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Schwefeldioxid – Emissionen und Immissionen 1995

Einleitung

Wirkung von Schwefeldioxid

Schwefeldioxid (SO2) ist ein farbloses, in hohen Konzentrationen stechend riechendes Gas. Es entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle und Erdöl. Außerdem fällt es bei der Verhüttung von Erzen an und wird vielfach in industriellen Prozessen verwendet.

In der Atmosphäre wird es mit einer Geschwindigkeit von der Größenordnung ein Prozent pro Stunde in Schwefeltrioxid und später in Schwefelsäure und Sulfatpartikel umgewandelt.

Schwefeldioxid beeinträchtigt die menschliche Gesundheit. Aufgrund seiner leichten Löslichkeit wirkt es vor allem auf die Schleimhäute der Augen und der oberen Atemwege (vgl. Kühling 1986). Bei hoher Konzentration oder intensiver Atmung kann es zu Auswirkungen auf die tiefen Atemwege kommen (vgl. BMUNR 1987). Asthmatiker sind dabei gegenüber Gesunden einem deutlich höheren gesundheitlichen Risiko ausgesetzt (vgl. Nowak et al. 1994).

Auf Pflanzen wirkt SO2 in komplexer Weise. Direkte Schäden entstehen an Blättern und Nadeln über die gasförmige oder wässrige Phase. Indirekte Schäden werden über Sulfateinträge in den Boden bewirkt, die zu Nährstoffmangel und Säurestreß führen. In Waldökosystemen sind vielfältige Wirkungen von SO2 und dessen Folgeprodukten bekannt, insbesondere Veränderungen der abiotischen und biotischen Bodenverhältnisse. Dies betrifft beispielsweise auch die Versauerung von Gewässern. Ferner führt SO2 zu Schäden an Materialien und Bauwerken.

Grenzwerte

Das Gas kann mit verschiedenen Methoden gut gemessen werden und gilt seit Jahren als Leitkomponente für die Verschmutzung der Luft mit Feuerungsabgasen. Schon früh wurden Grenzwerte für die Belastung der Luft mit Schwefeldioxid festgelegt und versucht, seine Konzentration in der Luft zu vermindern.

Bereits die erste Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) aus dem Jahre 1964 enthält für Schwefeldioxid Immissionswerte für die Langzeitbelastung (Jahresmittelwert) von 400 µg/m3 und für die Kurzzeitbelastung (97,5 %-Summenwert aller Halbstundenwerte eines Jahres) von 750 µg/m3.

In Deutschland gelten zur Zeit die Immissionswerte der TA-Luft aus dem Jahr 1986 und die Grenzwerte der EG-Richtlinie 80/779/EWG von 1980, zuletzt geändert durch die Richtlinie 89/427/EWG. Diese wurde mit der 22. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes 1993 in nationales Recht überführt (vgl. Tab. 1).

Zur langfristigen Sicherung der Leistungsfähigkeit des Naturhaushaltes müssen Immissionswerte eingehalten werden, die die Empfindlichkeit von Ökosystemen berücksichtigen. Grenzwerte, bei deren Einhaltung keine Veränderungen in Struktur und Funktion von Ökosystemen zu erwarten sind, wurden von der UN-ECE 1988 aufgestellt (critical levels, critical loads). Die Bundesrepublik Deutschland gehört zu den Erstunterzeichnern und Mitinitiatoren des Übereinkommens und hat die Beschlüsse über neue Strategien in der europäischen Luftreinhaltung ratifiziert.

Die EG-Richtlinie bzw. die entsprechende 22. BImSchV schreiben vor, daß der Schwefeldioxidgehalt der Luft den 98 %-Wert von 250 µg/m3 bzw. 350 µg/m3 an nicht mehr als drei Tagen hintereinander überschreiten darf (vgl. Tab. 1). Diese Bedingung wurde bis 1991 in Berlin fast in jedem Jahr bei austauscharmen Wetterlagen überschritten, seit 1991 jedoch nicht mehr. Zusätzlich gibt es in den genannten Vorschriften spezielle Grenzwerte für die Schwefeldioxid-Konzentration im Winter, die in den letzten Jahren stets eingehalten wurden.

