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GERDA II Hintergrundinformationen


 

... EDV-Programm zur Abschätzung von Geruchsemissionen aus 5 Anlagetypen

 

 

© Umweltministerium Baden-Württemberg,
Kernerplatz 9, 70182 Stuttgart

 

 

Hintergrundinformation zur Entwicklung von GERDA II

(Zusammenfassung aus Hintergrundbericht:  GERDA II (Erweiterung von GERDA um Ausbreitungsrechnung, Windbereitstellung und Beurteilung)), (pdf, 839 kB)

Vom Umweltministerium Baden-Württemberg wurde den Gewerbeaufsichtsämtern und den RPs das PC-Programm GERDA (im Folgenden GERDA I genannt) zur Verfügung gestellt zur Ersteinschätzung der Emissionen von 5 Typen geruchsstoffemittierender Anlagen. Dieses PC-Programm wurde nun als GERDA II so erweitert, dass damit auch Geruchsstoffimmissionen abgeschätzt und bezüglich ihrer Relevanz beurteilt werden können. Für seine Anwendung sollen keine detaillierten Fachkenntnisse und für das Rechnen keine langen Rechenzeiten erforderlich sein. Die Programmentwicklung sollte in enger Abstimmung mit der LUBW, Referat Luftqualität, Lärmschutz, Dr. Ahrens, erfolgen.

Die Arbeiten beinhalteten die Teilschritte Bereitstellung Eingangsdaten, Integration in GERDA I und Beschleunigung der Ausbreitungsrechnung, Ergebnisdarstellung, Ergebnisauswertung und Übergabe des Programms an das Umweltministerium.

GERDA II wurde stufenweise entwickelt:

Teil 1: Entwicklung eines Screeningmodells zur Berechnung von Geruchshäufigkeiten auf der Basis von AUSTAL2000 mit folgenden Vorgaben:

  • Berechnungszeit auf einem Standard-PC (2004) mit 2,6 GHz Taktfrequenz und 512 MB Speicher in weniger als 10 Minuten. (Der Berechnungsmodus mit dieser Rechenzeitvorgabe wird im Folgenden immer "Schnelle Abschätzung" genannt. Während der Projektbearbeitung wurde noch der Berechnungsmodus "Abschätzung" mit zulässigen Berechnungszeiten von 30 Minuten eingeführt. Der Berechnungsmodus "Abschätzung" ist genauer als der Berechnungsmodus "Schnelle Abschätzung")
  • Vergleichsberechnungen "Beschleunigtes Berechnungsverfahren" im Modus "Schnelle Abschätzung" gegen AUSTAL2000 mit Standardparametern mit 4 verschiedenen Ausbreitungsklassenstatistiken, hiervon 2 aus Baden-Württemberg und 3 Quellhöhen

Teil 2: Entwicklung der Oberfläche, Bereitstellung der zusätzlich erforderlichen Daten und softwaretechnische Integration:

  • Verwendung der im Land Baden-Württemberg verfügbaren Ausbreitungsklassenstatistiken und von im Rahmen des Projektes WSExpert berechneten Windrosenbeeten
  • Übertragung der mit WSExpert berechneten Windrosen mit Hilfe des Kolb-2-Verfahrens in Ausbreitungsklassenstatistiken
  • Automatische Festlegung des Rechengebietes mit einer festen Rastergröße von 50 m x 50 m
  • Darstellung der Ergebnisse in Flächenrastern
  • Automatische Bewertung der Ergebnisgüte mit einer Ampel, d. h. es werden für die Rasterdarstellung der Ergebnisse 3 Farbstufen verwendet.

Laut GERDA I können bei bestimmten Anlagen (z. B. Kompostieranlagen) bis zu 3 unterschiedliche Emissionszustände im Jahr vorliegen. Jeder Emissionszustand erfordert einen separaten Rechenlauf. Ziel der Beschleunigungsarbeiten an der Ausbreitungsrechnung von AUSTAL2000 war deshalb eine Rechenzeit von maximal 3 Minuten pro Rechenlauf.

Zur Beschleunigung von AUSTAL2000 wurden 2 prinzipiell unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten untersucht:

a) Ausschluss rechenzeitintensiver Eingangsparameter, Nutzung rechenzeitsparender Möglichkeiten von AUSTAL2000 und Vereinfachung von Eingangsdaten zur Reduktion der Rechenzeit sowie

b) Eingriffe in den Quellcode von AUSTAL2000.

