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Sep 06, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13708 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Klimawandel und die Luftverschmutzung durch Feinstaub stellen eine große Bedrohung für das menschliche Wohlergehen dar, da sie Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Beide sind mit wichtigen Luftschadstoffen wie Kohlendioxid (CO\(_\text {2}\)), primärem Feinstaub (PM\(_\text {2.5}\)) und Schwefeldioxid (SO\(_) verbunden. \text {2}\)), Stickoxide (NO\(_\text {x}\)) und Ammoniak (NH\(_\text {3}\)), die vor allem aus energieintensiven Industriesektoren emittiert werden . Wir präsentieren die erste Studie, die ein breites Spektrum an Emissionsmessungen für diese Stoffe konsequent mit standortspezifischen technischen Daten, Emissionsmodellen und atmosphärischen Schicksals- und Wirkungsmodellen verknüpft, um die gesundheitlichen Auswirkungen zu quantifizieren, die von nahezu allen globalen fossilen Kraftwerken, Stahlwerken und Öl verursacht werden Raffinerien und Zementwerke. Die resultierenden Gesundheitswirkungsmuster unterscheiden sich aufgrund der hohen Auflösung der einbezogenen Daten erheblich von weitaus weniger detaillierten früheren Studien und unterstreichen insbesondere die Schlüsselrolle der Emissionsminderung an einzelnen kohleverbrauchenden Industriestandorten in dicht besiedelten Gebieten Asiens (Nord- und Nordostasien). Indien, Java in Indonesien, Ostchina), Westeuropa (Deutschland, Belgien, Niederlande) sowie in den USA. Von größter gesundheitlicher Besorgnis sind die hohen SO\(_\text {2}\)-Emissionen in Indien, die durch fehlende Rauchgasbehandlung hervorstechen und trotz einer begrenzten Anzahl an Emissionsstandorten einen besonders hohen Anteil an lokalen Gesundheitsbelastungen verursachen. Gleichzeitig stellt der massive Aufbau von Infrastruktur und Exportkapazitäten in China in den letzten Jahren einen erheblichen Tribut an die regionale und globale Gesundheit dar und erfordert aufgrund ungünstiger Umweltbedingungen und hoher Bevölkerungsdichten eine strengere Regulierung als im Rest der Welt . Es zeigt sich, dass der derzeitige Ausstieg aus Industriezweigen mit hohem Schadstoffausstoß in Europa nicht an den Standorten begonnen hat, die die größten Auswirkungen auf die Gesundheit haben. Unser detailliertes standortspezifisches Emissions- und Wirkungsinventar ist in der Lage, wirksamere Alternativen hervorzuheben und zukünftige Fortschritte zu verfolgen.