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Tab. 1: Grenz-, Richtwerte und Empfehlungen zur Immission von Schwefeldioxid und Schwebstaub in der Luft
Bild: Umweltatlas Berlin

Überschreitungen der Immissionswerte der TA-Luft bzw. der 22. BImSchV ziehen Maßnahmen an Anlagen nach sich, die als Verursacher identifiziert werden. Wenn die Überschreitung nicht einem speziellen Verursacher zugeordnet werden kann, müssen die zuständigen Behörden einen Luftreinhalteplan aufstellen und bei der Genehmigung neuer Anlagen verschärfte Anforderungen bezüglich der zulässigen Emissionen stellen. Dementsprechend wurden 1981, 1986 und 1994 Luftreinhaltepläne aufgestellt, in denen der jeweilige Stand der Luftverschmutzung sowie Maßnahmen zu ihrer Verminderung dargestellt sind (vgl. SenStadtUm 1994).

Verursacher und Mengen von Schwefeldioxidemissionen

In Berlin werden die Schwefeldioxidemissionen überwiegend durch Verbrennung von Kohle und Öl zur Erzeugung von Wärme und Strom verursacht. Schwefeldioxid wird dabei als Bestandteil von Rauchgasen in die Atmosphäre abgegeben. Es entsteht aus Schwefel, der mit Anteilen bis zu 3 % in den Brennstoffen enthalten ist. Wegen seiner Verbrennungseigenschaften ist es möglich, die Schwefeldioxidemission sehr genau aus dem Schwefelgehalt der Brennstoffe abzuleiten.

Erste Daten über die Schwefeldioxidemission sind in Berlin für das Jahr 1892 aus dem Brennstoffverbrauch ermittelt worden. Damals lag der Ausstoß bereits bei 43 700 Tonnen pro Jahr (t/a). Die Emission stieg mit kriegsbedingten Unterbrechungen bis zum Jahr 1970 kontinuierlich auf mehr als 80 000 t/a allein für West-Berlin. Seit 1970 sinkt dort die SO2-Emission (vgl. Karte 03.01, SenStadtUm 1985).

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Abb. 1: Schwefeldioxid-Emissionen der einzelnen Verursachergruppen in Berlin 1951 - 1994. (Für die Jahre 1951 - 1985 nur für West-Berlin, ab 1989 für West- und Ost-Berlin) (Tonnen pro Jahr)
Bild: Umweltatlas Berlin

Abbildung 1 läßt einen starken Rückgang der Emissionen im Westteil der Stadt und für 1989 im Vergleich der beiden Stadthälften sehr hohe Emissionen im Ostteil erkennen. Seitdem werden die Emissionen, die insgesamt weiter erheblich zurückgegangen sind, nicht mehr nach den Stadthälften gesondert ermittelt. Den größten Anteil an den Gesamt-Emissionen von 17 200 t hatten im Jahr 1994 mit 63 % die genehmigungsbedürftigen Anlagen (10 900 t), vorrangig mit weitem Abstand die Kraft-, Heizkraft- und Heizwerke. An zweiter Stelle stand mit 4 900 t der Hausbrand mit 29 %, gefolgt vom Kraftfahrzeugverkehr (1 400 t) mit etwas mehr als 8 %.

