24. Aug. 2018
Blick auf Zürich, den Zürichsee und die Alpen.

Blick auf Zürich, den Zürichsee und die Alpen.

Die Stadt Zürich hat sich ein ehrgeiziges Ziel gesetzt. Bis zum Jahr 2050 soll in der Kommune für jeden ihrer rund 400.000 Einwohner nur noch eine Tonne Kohlendioxid im Jahr freigesetzt werden – weniger als ein Drittel der derzeitigen Emission. Zukünftig wird die Stadt ihre Fortschritte auf dem Weg dorthin auf das Stadtviertel genau verfolgen können. Die Empa, wie sich die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt  in Dübendorf bei Zürich nennt, baut mit Carbosense gerade für die Gesamtschweiz ein dichtgeknüpftes Sensornetz zur Kohlendioxidmessung auf.

Zürich ist das städtische Carbosense-Testgebiet, weil die Empa für die Stadt hervorragende Rechenmodelle besitzt, mit denen die Datenpunkte zu einem Gesamtbild über Tage und Jahreszeiten hinweg zusammengeführt werden können. "Wir können sehen, wie die Stadt CO2 atmet", erklärte Lukas Emmenegger, der Leiter des Empa-Labors für Luftfremdstoffe und Umwelttechnik auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien, wo er das Netzwerk vorstellte.

Die CO2-Emissionen des Großraums Zürich (hier aus den Jahren 2013/14) können künftig viel besser gemessen werden.

Die CO2-Emissionen des Großraums Zürich (hier aus den Jahren 2013/14) können künftig viel besser gemessen werden.

Bild: Empa
Mittelgroße Messgeräte des Empa-CO2-Messnetzes bei der Kalibrierung.

Mittelgroße Messgeräte des Empa-CO2-Messnetzes bei der Kalibrierung.

Bild: Empa
Die Standorte des Carbosense-Netzwerks der Empa in der Schweiz.

Die Standorte des Carbosense-Netzwerks der Empa in der Schweiz.

Bild: Empa
1 / 3

Die CO2-Emissionen des Großraums Zürich (hier aus den Jahren 2013/14) können künftig viel besser gemessen werden.

Bild: Empa

Mittelgroße Messgeräte des Empa-CO2-Messnetzes bei der Kalibrierung.

Bild: Empa

Die Standorte des Carbosense-Netzwerks der Empa in der Schweiz.

Bild: Empa

Das Sensornetz ergänzt die traditionellen und extrem teuren Hightech-Messstationen, von denen die Schweiz insgesamt fünf betreibt, mit 300 preiswerten Infrarot-Fühlern, wie sie tausendfach in der Lüftungskontrolle eingesetzt werden. 50 davon sind allein im Züricher Stadtgebiet verteilt. Zusammen mit weiteren Sensoren für Temperatur und Luftfeuchte, einer Kommunikationseinheit und den Batterien, die eine Lebensdauer von mehreren Jahren verleihen, kommt der CO2-Sensor in einer vielleicht seifendosengroßen Box unter und ist für rund 500 Euro erhältlich.

Preiswerte Ergänzung der teuren Präzisionstechnik

"Diese Sensoren sind natürlich viel billiger, aber auch viel weniger genau, viel weniger verlässlich als die Präzisionsinstrumente, die jeweils Hunderttausende Euro kosten", so Emmenegger, "die Frage ist nun: Wie kann man solche günstigen Sensoren kombinieren mit sehr verlässlicher, aber teurer Messtechnik und mit Modellen, um ein sehr viel genaueres Verständnis der CO2-Verteilung in einem Land und auch in einer Stadt zu haben." Gerade aufgestellt wird die dritte Komponente des Netzes, 20 mittelgroße Messsysteme, die so etwas wie eine Brücke zwischen den vereinzelten Präzisionsinstrumenten und der Datenflut des ungenaueren Sensornetzwerks bilden. Zum Jahresende soll das komplette System aufgebaut sein, die folgenden beiden Jahre wird es im Testbetrieb laufen.

"Mit diesen Instrumenten können wir in der Stadt Zürich und schließlich ausgeweitet auf die ganze Schweiz, CO2 mit sehr hoher zeitlicher und auch räumlicher Auflösung messen, so wie man das eben mit klassischen Messgeräten nicht kann", betonte Emmenegger. So zeigen die Sensoren, die seit dem vergangenen Jahr schon in Zürich installiert sind, nicht nur die üblichen Verdächtigen unter den CO2-Quellen, also Verkehr und Wohnungsheizungen. "Auch in einer Stadt wie Zürich ist die Biologie ein ganz wesentlicher Treiber der CO2-Emissionen", sagte Lukas Emmenegger, "im Sommer haben wir eben nicht während der Verkehrsspitzenzeiten die höchsten Konzentrationen, sondern während der Nacht am Rande der Stadt, wenn der Boden CO2 abgibt."

Alle zehn Minuten ein Datenpunkt

Mehrmals in der Minute messen die 300 Sensoren den Kohlendioxidgehalt an ihrem Standort, mitteln die Werte über zehn Minuten und senden diesen Mittelwert dann über das Niedrigenergie-Funknetz LORAWAN der Swisscom an die Empa-Zentrale in Dübendorf. Dort liefern die Sensordaten die örtlichen Detailinformationen, die in den Rahmen aus den Messungen der Präzisionsmessgeräte eingehängt werden. Wirklich preiswert ist ein solches Messsystem nicht, das weiß auch Empa-Ingenieur Lukas Emmenegger. "Letztlich ist der günstige Sensor der Nukleationspunkt für ein sehr teures System, mit dem man aber natürlich Informationen in einer räumlichen Auflösung erhält, die bis jetzt nicht verfügbar war."

In der Testphase wollen die Empa-Forscher natürlich das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten ihres Netzwerkes testen. Vor allem wollen sie aber Möglichkeiten ausloten, die schlechtere Messqualität der verteilten Sensoren zu beherrschen. "Diese Sensoren sind auf lange Frist nicht genügend stabil", erklärte Lukas Emmenegger, "man muss sich also überlegen, wie man das veränderte Messverhalten des günstigen Sensors anbinden kann an etwas, was teuer, aber dafür sehr verlässlich ist." Die mangelnde Datenqualität der verteilten Sensoren ist wohl auch der gravierendste Nachteil eines derart aufgebauten dichten Messnetzes. Die massengefertigten CO2-Sensoren sind ebensowenig wie die gleichfalls erhältlichen Massenfühler für Stickoxide für rechtlich belastbare Messsysteme geeignet, wie sie etwa für die EU-Stickoxid-Grenzwerte nötig sind. "Wenn man eine verlässliche Aussage über die Luftqualität erhalten will", so Emmenegger, "braucht es Referenzsysteme, und die werden auf absehbare Zeit ziemlich teuer bleiben."