Industrieemissionen, insbesondere aus energieintensiven Sektoren, wurden als Hauptquellen für Treibhausgasemissionen (THG) und Feinstaubemissionen (PM) identifiziert, die beide die beiden Hauptursachen für die Auswirkungen der globalen Umweltverschmutzung darstellen1,2,3. Die mit diesen Auswirkungen verbundenen relevanten Stoffe sind hauptsächlich Kohlendioxid (CO\(_\text {2}\)), Methan (CH\(_\text {4}\)), Primärpartikel mit einem Durchmesser unter 2,5\( \,\upmu\)m (PM\(_\text {2.5}\)), Schwefeldioxid (SO\(_\text {2}\)), Stickoxide (NO\(_\text {x}\) )), Ammoniak (NH\(_\text {3}\)) und Schwermetalle. Zahlreiche Studien schlagen Möglichkeiten vor, die Auswirkungen der globalen Umweltverschmutzung durch industrielle Quellen zu mildern. Ihr Umfang wird jedoch durch die Verfügbarkeit standortspezifischer Emissions- und Schadstoffdaten eingeschränkt, die üblicherweise durch Top-Down-Ansätze (z. B. mit nationalen statt standortspezifischen Emissionen) geschätzt werden Faktoren) kombiniert mit groben Proxy-Daten4. Daher können solche Studien stark standortspezifische Schadstoffauswirkungen aufgrund von Emissionsunterschieden zwischen Industrieanlagen (auch desselben Typs), Wetter, atmosphärischen Bedingungen, exponierter Bevölkerung oder Hintergrundverschmutzung nicht ausreichend berücksichtigen, während auch technische Daten für jeden Standort fehlen schränkt Rückschlüsse auf die Wirksamkeit konkreter Verbesserungsmaßnahmen ein. Daher sind weltweit keine realistischen Verbesserungsvorschläge verfügbar. Wir schließen diese Lücke, indem wir Emissionsmessungen mit detaillierten globalen standortspezifischen Modellen von mehr als 125.000 Stromerzeugungseinheiten, 3.500 Zementöfen, 1.500 Hochöfen für die Primärstahlproduktion und 700 Ölraffinerien kombinieren (und damit nahezu die vollständige globale Abdeckung erreichen) und das Potenzial zur Reduzierung der Umweltverschmutzung quantifizieren für Treibhausgasauswirkungen und PM-Gesundheitsauswirkungen auf der Grundlage zusätzlicher Minderungsmaßnahmen. Somit ist die vorliegende Studie in der Lage, mehr als 90 % der weltweiten stationären CO\(_\text {2}\)-Emissionen5 abzudecken.

Globale Muster der Luftverschmutzung stehen in engem Zusammenhang mit der Nutzung von Kohle in den verschiedenen Industriesektoren. Diese Art fossiler Brennstoffe weist nicht nur die höchste CO-Emissionsintensität unter den drei Hauptarten fossiler Brennstoffe (Kohle, Gas und Öl) auf, sondern ist auch für hohe CO-Emissionen verantwortlich Exposition gegenüber primärer und sekundärer Feinstaubbelastung. Ein direkter Vergleich der gesundheitlichen Auswirkungen von globaler Erwärmung und Feinstaub zeigt, dass diese in einer ähnlichen Größenordnung liegen (Abb. 1). Die Unsicherheiten sind zu groß, um aus den Unterschieden in den absoluten Mengen dieser gesundheitlichen Auswirkungen aufgrund methodischer Unterschiede weitere Schlussfolgerungen abzuleiten (Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen (SI)).

Sektoraler Emissions- und Wirkungsvergleich in [%] Beitrag zu den Gesamtwerten in jeder Kategorie für 2016 (Globalerwärmungsbedingt in Grau oder PM-Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit in Rot). Die Gesamtbeträge für Emissionen und Auswirkungen sind unten in der Abbildung angegeben. Die Aufteilung der gesundheitlichen Auswirkungen zwischen PM \(_\text {2.5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) und NH\(_\text {3 }\) beträgt 18 %, 53 %, 27 % bzw. 2 %. Die vollständigen Daten sind in der Zusatztabelle 24 dargestellt. Jedes Stahlwerk kann aus mehreren Hochöfen bestehen, während jedes Zementwerk aus mehreren Öfen bestehen kann.

