Luft: Emissionskataster

Emissionskataster Biogene und nicht gefasste Quellen

Erhebungsmethode

In der Emittentengruppe „Biogene und nicht gefasste Quellen“ werden im hessischen Emissionskataster die Emissionen aus der Landwirtschaft und die Emissionen der Wälder als biogene Quellen zusammengefasst. Zu den nicht gefassten Quellen gehören die Emissionen von Deponien, soweit diese noch betrieben werden oder sich in der Nachsorgephase befinden. Die Emittentengruppe weist für einige Stoffe ein beträchtliches Emissionspotential auf. Ein Teil der von ihr emittierten Stoffe gehört zu den Treibhausgasen (Lachgas und Methan).

Die folgende Übersicht zeigt die jeweils wichtigsten Herkunftsbereiche für die Schadstoffe der Emittentengruppe „Biogene und nicht gefasste Quellen“:

Stickstoffmonoxid (NO)
landwirtschaftlich genutzte Böden, Mineral- und Wirtschaftsdüngeranwendung

Ammoniak (NH3)
Nutztierhaltung, Mineraldüngeranwendung

Lachgas (N2O)
landwirtschaftlich genutzte Böden, Mineral- und Wirtschaftsdüngeranwendung

Flüchtige organische Verbindungen ohne Methan (NMVOC)
Wald (Nadel- und Laubbäume), Nutztierhaltung

Methan (CH4)
Nutztierhaltung, Deponien

Feinstaub (PM10)
Bewirtschaftung von Ackerland, Nutztierhaltung

Die Ermittlung der hier dargestellten Emissionen aus der Landwirtschaft für das Jahr 2000 bis 2012 wurde durch das Johann Heinrich von Thünen-Institut - Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Braunschweig (vTI) - durchgeführt. Es wurden insbesondere Emissionen aus der Nutztierhaltung sowie Emissionen aus Böden (z. B. durch Düngung, aus Ernterückständen) und indirekte Emissionen untersucht. Die NMVOC-Emissionen der hessischen Wälder wurden vom Institut für Pflanzenökologie der Universität Gießen berechnet.

Die für Deponien angegebenen Methan-Emissionen wurden dem europäischen Schadstofffreisetzungs- und -verbringungsregister (Pollutant Release and Transfer Register, PRTR [2]) entnommen. Das PRTR ist ein EU-weites Register, das erstmals für das Jahr 2007 aufzustellen war. Danach sind die Betreiber von Deponien verpflichtet, alljährlich Methan-Emissionen zu melden, soweit die Emissionen 100 t/a überschreiten.

Zur Emissionsermittlung der biogenen und nicht gefassten Quellen werden statistische Daten, z. B. zum Viehbestand oder zu bestimmten Flächennutzungsarten zugrunde gelegt. Unter Benutzung von für den jeweils betrachteten Prozess spezifischen Emissionsfaktoren auf Grundlage von internationalen Regelwerken zur Emissionsberichterstattung werden die Emissionen berechnet. Die heute verwendeten Emissionsfaktoren sind genauer und stärker aufgeschlüsselt als zu Beginn der Erhebungen.

Landesweite Emissionsdaten für die biogenen und nicht gefassten Quellen liegen für die Jahre 1992 [1], 2000, 2006 und 2012 vor. Bei allen Erhebungen wurden die Emissionsdaten auf Kreisebene (kreisfreie Städte bzw. Landkreise) ermittelt.

Emittierte Stoffe

Im Bereich der biogenen und nicht gefassten Quellen werden Emissionen von anorganischen und organischen Gasen aus der Landwirtschaft, aus Wäldern und aus Deponien erfasst. Seit der Erhebung im Jahr 2000 werden auch die Feinstaubemissionen aus der Landwirtschaft einbezogen. Die Tabelle 1 vermittelt einen Eindruck von den freigesetzten Mengen dieser Emittentengruppe für die Bezugsjahre 1992, 2000, 2006 sowie 2012.

