AirQuality Projekt zur hyperlokalen Luftqualität in Aachen mit IoT

Man kann tagelang ohne Essen und stundenlang ohne Wasser auskommen, ohne Luft kann man jedoch nur wenige Minuten überleben. Im Durchschnitt atmet jeder Mensch jeden Tag mehr als 11.000 Liter Luft. Luft ist lebensnotwendig.

Das Projekt Mobile AirQuality zur Messung der Luftqualität ist eine gemeinsame Initiative der RWTH Aachen und der Geotab GmbH in Deutschland.

Luftverschmutzung stellt in Europa ein ernstes Gesundheitsrisiko dar

Luftverschmutzung ist laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) das größte Umweltrisiko für die Gesundheit in Europa. Ein Sonderbericht des Europäischen Rechnungshofs aus dem Jahr 2018 besagt, dass Menschen in städtischen Gebieten am stärksten betroffen sind, wobei Luftverschmutzung in der EU jedes Jahr „etwa 400.000 vorzeitige Todesfälle und Hunderte Milliarden Euro an gesundheitsbezogenen externen Kosten“ verursacht.

Industriegebiet in den 1970er-Jahren 

Im Jahr 2015 berichtete die EU-Umweltagentur (EUA), dass rund ein Viertel der in städtischen Gebieten lebenden Europäer Luftschadstoffbelastungen ausgesetzt waren, die über den Grenzwerten der EU-Luftqualitätsnormen liegen. Darüber hinaus waren bis zu 96 % der EU-Bürger, die in städtischen Gebieten leben, Luftschadstoffen ausgesetzt, die von der WHO als gesundheitsschädlich eingestuft werden.

Die Quellen der Luftverschmutzung variieren, wobei sich städtische von ländlichen Gebieten unterscheiden. In der Regel sind Heizung von Haushalten und Straßenverkehr die wichtigsten Verursacher der Verschmutzung. Zusätzliche Einflüsse (wie z. B. Seefrachttransport) machen sich im Alltag im Allgemeinen nicht so stark bemerkbar, müssen aber ebenfalls berücksichtigt werden.

In den meisten Städten hat sich jedoch die Luftqualität in den letzten drei Jahrzehnten erheblich verbessert. Die sichtbare und spürbare Luftverschmutzung (Rauch, Staub, Smog) ist dank lokaler, nationaler und internationaler Initiativen in vielen Städten verschwunden.

Dennoch wirkt sich die aktuelle Luftqualität nach wie vor auf die Gesundheit der Menschen aus. In vielen Städten ist die Luftqualität ein wichtiges Anliegen und wird daher rund um die Uhr überwacht. Die industrielle Luftverschmutzung wird durch verkehrsbedingte Luftverschmutzung abgelöst.

Hauptarten von Luftschadstoffen

Die WHO nennt Feinstaub (Particulate Matter – PM), Stickstoffdioxid (NO2), Schwefeldioxid (SO2) und bodennahes Ozon (O3) als die für die menschliche Gesundheit schädlichsten Luftschadstoffe. Die EUA berichtete, dass Feinstaub (PM2,5) 2014 mindestens 400.000 vorzeitige Todesfälle von EU-Bürgern verursacht hat – das ist etwa das Zehnfache der Zahl der Todesfälle durch Verkehrsunfälle. NO2 verursachte 75.000 und O3 verursachte 13.600 vorzeitige Todesfälle.

Luftverschmutzung betrifft Menschen täglich. Während Spitzen in der Verschmutzung der sichtbarste Effekt sind, stellt die langfristige Exposition gegenüber niedrigeren Dosen eine größere Gefahr für die menschliche Gesundheit dar.

Feinstaub (PM) besteht aus festen und flüssigen Partikeln, die in der Luft schweben. Dazu gehören eine Vielzahl von Substanzen, von Meersalz und Pollen bis hin zu Humankarzinogenen. Feinstaub wird je nach Größe in PM10 (grobe Partikel) und PM2,5 (feine Partikel) unterteilt.