Der Hauptverursacher der Treibhausgasemissionen und der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit weltweit ist die Kohleverstromung und insbesondere die groß angelegte Kohleverstromung. Der Großteil der CO\(_\text {2}\)-Emissionen des Kohlekraftwerks wird in China verursacht, wo enorme Mengen an Energie für den Inlandsverbrauch und die Produktion von Exportgütern benötigt werden. Die PM\(_\text {2,5}\)- und PM\(_\text {2,5}\)-Vorläuferemissionen von Kohlekraftwerken in China sind in den letzten Jahren aufgrund der Einführung strenger Emissionsgrenzwerte für Kohlekraftwerke erheblich zurückgegangen im Jahr 2012, aber die gesundheitlichen Auswirkungen bleiben aufgrund der Bevölkerungsdichte und ungünstiger Umweltbedingungen wie saisonal niedriger Windgeschwindigkeiten in Kombination mit kalten Temperaturen weiterhin hoch. Die beiden Länder der Welt, die aufgrund der gesundheitlichen Auswirkungen von PM\(_\text {2,5}\) noch stärker hervorstechen, sind Indien und Indonesien, die ebenfalls dicht besiedelt sind, aber darüber hinaus über milde Umweltvorschriften verfügen und Schwierigkeiten haben, selbst die bestehenden umzusetzen Umweltgesetze. Infolgedessen liegt die Rauchgasbehandlung eines Großteils der Kohlekraftwerke weit hinter internationalen Standards zurück. In anderen Teilen der Welt, beispielsweise in Westeuropa oder Nordamerika, sind der allgemeine Umfang und die Durchsetzung der Umweltvorschriften strenger. Allerdings haben die hohen Standards für neue Kraftwerke sowie die Kosten für hochwertigere Kohle zu einer Marktsituation geführt, in der der Betrieb neuer, hocheffizienter Steinkohlekraftwerke mit geringeren gesundheitlichen Auswirkungen teilweise weniger rentabel ist als der Betrieb alter Braunkohlekraftwerke Anlagen mit deutlich höheren Emissionen. Infolgedessen werden einige der neuesten Kraftwerke derzeit abgeschaltet, während ältere, umweltschädlichere Kraftwerke weiter betrieben werden6. Darüber hinaus befinden sich Kohlekraftwerke häufig auch in oder in der Nähe von Ballungszentren unter Umweltbedingungen, die die Bildung von sekundärem Feinstaub begünstigen. Daher sind die gesundheitlichen Auswirkungen von Kohlekraftwerken auch in Europa hoch Nordamerika7.

Andere Kraftwerkstypen wie Gasturbinen verschlimmern die Situation zusätzlich, wenn sie über ein hohes Alter verfügen, innerhalb der Stadtgrenzen liegen und über geringe Schornsteinhöhen verfügen. Unter solchen Bedingungen sind selbst kleine Öl- oder Gaskraftwerke für einen unverhältnismäßig großen Anteil der PM-bedingten Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit verantwortlich, während die CO-Auswirkungen geringer sind als bei Kohlekraftwerken. Manchmal tragen ungeeignete Geräte oder ungeeigneter Betrieb zusätzlich zu den gesundheitlichen Auswirkungen bei, beispielsweise in Afrika, wo für die Grundlaststromerzeugung einige Notstromdieselgeneratoren mit geringem elektrischen Wirkungsgrad und ohne Maßnahmen zur Emissionsreduzierung eingesetzt werden. Insgesamt verursacht jedoch insbesondere die moderne Gasverstromung deutlich geringere gesundheitliche Auswirkungen als die Kohleverstromung am gleichen Standort, da nur die NO\(_\text {x}\)-Emissionen pro erzeugter Strommenge in einer ähnlichen Größenordnung liegen können. Die Auswirkungen von Gaskraftwerken kommen vor allem aus den USA (wo Erdgas aus Fracking die Kohle als billigsten fossilen Brennstoff ersetzt hat), der EU (wo mehrere Länder trotz der Kosten Erdgas nutzen, um die Stromerzeugung aus Kohle teilweise zu ersetzen) und Japan (wo die Rolle spielt). der Gasstrom ist nach der Abschaltung des Kernkraftwerks ab 2011 gestiegen). Andererseits sind die globalen Auswirkungen der Stromerzeugung aus Erdöl schwer zu quantifizieren, da ihre Nutzung am häufigsten in Entwicklungsländern erfolgt, in denen die Aufzeichnungen zur Stromerzeugung unvollständig sind. Ölkraft wird in diesen Regionen genutzt, weil die Infrastrukturanforderungen für Ölkraft relativ gering sind und es sich um Länder im Nahen Osten handelt, die über reichliche Ölreserven und günstige Ölpreise verfügen.