Für Weg a) wurden untersucht:

  1. Vermeidung rechenintensiver Situationen: Ausbreitungsrechnung erfolgt deshalb in Absprache mit dem Auftraggeber ohne Gebäude- und Topografieeinflüsse. Die Topografie geht nur über die Windverteilung ein. Maximale Quellhöhe ist 30 m, es wird mit impuls- und auftriebslosen Quellen gerechnet.
  2. Reduktion der Anzahl der für einen Rechenlauf freigesetzten Partikel (Reduktion der Qualitätsstufe von standardmäßig qs = 0 bis auf qs = -6).
  3. Erhöhung der Fläche des Rechenrasters von standardmäßig < 30 m bis auf die laut Aufgabenstellung kleinste erforderliche Beurteilungsfläche von 50 m x 50 m.
  4. Reduktion der Anzahl der Ausbreitungsklassen in den Ausbreitungsklassenstatistiken von standardmäßig 6 auf 5, 4 oder 3 Klassen.
  5. Reduktion der Anzahl der Windrichtungsklassen von standardmäßig 36 auf 18 Klassen. Da dies in der durchgeführten Art und Weise zu deutlichen Qualitätsverlusten im Rechenergebnis führte, wurde dieser Weg nicht weiter verfolgt.
  6. Reduktion der Anzahl der Quellen. Da dies i. Allg. keinen Einfluss auf die erforderliche Rechenzeit hatte, wurde es nicht weiter betrachtet.

Für Weg b) wurden untersucht:

Berechnung der Ausbreitung nicht für jede in der Ausbreitungsklassenstatistik besetzte Windgeschwindigkeit mit dem Lagrangemodell von AUSTAL2000, sondern Lagrangeerechnung mit nur einer Windgeschwindigkeit und für die anderen Windgeschwindigkeiten zeitsparende Skalierung der Rechenergebnisse. Dieser für die neutralen und labilen Ausbreitungsklassen gangbare und Rechenzeit sparende Weg wurde jedoch nicht gewählt, weil dazu ein Eingriff in den Quellcode von AUSTAL2000 erforderlich gewesen wäre mit Zusatzarbeiten beim Erscheinen von Updates von AUSTAL2000.

Die Maßnahmen Weg a) Positionen 1 bis 4 (Position 2 mit qs = -5, Position 3 mit 50 m und Position 4 mit 3 Klassen) reduzieren in kombinierter Realisierung die Rechenzeit für die Bestimmung der Häufigkeit der Geruchswahrnehmungen im Umfeld eines Schornsteins von 10 m Höhe auf ca. 3 Minuten. Die Rechenzeit bei der Standardanwendung von AUSTAL2000 liegt bei ca. 400 Minuten (ca. 6.5 Stunden). Bei Schornsteinhöhe 30 m ergeben sich ähnliche Rechenzeiten bei etwas geringeren Rechenzeiten der Referenzläufe von ca. 300 Minuten (ca. 5 Stunden). Nur eine der Positionen 1 - 4 von Weg a) auszuführen zeigte sich als nicht effektiv genug, um die geforderte Rechenzeit zu erreichen.

Die ergriffenen Maßnahmen zur Reduktion der Rechenzeit reduzieren erwartungsgemäß auch die Rechengenauigkeit. Beschleunigte Rechnungen mit AUSTAL2000 Version 2.2.1 vom 13.04.2005 mit Schornsteinhöhen 0 m, 10 m und 30 m, einer Emission von 100 MGE/h, einer Rauigkeitshöhe auf der Ausbreitungsstrecke von zo = 0.2 m und mit allen 4 getesteten Ausbreitungsklassenstatistiken zeigen bei Rechnungen mit Qualitätsstufe qs = -5, Rechengitter 50 m x 50 m und Ausbreitungs­klassenstatistiken mit 4 Klassen folgende Abweichungen: Die Flächengrößen mit Überschreitungen der Geruchsstundenhäufigkeiten von 2 % und 5 % der Zeit des Jahres änderten sich im Vergleich zum Standardfall um bis zu -50 %, sie wurden also kleiner. Die Flächengrößen mit Überschreitungen der Geruchsstundenhäufigkeiten von 10 % und 15 % der Zeit des Jahres ändern sich im Vergleich zum Standardfall (ohne den später eingeführten Sicherheitszuschlag) zwischen +10 % und +180 %. D. h. in diesem Bereich der Geruchsstundenhäufigkeiten sind die Flächen bei den beschleunigten Rechnungen größer als bei den Standardrechnungen.