Stickstoffdioxid (NO2 ) ist ein giftiges Gas rötlich-brauner Farbe, das zu den Stickoxiden (NOX) zählt. Es ist auch in niedrigen Konzentrationen als reizendes Gas mit einem stechenden Geruch wahrnehmbar. Da es in Wasser kaum löslich ist, wird es nicht in den oberen Atemwegen gebunden, sondern dringt tiefer in die Lunge ein.

Schwefeldioxid (SO2) ist ein giftiges, farbloses Gas mit einem scharfen Geruch. Die Exposition gegenüber SO2 kann durch seine Wirkung auf das Bronchialsystem die Gesundheit beeinträchtigen. Schwefelsäure, die aus atmosphärischen Reaktionen von SO2 entsteht, ist der Hauptbestandteil von saurem Regen.

Bodennahes Ozon (O3), auch als troposphärisches Ozon bezeichnet, ist ein farbloses Gas, das in einer bodennahen Schicht durch die chemische Reaktion von Schadstoffen (wie flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds – VOCs) und NOX) unter Einwirkung von Sonnenlicht entsteht.

WHO-Grenzwerte (auf Englisch) und Leitlinien (auf Englisch) für die Luftqualität:

• PM10 (grobe Partikel): Jährlicher Durchschnitt: 20 μg/m3; Mittelwert 24 h: 50 μg/m3
• PM2,5 (feine Partikel): Jährlicher Durchschnitt: 10 μg/m3; Mittelwert 24 h: 25 μg/m3
• NO2: Jährlicher Mittelwert: 40 μg/m3; Mittelwert 1 h: 200 μg/m3

Die möglichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit gemäß EUA und WHO sind zahlreich: Schlaganfall, Atemwegserkrankungen, Lungenkrankheiten und Lungenkrebs, kardiovaskuläre Erkrankungen sowie Leber- und Bluterkrankungen.

Obwohl man einhellig der Meinung ist, dass sich das Atmen verschmutzter Luft negativ auf die Gesundheit von Menschen auswirkt, hält die Debatte unter Wissenschaftlern an und in der Öffentlichkeit herrschen Zweifel darüber, was man glauben soll.

Verkehrsbedingte Luftschadstoffe

Feinstaub (PM)

Die Hauptquellen von Feinstaub sind der Straßenverkehr (20 %), Haushalte (20 %), Bauwesen/Bergbau/Steinbrüche (13 %), industrielle Verbrennungsanlagen und -prozesse (10 %) sowie öffentliche Stromerzeugung (10 %) (Quellen: Faktenfinder; 30 Informationsblätter zur Luftverschmutzung (auf Englisch)). Natürliche Quellen wie Vulkanausbrüche oder Staubstürme sind weniger relevant.

Zum Vergleich:

• Ein moderner Dieselmotor produziert 18 mg/Tag bei einer durchschnittlich zurückgelegten Strecke von 36 km.
• Das Kreuzfahrtschiff „Harmony of the Seas“ produziert 450 kg/Tag (entspricht ca. 25 Mio. Dieselfahrzeugen) bei Verwendung traditionellen Schweröls. Neuere Schiffe verwenden als Alternative Flüssigerdgas (Liquified Natural Gas – LNG).

Die hyperlokale Auswirkung wird als mittelmäßig eingestuft (im Vergleich zum Beitrag von NO2). Hyperlokal bedeutet hier die unmittelbare Nähe der Messstation. Der Anteil des Dieselmotors an den hyperlokalen Auswirkungen beträgt 36 %.

Stickstoffdioxid (NO2)

Weltweit überwiegen die Mengen an Stickoxiden, die auf natürliche Weise (durch bakterielle und vulkanische Einwirkungen und Blitze) produziert werden, bei Weitem die anthropogenen (vom Menschen verursachten) Emissionen (Quellen: Faktenfinder; 30 Informationsblätter zur Luftverschmutzung). Andere vom Menschen verursachte Emissionen entstehen durch Nicht-Verbrennungsprozesse, wie z. B. die Herstellung von Salpetersäure, Schweißverfahren und die Verwendung von Sprengstoffen.