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist eine gängige Technik zur Steigerung der Gesamtausnutzung von Brennstoffen, obwohl dadurch die elektrische Effizienz von Kraftwerken sinken kann. Für verschiedene energieintensive Industrien wie die chemische Industrie ist dies der Schlüssel zur Verbesserung der Prozessökonomie. Insbesondere Dampfturbinen mit kleiner elektrischer Leistung (unter 100 MW) verfügen häufig über hohe Kapazitäten zur Wärme- oder Dampferzeugung. Das Ignorieren der Kraft-Wärme-Kopplung kann zu einer massiven Unterschätzung der damit verbundenen CO\(_\text {2}\)-Emissionen führen, was ein großes Problem bei den IEA-Daten8 darstellt, da diese erhebliche Lücken in Bezug auf die Kraft-Wärme-Kopplung aufweisen. Generation (z. B. in China). Verbrennungsmotoren weisen selbst bei kleinen Leistungen einen hohen elektrischen Wirkungsgrad auf, ihre Abwärme ist jedoch von geringer Qualität, da ein großer Teil der Wärme unter 100 \(^\circ\)C liegt, sodass sie selten für Co-Motoren verwendet werden. Erzeugung in industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturanforderungen. Stattdessen werden sie häufig für gewerbliche Anwendungen eingesetzt (z. B. in Schulen, Krankenhäusern, Flughäfen oder Einkaufszentren), wo im Winter Niedertemperatur-Abwärme für Gebäude genutzt werden kann, während sie manchmal mit Kältemaschinen gekoppelt sind, um die Abwärme zur Kühlung zu nutzen im Sommer. Die Komplexität realer Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen lässt sich in dieser globalen Studie nur schwer in Form von Betriebsdaten (z. B. über den Einsatz zusätzlicher Dampfturbinen oder Hilfskessel) oder Grundparametern (z. B. bei Wärme mit mehreren Druck- und Temperaturniveaus) erfassen ) sind im Allgemeinen nicht verfügbar. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies einen großen Einfluss auf die globalen Emissionsmuster in unserer Studie hat, da dies vor allem das Verhältnis und die Qualität der Wärme- und Stromproduktion einzelner Einheiten beeinflusst, während es im Hinblick auf Emissionen und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit eine vergleichsweise begrenzte Rolle spielt.

In Entwicklungsländern wie China und Indien ist die Primärstahlproduktion in den letzten Jahren gestiegen, während die Primärstahlproduktion in den industrialisierten Regionen Europas (wie dem deutschen Ruhrgebiet) und Nordamerika (wie im US-Rostgürtel) stagniert oder zurückgeht neben steigenden Importen von Stahlprodukten. Somit kommt es derzeit zu einer anhaltenden Belastungsverlagerung von den Industrieländern zu den Entwicklungsländern9, aber aufgrund einer höheren Anfälligkeit für gesundheitliche Auswirkungen von Feinstaub in Asien aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte und teilweise niedrigeren Emissionsstandards sind die gesundheitlichen Auswirkungen der Primärstahlproduktion nicht zu übersehen sind steigend. Ein Großteil dieser gesundheitlichen Auswirkungen kommt aus China (Abb. 2e), wo Überkapazitäten in den Stahlwerken im letzten Jahrzehnt zu einem Rückgang der weltweiten Stahlpreise und zu einem höheren Stahlverbrauch geführt haben, was wiederum die damit verbundenen Auswirkungen noch verstärkt .