Die unterschiedlich hohen Emissionsmengen in den beiden Stadthälften waren auf den sehr unterschiedlichen Brennstoffeinsatz zurückzuführen. Im Ostteil wurde bis 1989 neben Gas sowohl in genehmigungsbedürftigen Anlagen als auch im Hausbrand zum überwiegenden Teil noch Braunkohle eingesetzt. Im Gegensatz zum Westteil der Stadt gab es für den Schwefelgehalt der Brennstoffe im Ostteil noch keine Begrenzungen, so daß in erheblichen Mengen Braunkohle mit sehr hohen Schwefelgehalten (bis zu 3 %) aus dem Leipzig/Bornaer Revier verwendet wurde. Im Westteil war dagegen der Schwefelgehalt in der Braunkohle durch die Braunkohleverordnung vom 15.1. 1981 auf 1 % begrenzt worden. Es wurde seit dieser Zeit nur noch Braunkohle aus der Niederlausitz und aus dem Rheinland mit einem Schwefelgehalt von etwa 0,6 % verfeuert, der sich in Folge der Einbindung von Schwefel in die Asche auf 0,3 % reduziert. Außerdem wurde in West-Berlin im Hausbrand überwiegend leichtes Heizöl mit einem Schwefelgehalt von weniger als 0,3 % verbrannt, und in mehreren Heizkraftwerken waren seit 1988 schon Rauchgasentschwefelungsanlagen in Betrieb (vgl. Tab. 2).

Nach der Vereinigung wurde die Geltung der Braunkohlenverordnung auf den Ostteil der Stadt ausgedehnt, und auch die anderen Maßnahmen sowie die zahlreichen Betriebsstillegungen zogen erhebliche Emissionsminderungen nach sich. 1996 wurde im gesamten Stadtgebiet die Umstellung der Gasversorgung auf Erdgas abgeschlossen, so daß immer mehr Hausheizungen von Kohle und Öl auf Gasversorgung umgestellt werden, die dann kein Schwefeldioxid mehr emittieren.

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Tab. 2: Inbetriebnahme von Entschwefelungs- und Entstickungsanlagen in den Berliner Heizkraft- und Kraftwerken (Stand: August 1996)
Bild: Umweltatlas Berlin

Entwicklung der Schwefeldioxidimmissionen

In den Jahren 1968 und 1969 hat das Institut für Wasser- Boden- und Lufthygiene des Bundesgesundheitsamts mit kontinuierlichen Messungen der Schwefeldioxidkonzentration an drei Meßstellen in Berlin begonnen. Im Jahr 1975 wurde von der damaligen Senatsverwaltung für Gesundheit und Umweltschutz das Berliner Luftgüte-Meßnetz (BLUME) in Betrieb genommen. An 31 Meßstationen wurden im Westteil der Stadt in einem 4 × 4 km-Raster flächendeckend Schwefeldioxidimmissionen gemessen.

Die zusammengefaßten Jahresmittelwerte der jeweils verfügbaren Stationen seit 1970 zeigt die Abbildung 2.

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Abb. 2: Verlauf der Jahresmittelwerte von Schwefeldioxid 1970 - 1995
Bild: Umweltatlas Berlin

BGA-Mittel = Mittel der drei Stationen des Bundesgesundheitsamtes in Steglitz, Jungfernheide und Dahlem.
BLUME-Mittel = Mittel von 6 BLUME-Meßstationen in der westlichen Innenstadt
Innenstadt-Mittel = Mittel der Meßstationen in der Innenstadt.

Insgesamt hat die Schwefeldioxidkonzentration in Berlin von 1970 bis 1995 um mehr als 85 % abgenommen. Die Abnahme verlief in mehreren Stufen. Sehr starke Rückgänge waren von 1970 bis 1974, von 1979 bis 1983 und seit 1989 zu verzeichnen. Dazwischen zeigt Abbildung 2 zwei Stagnationsphasen, die von 1974 bis 1979 und von 1983 bis 1989 anhielten.

Die verschiedenen Phasen des Rückgangs haben ihre spezifischen Gründe. Anfang der 70er Jahre wurden verstärkt Heizungsanlagen von Kohle auf leichtes Heizöl umgestellt. Ende des Jahrzehnts erfolgte eine Herabsetzung des Schwefelgehalts im leichten Heizöl und in der Braunkohle. In den letzten Jahren wirkte sich die Einführung von Rauchgasentschwefelungsanlagen in Kraftwerken im Zusammenhang mit der Umsetzung der Großfeuerungsanlagenverordnung und die Einführung der Braunkohlenverordnung im Ostteil Berlins aus (vgl. Tab. 2). Damit konnte der Schwefeldioxidausstoß erneut verringert werden. Nicht zuletzt hat sich die Emission auch in Folge des Zusammenbruchs der DDR und der damit verbundenen Betriebsstillegungen erheblich vermindert.