Tab. 1: Jahresemissionen der biogenen und nicht gefassten Quellen in Hessen (1992, 2000, 2006 und 2012)

Komponenten
Emission [t/a]
  1992 2000 2006 2012
Anorganische Gase
Stickstoffmonoxid (NO) (angegeben als NO2)
-
5.038
4.086
5.182
Ammoniak (NH3)
30.980
24.160
22.356
20.304
Lachgas (N2O)
7.731
3.819
3.328
3.870
Organische Gase
NMVOC 1)
41.575
38.493
37.758
37.376
Methan (CH4)
434.400
176.277
56.201
47.975
Stäube
Feinstaub PM10
-
1.263
1.246
1.279
- keine Emissionsdaten vorhanden
1) flüchtige organische Verbindungen ohne Methan

Der NMVOC-Emissionswert ist stofflich nicht weiter aufgegliedert. Hinter den biogenen NMVOC verbirgt sich eine Vielzahl flüchtiger organischer Komponenten. Insbesondere Wälder setzen große Mengen NMVOC frei; Nadelbäume emittieren vornehmlich Terpene, Laubbäume insbesondere Isopren. Von den für das Jahr 2012 angegebenen NMVOC-Emissionen von 37.376 t entfallen 30.769 t oder 82 % auf den Sektor Wald, während lediglich 6.607 t oder 18 % der Landwirtschaft zuzurechnen sind. Von den in Tabelle 1 genannten Methan-Emissionen (47.975 t/a) stammen 41.975 t aus der Landwirtschaft und 6.000 t aus Deponien.

Der Vergleich mit allen übrigen Emittentengruppen zeigt, dass die Emission von Methan, Ammoniak und Lachgas weitgehend auf die biogenen und nicht gefassten Quellen zurückgeht. Auch bei den NMVOC tragen die biogenen und nicht gefassten Quellen mit einem erheblichen Anteil zum Gesamtemissionswert aller Emittentengruppen bei.

Eine umfassende Aufstellung über Schadstoff-Emissionen der Emittentengruppe „Biogene und nicht gefasste Quellen“ erfolgt bei dem Online-Service Emissionskataster Hessen. Hier werden die Schadstoffe sowohl tabellarisch als auch in einer Karte dynamisch auf verschiedenen Ebenen (Hessen, Kreis) dargestellt.


Ammoniak

Stoffeigenschaften

Ammoniak (NH3) ist ein farbloses, stechend riechendes Gas. Es ist in Wasser leicht löslich; die wässrige Lösung (Salmiakgeist) reagiert basisch.

Industriell wird Ammoniak in großem Umfang (hauptsächlich durch das Haber-Bosch-Verfahren aus Luft-Stickstoff) hergestellt. Es ist ein Grundprodukt der chemischen Industrie, das die Ausgangsbasis für viele Synthesen bildet.

Ammoniakdämpfe wirken schon in geringer Konzentration reizend, in höherer ätzend auf die Schleimhäute insbesondere der Atemwege und der Augen.

Sichtbare Schäden an der Vegetation durch NH3 sind nur in unmittelbarer Nähe von Punktquellen, z. B. Stallungen der Massentierhaltung, beobachtet worden. In geringerer, subtoxischer Konzentration wirkt Ammoniak hauptsächlich düngend. Im Umweltbereich führt Ammoniak u. a. zu folgenden Schäden: Bodenversauerung (durch Protonenfreisetzung bei bakteriellen Nitrifikationsprozessen), neuartige Waldschäden („Waldsterben“) sowie Eutrophierung naturnaher Ökosysteme. Außerdem wird der Zerfall von Gestein und Baumaterialien verstärkt (aufgrund der Zunahme von Salpetersäure bildenden Bakterien).

Ammoniak setzt sich in der Atmosphäre relativ schnell zu Ammoniumverbindungen (z. B. Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat) um, die dann als Feinstaub-Partikel vorliegen. NH4+ kann partikelgebunden über weite Strecken verfrachtet werden; die Ablagerung erfolgt sowohl trocken als auch nass. Daneben wird Ammoniak auch direkt als NH3 abgelagert; dies findet überwiegend im Nahbereich der Emissionsquellen statt.

Der überragende Anteil (über 92 %) der Ammoniak-Emissionen in Hessen geht auf die biogenen und nicht gefassten Quellen zurück. Er stammt aus der Landwirtschaft: Bei der Zersetzung von tierischen Ausscheidungen, in denen der Stickstoff überwiegend als Protein oder als Harnstoff vorliegt, entstehen große Ammoniakmengen (u. a. bei der Güllelagerung und Gülleausbringung). Daneben führt auch der Einsatz mineralischer Stickstoffdünger in der Landwirtschaft zu NH3-Emissionen.