Traditionell war die Produktion von Primärstahl sehr arbeitsintensiv, weshalb große Städte in der Nähe der größten Stahlwerke liegen. Heutzutage sind diese Städte größer geworden, obwohl die Zahl der Arbeiter pro Tonne Primärstahlproduktion zurückgegangen ist. Dadurch befinden sich viele große Stahlwerke in unmittelbarer Nähe vieler Menschen, was zu sehr hohen gesundheitlichen Auswirkungen pro Stahlwerk führt, selbst in Regionen wie Europa, Nordamerika oder Südamerika (Abb. 2e). Die Hauptquellen der regionalen oder lokalen Gesundheitsauswirkungen sind die Emissionen aus Kokereien und Sinteranlagen, die hinsichtlich der Emissionen vor Ort eine zentrale Rolle spielen. Eine grundlegende Reduzierung der primären PM\(_\text {2.5}\)-Emissionen aus diesen Anlagen ist üblich, aber eine fortgeschrittenere Reduzierung für SO\(_\text {2}\) und NO\(_\text {x}\) sind kostspieliger und schwieriger umzusetzen. Wo die Informationen zu Rauchgasbehandlungstechnologien für die Standorte unvollständig waren, gingen wir von durchschnittlichen Abgasreinigungsbedingungen gemäß Berechnungsrichtlinien aus10,11.

Einige PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen werden durch den Umgang mit Materialien in den Verkokungs- und Sinterprozessen verursacht und hängen daher von betrieblichen Praktiken sowie einer ordnungsgemäßen Gerätewartung ab, für die im Allgemeinen keine geeigneten Daten verfügbar sind. Daher können die realen Emissionsauswirkungen dieser Art von Anlagen abweichen und sogar extremer ausfallen als die in der vorliegenden Studie berechneten. Während Koks nur manchmal extern hergestellt wird, ist dies bei der Pelletierung weitaus üblicher. Daher entgeht uns möglicherweise ein erheblicher Teil der Auswirkungen der Pelletierung durch vorgelagerte Lieferketten. Die Kalkproduktion findet nur in einigen großen Stahlwerken statt, spielt aber trotz der häufig geringen Stapelhöhen von rund 30 m keine große Rolle im Hinblick auf die gesundheitlichen Auswirkungen der Stahlwerke. Die gesundheitlichen Auswirkungen durch CO\(_\text {2}\)-Emissionen aus der Primärstahlproduktion gehen hauptsächlich auf Hochöfen zurück, die eine Hauptquelle der globalen CO\(_\text {2}\)-Emissionen darstellen, und auf a geringerem Maße von den Konvertern.

Ölraffinerien sind in Industrie- und Entwicklungsländern regional relativ weit verstreut, mit Ausnahme einiger großer Raffineriegebiete wie in Texas oder Kalifornien. Die am wenigsten entwickelten Länder betreiben keine eigenen Ölraffinerien und sind auf den Import von Ölprodukten angewiesen, die oft von schlechter Qualität sind (z. B. mit hohem Schwefelgehalt) und höhere Emissionen in der Stromerzeugung, im Verkehrssektor und in der industriellen Wärmeversorgung verursachen. Die Hauptquellen für CO\(_\text {2}\) und PM-bedingte Emissionen globaler Raffinerien sind das Energieversorgungssystem der Raffinerie, der Fluid Catalytic Cracker (FCC) und die Schwefelproduktion (sofern vorhanden). Die Emissionen aus der Wärmeversorgung werden daher überwiegend durch die Art der eingesetzten Brennstoffe und nicht durch den raffineriespezifischen Brennstoffverbrauch pro verarbeiteter Rohölmenge geprägt, da die Emissionsintensitäten der typischen Brennstoffe stark variieren können. In Industrieländern nimmt der Einsatz von Erdgas zur Wärmeversorgung zu8, da die in der Vergangenheit häufig verwendeten minderwertigen Sumpfprodukte aus der Raffination (z. B. schweres Heizöl) oder Petrolkoks nicht mehr den Emissionsstandards entsprechen und dies erfordern würden Installation kostspieliger Rauchgasbehandlungssysteme. Daher gibt es einen Trend, in teurere und energieintensivere Aufbereitungstechnologien zu investieren oder den Petrolkoks in Länder mit niedrigeren Emissionsstandards zu verkaufen. Beispielsweise wird ein großer Teil minderwertiger Petrolkoks aus US-Raffinerien nach Indien verkauft, wo diese Art von Abfallprodukt als billiger Brennstoff für Zementwerke mit begrenzter Nachverbrennungsreduzierung verwendet wird.