Daneben haben sich die kontinuierliche Ausweitung von Fern- und Gasheizung sowie verstärkte Anstrengungen zur Wärmedämmung und Energieeinsparung, unter anderem durch technisch verbesserte Heizungsanlagen, immissionsmindernd ausgewirkt. Die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Durch das starke Absinken der Schwefeldioxidkonzentration in der Luft wird dieser Schadstoff voraussichtlich seine Leitkomponentenfunktion für den Grad der Luftverschmutzung verlieren.

Wirkungen langjähriger Belastungen auf Waldökosysteme

Der Filtereffekt durch die Oberflächenstruktur von Wäldern bewirkt eine hohe Schadstoffeinwirkung und -akkumulation. Mit dem Schadgas Schwefeldioxid und seinem Folgeprodukt Sulfat sind entsprechend vielfältige Wirkungen auf Waldökosysteme verbunden. Die seit Anfang der 80er Jahre auf internationaler Ebene intensiv betriebene Waldschadensforschung hat auf dem Gebiet der Immissionswirkungen ganz neue Erkenntnisse geliefert, die zu sehr kritischer Grenzwertfestlegung führten.

Direkte Schadeinwirkungen der ehemals hohen SO2-Konzentrationen machten sich in der Vergangenheit in Berlin vor allem in der Verarmung der Flechtenflora (vgl. Karte 03.07, SenStadtUmTech 1996a) und in Nadelschäden bemerkbar. In den langjährigen Untersuchungen des Monitoringprogramms wurde eine spezielle Methodik entwickelt, um die makroskophisch erkennbaren Nadelschäden zu erfassen und zu bewerten (vgl. Meyer u. Kalhoff 1996). Die Schadbilder wurden zu Schadtypen zusammengefaßt, von denen der Schadtyp 3 (Nadeln mit scharf abgesetzten band- und fleckenförmigen Chlorosen und Nekrosen) sich recht sicher als SO2-Schaden deuten läßt. Die Abbildung 3 zeigt die Entwicklung dieses Schadtyps seit 1986: parallel zur abnehmenden SO2-Belastung traten weniger Nadelschäden des Schadtyps 3 auf. Die positive Korrelation mit der mittleren SO2-Konzentration der Jahre 1986-94 bestätigt den Zusammenhang. Die in Berlin abnehmenden Nadelschäden dieses Schadtyps stimmen mit den Beobachtungen von Korsch und Jäger (1993) überein, die im Raum Bitterfeld ebenfalls eine deutliche Reduzierung der Nadelnekrosen in den letzten Jahren konstatieren.

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Abb. 3: Zeitliche Entwicklung von Nadelschäden des Schadtyps 3 in drei Untersuchungsflächen der im Westteil Berlins gelegenen Wälder und die mittlere SO2-Konzentration im Grunewald. Dargestellt ist für den Schadtyp das Mittel aller Probebäume. Für 1992 liegt kein Wert zu Nadelschäden vor.
Bild: nach Meyer u. Kalhoff 1996

Trotz dieses geringen Konzentrationsniveaus von Schwefeldioxid in 1995 ist eine Säurebelastung der Berliner Wälder, die zu ca. zwei Drittel durch SO2 verursacht wird, nach wie vor vorhanden. Zwar reduzierte sich infolge der umfangreichen Immissionsminderungsmaßnahmen die Menge der eingetragenen Säure, aber nicht in dem Maße, wie sich die SO2-Konzentrationen verminderten. Dies liegt an den ebenfalls sinkenden Calciumeinträgen, wodurch sich die atmosphärische Pufferung der Säuren reduziert hat (vgl. Abb. 4). Zudem sind die Stickoxidimmissionen, die zu einem Drittel an der Säurebildung beteiligt sind, nur wenig gesenkt worden (vgl. Karte 03.03, SenStadtUmTech 1997). Die Folge war ein leichter Anstieg des Säureeintrags von 1991 bis 1994.