Kartenbeschreibung

Die Emissionskarte in Abbildung 1 zeigt die Ammoniak-Jahresemissionen der biogenen und nicht gefassten Quellen, dargestellt auf Kreisebene.


Abb. 1: Ammoniak - Emissionen der biogenen und nicht gefassten Quellen 2012 pro Kreisfläche in Kilogramm pro km2 und Jahr
Quelle: Kartenausschnitte aus Online-Service Emissionskataster

Die Emissionen lagen in Hessen im Jahr 2012 insgesamt bei 20.304 t/a.

Die höchsten Ammoniak-Emissionen pro km2 weist der Landkreis Fulda, gefolgt vom Schwalm-Eder-Kreis und dem Vogelsbergkreis auf. Die Ursache hierfür ist der relativ hohe Nutztierbestand in diesen Gebieten.

Zeitliche Entwicklung

Die Systematik der Datenerhebung der Emittentengruppe „Biogene und nicht gefasste Quellen“ hat sich seit der Ersterstellung im Jahr 1992 weiterentwickelt. Insbesondere der erste Jahrgang enthält z. T. noch grobe Abschätzungen von Teil-Emissionen, die aufgrund der unsicheren Datenlage nicht weiter verfolgt werden. Dadurch ist ein Vergleich der Daten insbesondere mit dem ersten Jahrgang nur bedingt möglich.

Bei Ammoniak ist insgesamt ein Rückgang der Emissionen zu beobachten, der sich jedoch aus gegenläufigen Effekten zusammensetzt. Gründe für die Abnahmen der Emissionen sind die gesunkenen Rinder- und Schweinebestände in Hessen sowie Emissionsminderungsmaßnahmen wie die emissionsärmere Lagerung des Wirtschaftsdüngers und die Ausbringung von Wirtschaftsdünger unter Berücksichtigung von äußeren Rahmenbedingungen wie Jahreszeit, Bodenfeuchtigkeit und Einarbeitung des Wirtschaftsdüngers in den Boden. Emissionssteigernd wirken sowohl die Zunahme der tierischen Leistungen als auch der erhöhte Harnstoff-Anteil des Mineraldüngers für die landwirtschaftlichen Böden [4].

In 2012 liegt der Anteil Ammoniak-Emissionen an der Tierhaltung ca. bei ¾ der Emissionen, während der Anteil an der Anwendung von Mineraldünger bei ¼ liegt.

Methan

Stoffeigenschaften

Methan (CH4) ist ein farb- und geruchloses, wenig wasserlösliches Gas. Es ist brennbar und besitzt einen hohen Heizwert. Methan-Luft-Gemische bestimmter Zusammensetzung (5 - 15 % CH4) sind explosiv. Sie können in Steinkohle-Bergwerken, wo häufig CH4 (Grubengas) auftritt, die gefürchteten Schlagwetter verursachen.

Das wichtigste Methan-Vorkommen stellt das Erdgas dar. CH4 ist ein wichtiger Rohstoff in der chemischen Industrie. Der größte Teil findet jedoch als Brennstoff und Treibstoff Verwendung.

Methan zählt zu den bedeutenden klimarelevanten Spurengasen; bezüglich des Beitrags zur Erwärmung der Atmosphäre ist es an zweiter Stelle - nach Kohlendioxid - zu nennen.

Beim bakteriellen anaeroben Abbau organischer Substanz entstehen weltweit erhebliche Mengen an Methan, z. B. in Reisfeldern, Sümpfen und marinen Sedimenten.