FCC und andere Prozesse, die eine Katalysatorregeneration durch Verbrennung erfordern, sind in der Regel die größten Einzelquellen für Emissionen und gesundheitliche Auswirkungen in einer Raffinerie, sofern für diese Prozesse keine ordnungsgemäße Abgaskontrolle erfolgt. Heutzutage sind viele davon mit elektrodynamischen Venturiwäschern (EDVs) ausgestattet, die sowohl PM\(_\text {2,5}\)- als auch SO\(_\text {2}\)-Emissionen reduzieren und weiter ausgebaut werden können um auch die NO\(_\text {x}\)-Emissionen zu reduzieren. Während die PM\(_\text {2,5}\)-Emissionswerte von EDVs höher sein können als bei Elektrofiltern (ESPs), ist dies bei der anderen sehr verbreiteten PM\(_\text {2,5}\)-Entfernungstechnologie für FCCs der Fall Mehrere Vorteile, darunter minimaler Flächenbedarf und begrenzte Investitionskosten. Diese Technologie ist in den USA und China weit verbreitet. In den meisten Entwicklungsländern ist die Reduzierung der FCC-Emissionen möglicherweise weniger weit fortgeschritten als in Industrieländern, es fehlen jedoch entsprechende Daten.

Eine weitere Hauptquelle für SO\(_\text {2}\)-Emissionen kann der Schwefelproduktionsprozess (meistens ein zweistufiger Claus-Prozess) sein, wenn keine angemessene Abgasbehandlung angewendet wird. Wir haben bei den meisten der jüngsten Installationen eine Abgasbehandlung festgestellt, sodass erhebliche Fortschritte bei der Eliminierung großer SO\(_\text {2}\)-Emissionen aus diesem Prozess erzielt wurden. Auch Emissionsbeiträge aus Fackeln können im Einzelfall erheblich sein (z. B. bei längerfristigen Betriebsstörungen der Raffinerie, bei mangelhafter Anlagenwartung oder aufgrund größerer Unfälle). Die Quantifizierung der gesundheitlichen Auswirkungen von Abfackelungen ist eine Herausforderung, da Emissionen normalerweise nicht direkt gemessen werden und nur annähernd geschätzt werden können. Ein unsachgemäßer Fackelbetrieb kann beispielsweise die Emissionen von PM\(_\text {2,5}\) um mehrere Größenordnungen verändern12 und kann in der vorliegenden Studie nicht vollständig erfasst werden. Verkokung und katalytische Reformierung spielen in unserer Analyse keine große Rolle für Emissionen und Auswirkungen. Da Raffinerien im Allgemeinen sehr schwierig zu betreiben sind und die Ausrüstung hochspezialisiert ist, gibt es nur wenige Unternehmen auf dem Markt und die meisten modernen Großraffinerien folgen vergleichsweise hohen Standards. Dennoch stellen sie aufgrund ihrer Größe oft eine große Quelle gesundheitlicher Auswirkungen in einer Region dar.