Die vom Menschen verursachten Emissionen sind hauptsächlich auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe sowohl aus stationären Quellen, d. h. Stromerzeugung (21 %), als auch aus mobilen Quellen, d. h. Transportwesen (44 %), zurückzuführen.

Die hyperlokale Auswirkung wird als hoch eingestuft (im Vergleich zum Feinstaub). Der Beitrag von Dieselmotoren zu hyperlokalen Auswirkungen ist in diesem Fall größer als 50 %.

Luftqualitätstrends: Gut und schlecht

Die gute Nachricht zuerst: Es kann ein deutlich abnehmender Trend beobachtet werden. (Weitere Informationen finden Sie im Sonderbericht des Europäischen Rechnungshofs „Luftverschmutzung: Unsere Gesundheit ist nach wie vor nicht hinreichend geschützt.“)

Alle Schadstoffe wurden in den letzten 25 Jahren reduziert. Zwischen 1990 und 2015 sanken die SOX-Emissionen in der EU um 89 % und die NOX-Emissionen um 56 %. Seit 2000 sind die Emissionen von PM2,5 um 26 % gesunken (Quelle: EUA: Europäische Umweltagentur).

Ähnliche Trends lassen sich in den USA beobachten, wo die Konzentrationen von Luftschadstoffen seit 1990 deutlich gesunken sind. In diesem Zeitraum wuchs die Wirtschaft weiter, die Zahl der täglich zurückgelegten Kilometer stieg an und die Bevölkerungszahl und der Gesamtenergieverbrauch sind gestiegen.

Die schlechte Nachricht ist, dass die Jahresmittelwerte selbst heute immer noch häufig über den zulässigen Grenzwerten, z. B. über der EU-Grenze von 40 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft, liegen. Übrigens: Raucher müssen sich keine Gedanken über Feinstaub oder andere Luftschadstoffe machen. In einer einzigen Zigarette sind viel mehr Schadstoffe enthalten, als in der Luft an einer verschmutzten Innenstadtkreuzung.

Denken Sie daran: Eine Diskussion über die Werte als solche ist nicht zielorientiert, die Auswirkungen auf den Menschen sind auf punktuelle Emissionen zurückzuführen.

Die Herausforderung bei der Messung der hyperlokalen Luftqualität

Die Idee für das Projekt Mobile AirQuality 2018 basierte auf zwei Problemen, die in den Nachrichten und in der öffentlichen Debatte immer mehr an Bedeutung gewannen:

1. Die zunehmende Luftverschmutzung in größeren Städten und Ballungsgebieten verursacht Probleme für Stadtverwaltungen weltweit. In Deutschland hat sich das Problem im Jahr 2018 aufgrund von Beschwerden der deutschen Umwelthilfe (DUH) erheblich verschärft, da akute Fahrverbote in Innenstädten drohen.
2. Vielerorts werden Daten zur Luftqualität nur über isolierte, fest installierte Messstationen gesammelt, die für einzelne Stadtgebiete wenig informativ sind.

Untersuchung der Luftqualität in Aachen

Werfen wir einen genaueren Blick auf die Luftqualitätssituation in Aachen, einer typischen mittelgroßen Stadt in Deutsch. Etwa 250.000 Menschen leben hier verteilt auf über 160 Quadratkilometer.

Die Luftqualität wird an nur zwei stationären Sensorstandorten gemessen. Diese beiden Sensoren gehören zum landesweiten Netzwerk von Sensorstandorten (~450), die von den Bundesbehörden beaufsichtigt und von den nationalen/regionalen Behörden betrieben werden. An allen Standorten werden die Konzentrationen von PM10, NO2 und anderen Gasen gemessen. Die Ergebnisse sind online als stündliche Durchschnittswerte verfügbar.