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Abb. 4: Zeitliche Entwicklung des Säureeintrags, der atmosphärisch bereits gepufferten Säure und des Calciumeintrags in kmol Ionenäquivalenten pro Hektar und Jahr im Freiland innerhalb des Grunewaldes
Bild: nach Fischer 1996

Diese aktuell gemessenen Säureeinträge liegen noch über dem Wert tolerierbarer Säureeinträge für die Berliner Wälder, der sich nach dem auf nachhaltige Sicherung des Naturhaushalts ausgerichteten UN ECE-Konzept der “Critical Loads” bestimmen läßt (vgl. Abb. 5). Der Wert errechnet sich danach, wieviel der Waldboden langfristig durch seine Säureneutralisationskapazität abfangen kann. Die Säureneutralisationskapazität wird bestimmt durch die Möglichkeit des Bodens, durch Verwitterung basische Kationen (Ca, Mg, K) nachzuliefern. Die gleiche Funktion üben aber auch die mit dem Staub eingetragenen basischen Kationen aus, die somit zu einer Entlastung führen können. Durch die bereits erwähnte erhebliche Reduzierung der Calciumeinträge verringert sich diese Entlastung.

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Abb. 5: Entwicklung des tatsächlichen und des nach UN ECE-Konzept tolerierbaren Säureeintrages (Critical Loads) in Ionenäquivalenten pro Hektar und Jahr von 1987 - 95 (Beispiel Grunewald). Tatsächlicher Säureeintrag: berechnete Eintragswerte in den Waldbestand
Bild: Umweltatlas Berlin

Bedingt durch diese abnehmende atmosphärische Säurepufferung wird auch ein Absinken des pH-Wertes im Regen (1984 – ‘94 von 4,7 auf 3,9) (vgl. Pelz 1995) festgestellt (vgl. Abb. 6). Der hohe Säuregrad von Regen und Nebel ist wiederum für Wälder problematisch, so können vermehrt Säureschäden auf Nadeloberflächen (frühzeitige Alterung der Wachsschicht) und ein erhöhtes Auswaschen von Nährstoffen auftreten.

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Abb. 6: Zeitlicher Verlauf des pH-Wertes des Niederschlages in Berlin-Dahlem 1984 - 1995
Bild: Pelz 1995, Pelz 1996

Im Waldboden können die langjährigen Säure-Einträge in der Bodenlösung nachgewiesen werden, die einen sensiblen Indikator für den bodenchemischen Zustand darstellt. Auf den Walddauerbeobachtungsflächen im Grunewald ist die Bodenlösung durch hohe Sulfat (SO4)-Konzentrationen geprägt, die mit 85 % an der Anionensumme auch die Ionenstärke der Bodenlösung entscheidend bestimmen (vgl. Schlenther et al. 1995). Damit stellen die hohen SO4-Einträge der Vergangenheit eine wichtige Steuerungsgröße für den Stoffhaushalt im Boden dar. Aufgrund der anhaltenden Pufferung dieser durch Sulfat bedingten Versauerung werden vermehrt die für Wurzeln toxischen Aluminiumionen freigesetzt. Nur wegen der immissionsbedingten Calciumvorräte im Boden kommt es trotzdem nicht zu Wurzelschäden. Aber die aktuellen Säureeinträge zehren diese Vorräte allmählich auf. Das auf langfristigen Erhalt der Bodenqualität zielende Konzept der Critical Loads berücksichtigt diese sich aufbrauchenden Bodenvorräte nicht und bewertet deshalb den aktuellen Säureeintrag unter dem Aspekt der nachhaltigen Sicherung der Waldböden als nicht tolerierbar.