Der dominierende Anteil (über 94 %) aller Methan-Emissionen in Hessen wird von den biogenen und nicht gefassten Quellen verursacht. Dabei ist die Nutztierhaltung die bedeutendste Methanquelle und zwar in doppelter Hinsicht: Zum einen fällt Methan beim anaeroben Abbau der organischen Substanzen an, die in den tierischen Ausscheidungen (Exkrementen) enthalten sind. Zum anderen entsteht CH4 in den Pansen von Wiederkäuern (Rindern, Ziegen, Schafen) bei der Fermentation von Zellulose und anderen mit dem Futter aufgenommenen Stoffen. Einen weiteren Beitrag zu den Methanemissionen liefern die aus den Deponien entweichenden Mengen. Der Abbau der im Abfall enthaltenen organischen Kohlenstoffverbindungen führt zur CH4-Bildung. Ein Teil des anfallenden Methans wird mit Anlagen zur Gaserfassung abgesaugt und anschließend verbrannt (energetisch verwertet oder abgefackelt).

Kartenbeschreibung

Die Emissionskarte in der Abbildung 2 zeigt die Methan-Jahresemissionen aus der Landwirtschaft (Biogene und nicht gefasste Quellen ohne Deponien), dargestellt auf Kreisebene.


Abb. 2: Methan - Emissionen der biogenen und nicht gefassten Quellen 2012 pro Kreisfläche in Kilogramm pro km2 und Jahr
Quelle: Kartenausschnitte aus Online-Service Emissionskataster

Die Emissionen lagen in Hessen im Jahr 2012 insgesamt bei 47.975 t/a.

Die höchsten Methan-Emissionen pro km2 hat die Stadt Wiesbaden, gefolgt vom Landkreis Fulda, dem Vogelsbergkreis, dem Landkreis Limburg-Weilburg und dem Main-Taunus-Kreis. Die Ursache hierfür sind insbesondere bei der Stadt Wiesbaden und dem Main-Taunus-Kreis die Methan-Emissionen aus den Altdeponien und bei den genannten Kreisen der relativ hohe Nutztierbestand.

Zeitliche Entwicklung

In der Tabelle 1 fallen insbesondere die stark rückläufigen Methan-Emissionen auf. Die Hauptursachen hierfür liegen im Abfallbereich: Bei den Deponien ist die Methan-Freisetzung seit den 90er Jahren durch Maßnahmen wie Getrenntmüllsammlung und Deponiegaserfassung erheblich gesunken. Außerdem findet eine kontinuierliche Abnahme der Methanproduktion von Altdeponien statt (nach einer groben Schätzung reduziert sich die Methanproduktion alle 10 Jahre auf ein Viertel). Seit dem 1. Juni 2005 ist die Ablagerung biologisch abbaubarer Abfälle gar nicht mehr zulässig [3].

Für das Jahr 1992 waren aus Abfalldeponien und Altablagerungen ca. 362.000 t/a Methan zu verzeichnen, während im Jahr 2000 noch knapp 113.000 t/a Methan diesem Sektor zuzurechnen waren. Die PRTR-Methan-Emissionen für Deponien im Jahr 2012 betrugen nur noch ca. 6.000 t/a.

Im Bereich der Landwirtschaft ist der Rückgang der Emissionen nicht so markant, wie bei den Altdeponien und –ablagerungen. Hier sanken die Emissionen von 1992 mit 60.800 t/a auf ca. 42.000 t/a in 2012. Gründe des Rückgangs sind die abnehmenden Rinderbestände sowie die zunehmende Verwertung der Gülle in Biogasanlagen und die vermehrt gasdichten Gärrestelager [4].

Literatur

[1] Emissionskataster Hessen – Landesweite Abschätzung der Emissionen aus biogenen und nicht gefassten Quellen, Bearbeitungszeitraum 1991 - 1993, Schriftenreihe der Hessischen Landesanstalt für Umwelt, Heft Nr. 184, Wiesbaden (1996)

[2] PRTR (Pollutant Release and Transfer Register, VERORDNUNG (EG) Nr. 166/2006 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 18. Januar 2006 über die Schaffung eines Europäischen Schadstofffreisetzungs- und -verbringungsregisters und zur Änderung der Richtlinien 91/689/EWG und 96/61/EG des Rates)

[3] AbfAblV - Abfallablagerungsverordnung vom 20. Februar 2001 (BGBl. I S. 305) aufgehoben am 16.07.2009

[4] Rosemann et al. (2015): Thünen-Report 27 - Berechnung von gas- und partikelförmigen Emissionen aus der deutschen Landwirtschaft 1990 – 2013; Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut

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