Würde über die Stadt Aachen ein Kreis gelegt, hätte dieser einen Durchmesser von 14 km. Wenn die beiden Sensoren entlang des Durchmessers in gleichem Abstand platziert werden, sollte die „Aussagekraft“ pro Sensorstandort einen sehr großen Bereich abdecken.

Um diese Annahme zu testen, gehen wir davon aus, dass ein Brand im Stadtzentrum eine hohe Konzentration toxischer Gase verursacht. Welche Auswirkungen hätte ein solches Messnetzwerk? Hat die Luftqualität in unmittelbarer Nähe des Feuers denselben Kontaminationsgrad wie weit entfernt? Was passiert, wenn der Wind die Verbreitung der Gase beeinflusst? Der Wind bläst normalerweise nur in eine Richtung und hat somit einen großen Einfluss auf die geografische Verteilung von Gasen und Sensormesswerten.

Da die Auswirkungen von schlechter Luft auf den Menschen auf punktuelle Emissionen zurückzuführen sind, ist es schwierig, ein objektives, allgemein akzeptables Ergebnis zu erzielen. Ein Netzwerk mit niedriger Auflösung ist angesichts des heutigen Strebens nach umfassender Digitalisierung nicht ausreichend. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein solches Netzwerk der Politik als Unterstützung für Entscheidungen dient, die sich auf unser tägliches Leben auswirken, z. B. die Umsetzung von Fahrverboten im Stadtzentrum aufgrund schlechter Luftqualität.

Mobile Messungen

Auch der Einsatz Hunderter verteilter stationärer Sensorstandorte in einer Stadt bietet keine Lösung, da jeder Sensorstandort mehrere Hunderttausend Euro kostet.

Die Umwandlung dieser stationären in mobile Sensoren durch Aufsetzen auf einen fahrenden Anhänger, mag technisch machbar sein, wurde aber nie realisiert, da die Investitionskosten in Millionenhöhe liegen würden. Zudem würde die Genauigkeit dieser Sensoranhänger durch Vibrationen und Luftdynamik beeinträchtigt. Außerdem wäre es kontraproduktiv, die Zahl der Fahrzeuge zu erhöhen, um Sensoranhänger zu befördern, mit denen eine bessere Luftqualität in Innenstädten erreicht werden soll.

In unserer Studie haben wir eine Reihe von laufenden Projekten gefunden, die die verschiedenen Aspekte von Maßnahmen zur Messung der Luftqualität (z. B. wissenschaftliche Projekte von Bürgern wie Luftdaten.info, BREEZE und Purple Air (auf Englisch)), kostengünstige Sensoren (auf Englisch) und Visualisierungstools für Big Data umfassen. Um diese um den Aspekt der Mobilität (auf Englisch) und eine hyperlokale Perspektive zu ergänzen, haben wir uns entschieden, im Rahmen unseres akademischen Kooperationsprogramms in Deutschland das Projekt Mobile AirQuality zu starten.

Projekt Mobile AirQuality

Grundsätzlich basiert das Projekt auf dem Bedarf an hochpräzisen Daten und Informationen über die Luftqualität in Städten, um die Optimierung der Verkehrsplanung und -steuerung zu unterstützen.

Umfang

Zur Ermittlung des Projektumfangs haben wir uns folgende Fragen gestellt:

1. Ist es möglich, einen kostengünstigen Sensor (< 100 USD) zu entwickeln und herzustellen, der PM10 und NO2 misst?
2. Wie groß sind die Messwertunterschiede beim Vergleich der Messwerte von kostengünstigen Sensoren und professionellen stationären Sensoren?
3. Zeigt der kostengünstige Sensor einen ähnlichen Trend wie die Messwerte des professionellen Sensors?
4. Wie hoch wäre die erreichbare Abdeckung einer Stadt bei Verwendung einer Flotte aus öffentlichen Verkehrsmitteln (d. H. Busunternehmen, <= max. 30 Fahrzeuge)?
5. Wie wirkt sich die Geschwindigkeit auf die Sensorwerte aus? Welche Geschwindigkeitsbereiche müssen definiert werden, um Datenpunkte zu aggregieren?
6. Was ist der beste Ansatz zur Visualisierung von Ergebnissen, um diese leicht verständlich und verfolgbar zu machen?
7. Welche Geschäftsmodelle für die Nutzung von Daten und Analyseergebnissen gibt es?