Bei den kleinen absoluten Flächengrößen treten die größten Abweichungen auf. Dies scheint dann jedoch eher an der Klassifizierung in Häufigkeitsklassen zu liegen als an der Beschleunigung der Ausbreitungsrechnung selbst.

Es wurde die Differenz aus der Geruchsstundenhäufigkeit der beschleunigten Rechnung und der Standardberechnung für alle 12 betrachteten Fälle (4 Ausbreitungsklassenstatistiken und 3 Quellhöhen) betrachtet. Es treten Werte zwischen -2.2 % und +0.9 % auf. Ein Wert kleiner als -2 % tritt nur ein Mal auf. Auf Basis dieser Erkenntnis wird bei der Ergebnisdarstellung der berechneten Geruchsstundenhäufigkeit mit dem beschleunigten Verfahren generell ein "Sicherheitszuschlag" von 2 % hinzuaddiert. D. h. wenn das beschleunigte Verfahren eine Geruchsstundenhäufigkeit von 8 % bzw. 13 % berechnet, wird eine Geruchsstundenhäufigkeit von 10 % bzw. 15 % ausgegeben bzw. dargestellt. Das beschleunigte Verfahren zusammen mit dem "Sicherheitszuschlag" ist somit i.d.R. konservativ.

Bei Rechnungen mit höheren Qualitätsstufen sind die Abweichungen geringer. Qualitätsstufe qs = -5 ist für GERDA II nur vorgesehen bei 2 oder 3 unterschiedlichen Emissionsdauern im Modus "Schnelle Abschätzung" mit Rechenzeiten < 10 Minuten. Bei einer Emissionsdauer wird mit Qualitätsstufe -4 gerechnet. Im Modus "Abschätzung" mit Rechenzeiten bis zu 30 Minuten wird die Qualitätsstufe hoch gesetzt auf -2 oder -3.

Für große Teile von Baden-Württemberg liegt im Rahmen von WSExpert die berechnete Windverteilung auf einem Raster von 500 m in 30 Grad-Schritten und für 5 Windgeschwindigkeitsstufen vor. Für Berechnungen mit AUSTAL2000 ist eine höhere Auflösung gefordert. Deshalb wird in WSExpert die Windverteilung in 10 Grad-Schritten und für    9 Windgeschwindigkeitsstufen eingeführt. Sie wurde für GERDA II (zum Zeitpunkt der Berichtsabgabe erst zum Teil) zur Verfügung gestellt.

Es wird für GERDA II die berechnete Windverteilung verwendet, die dem Immissionsort am nächsten liegt. Aus dieser Windverteilung wird mit dem sogenannten Kolb-2-Verfahren eine Ausbreitungsklassenstatistik berechnet. Hierfür wird eine Referenzausbreitungsklassenstatistik herangezogen. Das LUBW stellte uns dafür 7 gemessene Ausbreitungsklassenstatistiken zur Verfügung. Es wird immer die dem Quellort am nächsten gelegene Ausbreitungsklassenstatistik herangezogen.

GERDA II stellt die mit dem beschleunigten Verfahren berechneten Geruchsstundenhäufigkeiten auf den Rasterflächen auf der Topografischen Karte TK25 dar. Es werden für die Rasterdarstellung der Ergebnisse 3 Farbstufen verwendet: Geruchsstundenhäufigkeiten unter 10 %: keine Einfärbung, Geruchsstundenhäufigkeiten größer oder gleich 10 % jedoch kleiner als 15 %: blaue Einfärbung der Rasterflächen und Geruchsstundenhäufigkeiten größer oder gleich 15 %: rote Einfärbung der Rasterflächen.

Zusätzlich erstellt das Programm ein Protokoll mit Angabe aller Eingangsdaten und der verwendeten Windinformation.

Der Nutzer beurteilt die dargestellten Geruchsstundenhäufigkeiten entsprechend der GIRL. Signalisiert die mit GERDA II durchgeführte Abschätzung unzulässige Immissionen, besteht näherer Untersuchungsbedarf.