beiträgen anderer Emissionsquellen abzugrenzen und zu ermitteln, läuft derzeit das dreijährige F&E-Projekt „Bestimmung der gas- und partikelförmigen binnenschifffahrtsbedingten Luftschadstoffbelastungen an deutschen Bundeswasserstraßen“ (Akronym: RAUCH) in der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG). Im Rahmen dieses Projektes, das am 31.12.2023 endet, wird die Luftschadstoff-Zusatzbelastung durch den Schiffsverkehr auf Binnenwasserstraßen an exemplarischen Orten durch Messungen und mikroskalige Ausbreitungsmodellierungen ermittelt. Mithilfe der Modellsimulationen soll zudem das Verständnis über das Ausbreitungsverhalten von Abgasfahnen fahrender Binnenschiffe erweitert werden. Es soll untersucht werden, inwieweit Menschen am Ufer einer schifffahrtsbedingten Luftschadstoffbelastung bei verschiedenen Ausbreitungsbedingungen, die vor allem durch Windrichtung, Windgeschwindigkeit und die thermische Schichtung der bodennahen Atmosphäre bestimmt werden, ausgesetzt sind. Diese Informationen sind für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) und das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) von Bedeutung, um bei Anfragen und Planungsverfahren zu schiffsbedingten Luftschadstoffbelastungen mit stichhaltigen Informationen aufwarten zu können. Zur Modellierung der schifffahrtsbedingten Luftschadstoffkonzentrationen in Bodennähe wurde im Rahmen des Projektes bereits das Modell AUSTAL eingesetzt. Dieses Modell erfüllt die Vorgaben der TA Luft und ist für Immissionsprognosen in Genehmigungsverfahren von technischen Anlagen entwickelt worden. Für die Modellierung schifffahrtsbedingter Luftschadstoffimmissionen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung unter Berücksichtigung des Ausbreitungsverhaltens der einzelnen Abgasfahnen fahrender Schiffe ist es nicht geeignet. Deshalb sind im F&E-Projekt RAUCH auch Modellierungen mit dem hochaufgelösten Modell PALM (Parallelized Large-Eddy Simulation Model), das an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wurde, erfolgt. Das Modell kann nicht nur mittlere Zustände, sondern auch konkrete Ausbreitungsbedingungen realitätsnah simulieren. Es wurde dazu benutzt, die räumlichen Dispersionsmuster von Schiffsabgasfahnen bei verschiedenen Szenarien, die sich hinsichtlich der Wassertemperatur, der Windrichtung und der Stabilität der bodennahen Atmosphäre unterscheiden, zu untersuchen. Darauf aufbauend sind weitere Untersuchungen von wissenschaftlichem Interesse, insbesondere weil für eine Messstelle Emissionsdaten eines vorbeifahrenden Schiffes vorliegen. Im F&E-Projekt RAUCH wurden mehrere mehrmonatige Messkampagnen in den Jahren 2021 bis 2023 in Worms an der Nibelungenbrücke über der Fahrrinne des Rheins sowie am westlichen Ufer südlich der Brücke und am Dortmund-Ems-Kanal (DEK) auf der Insel zwischen den beiden Trögen der Kanalbrücke Lippe Neue Fahrt durchgeführt, wobei Luftschadstoffkonzentrationen mit hoher Präzision und hoher zeitlicher Auflösung gemessen wurden. Es liegen umfangreiche Messdaten für Stickoxide (NO2, NO), Kohlendioxid (CO2), Feinstaub (PM2,5 und PM10), Ultrafeinstaub (Durchmesser < 100 nm) und Ruß vor. Je nach vorherrschender Windrichtung sind kurzzeitige Konzentrationsspitzen durch Schiffsabgasfahnen in den Messdaten gut sichtbar. Zusätzlich liegen gemessene Emissionsdaten für das Untersuchungsgebiet am DEK vor. Um einen Vergleich zwischen Modellsimulationen und Messdaten zu ermöglichen, sollen die Ausbreitungsmodellierungen für das Umfeld der BfG-Messstellen in Worms und am DEK durchgeführt werden. Die zu erbringende Leistung ist in zwei Arbeitspakete aufgeteilt: 1. Vorbereitungen zur Durchführung der Modellrechnungen 2. Durchführung von Simulationen der Ausbreitung von Schiffsabgasfahnen Die ausführliche Beschreibung der zu erledigenden Aufgaben entnehmen Sie bitte der Leistungsbeschreibung.