Unser Ziel war, dass jeder Teilnehmer ein besseres Verständnis der Maßnahmen zur Produktintegration in Hinblick auf Datenfluss und Interaktion der Komponenten erhält.

Sensorbausteine

Der für das Projekt verwendete Sensor enthält drei Sensorbausteine. Bei der Beschaffung der Bausteine haben wir nach kostengünstigen, aber qualitativ hochwertigen Modulen gesucht. Aktuell werden folgende Sensoren eingesetzt:

1. Bosch Sensortec BME280 (Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck)
2. Honeywell HPMA 11S50 (PM2,5, PM10)
3. SGX Sensortech MiCS-4514 (NO2)
4. WeMos LOLIN ESP32
5. Leiterplatte
6. Sensorgehäuse

Projektzeitplan

Das Projekt startete 2018 zunächst mit dem Prototyping. Bis Ende des Jahres wurden Hard- und Software entwickelt. Integration und Tests begannen Anfang 2019.

Erste Erkenntnisse und geplante nächste Schritte

Bis jetzt haben wir viel Zeit mit dem CAD-Design des Sensorgehäuses verbracht und etwa 60 verschiedene Gehäuse mit drei verschiedenen Steuerplatinen bedruckt (bei etwa 6 bis 8 Stunden Druckzeit pro Gehäuse). Es hat sich herausgestellt, dass die Anzahl der verfügbaren kostengünstigen NOx-Sensoren weltweit sehr limitiert ist und dass der Versand aus Asien und Europa zwei Monate oder länger dauern kann.

Wir haben viele faszinierende Meetings und Diskussionen mit interessierten Parteien durchgeführt und festgestellt, dass das Konzept der mobilen Luftqualitätsmessung ein breites, interdisziplinäres Wissen erfordert.

Seit März sind zwei Fahrzeuge in der Aachener Innenstadt unterwegs und demnächst sollen 13 Sensoren bei der ÖPNV-Busflotte angebracht werden. Zehn Sensoren wurden an das Team in Kanada gesendet, ein weiterer wird derzeit in Großbritannien untersucht.

Wir wissen, dass die Visualisierung von Big Data trotz Komplexität möglich ist, und sind zuversichtlich, bis Ende des Jahres 2019 einen Datensatz erstellen zu können.

Danksagung

Besonderer Dank gilt den nationalen Behörden, die es uns ermöglicht haben, nicht nur eine der Sensorstationen in Aachen (VACW) zu besuchen, sondern auch einen unserer mobilen Sensoren neben den professionellen Geräten zu platzieren. Zur Verwirklichung eines autonomen Referenzsensors haben wir den mobilen Sensor (#device,id:bD) mit einem Solarmodul an eine Autobatterie und ein GO-Gerät angeschlossen und auf dem Dach des VACW-Standorts platziert. Dieser ermöglicht uns, die Sensormesswerte dauerhaft zu vergleichen und das Verhalten unserer Sensorarchitektur besser zu verstehen.

Letztendlich gehen wir davon aus, dass verwendbare Werte zur Beurteilung der Luftqualität mit den derzeit erhältlichen kostengünstigen Sensoren nur schwer zu erreichen sind. Auflösung, Empfindlichkeit und Genauigkeit stellen große Herausforderungen dar, und verschiedene Studien, wie z. B. „Sensoren voor NO2 (auf Niederländisch)“ des Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu haben zu ähnlichen Schlussfolgerungen geführt.

Weitere Informationen finden Sie auf unserem Blog.