Zementwerke gibt es in den meisten Teilen der Welt und oft auch in der Nähe von Großstädten, in denen Zement für Bauprojekte benötigt wird. Daher führen ihre Emissionen häufig zu einer hohen Schadstoffbelastung für die lokale Bevölkerung und die gesundheitlichen Auswirkungen können hoch sein, insbesondere im Fall niedriger Schornsteine ​​in Kombination mit hohen primären PM-Emissionen. Der höchste Anteil der Auswirkungen auf Zementwerke ist bei modernen Zementwerken in China zu beobachten, da in den letzten Jahren der Zementbedarf für den Infrastrukturaufbau gestiegen ist9. Chinesische Zementwerke leisten vor Ort einen großen Beitrag zu den Auswirkungen, auch wenn ihre Emissionen aufgrund ihrer Anzahl und Größe durch den Einsatz modernster ESPs oder Baghouses reduziert wurden. Der Einsatz hocheffizienter Öfen mit Vorwärmern und Vorkalzinatoren hat nicht nur in China zu einer Emissionsreduzierung von CO\(_\text {2}\) und NO\(_\text {x}\) pro produzierter Klinkermenge beigetragen aber auch in den meisten anderen Ländern der Welt. Alte Drehrohröfen wurden meist mit Vorwärmern und Vorkalzinatoren nachgerüstet, um die Effizienz und Anlagenkapazitäten zu verbessern. Wir haben festgestellt, dass in wenigen Regionen wie Russland oder Italien noch Drehrohröfen älterer Bauart ohne Vorwärmer und Vorkalzinator in Betrieb sind. Zukünftige Reduzierungen der CO\(_\text {2}\)-Emissionen werden durch die stöchiometrische Freisetzung von CO\(_\text {2}\) aus der CaCO\(_\text {3}\)-Kalzinierung begrenzt, die dafür verantwortlich ist etwa zwei Drittel der aktuellen CO\(_\text {2}\)-Emissionen moderner Klinkeröfen. Dieser Anteil kann nur durch Kohlenstoffabscheidung oder durch Reduzierung des Klinkeranteils im Zement verringert werden.

Die am häufigsten verwendeten Brennstoffe, bei denen es sich hauptsächlich um minderwertige Kohle oder Petrolkoks handelt, weisen begrenzte Unterschiede in der CO\(_\text {2}\)-Emissionsintensität auf. Es wurde festgestellt, dass die ungeminderten NO\(_\text {x}\)-Emissionen unabhängig vom Typ der Zementanlage hoch sind, obwohl moderne Anlagen typischerweise etwas niedrigere NO\(_\text {x}\)-Emissionen pro Klinkerproduktion aufweisen. Daher wurde in den meisten Zementöfen der USA, Europas, Chinas und Japans die NO\(_\text {x}\)-Minderung nach der Verbrennung mittels selektiver nichtkatalytischer Reduktion (SNCR) eingesetzt. Die Effizienz der Emissionsreduzierung dieser Technologie variiert je nach der Menge an NH\(_\text {3}\), die eingespritzt wird. NH\(_\text {3}\) wird nur teilweise verbraucht, der Rest wird als Ammoniakschlupf emittiert. NH\(_\text {3}\) ist auch ein Vorläufer für PM\(_\text {2,5}\), sodass in den Ländern, in denen es verwendet wird, gewisse Kompromisse beim SNCR-Einsatz zu beobachten sind (vgl. Abb . 2k). Darüber hinaus können hohe NH\(_\text {3}\)-Konzentrationen im Rauchgas zu unerwünschten Betriebsproblemen wie der Bildung abgelöster Rauchfahnen führen. Einsatz einer effektiveren NO\(_\text {x}\)-Kontrolle mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR), was gleichzeitig zu einem geringeren Ammoniakschlupf und NO\(_\text {x}\) im Vergleich zu führt SNCR wird derzeit in etwa einem Dutzend Zementwerken weltweit implementiert und wird voraussichtlich weiter zunehmen. SO\(_\text {2}\)-Emissionen werden nur durch Wäscher in einigen wenigen Zementwerken verringert, die andernfalls große Mengen an unvermindertem SO\(_\text {2}\) ausstoßen würden, und sind im Vergleich dazu im Allgemeinen von geringerer Bedeutung die Emissionen von NO\(_\text {x}\), da Kalksteineinträge in den Ofen typischerweise einen Teil der Schwefeleinträge als Gips binden.

Aufgrund der Nichtverfügbarkeit globaler Brennofen-Input-Zusammensetzungen (Brennstoffe und Rohstoffe) erfasst unser Modell nicht die vollständige Variabilität der SO\(_\text {2}\)-Emissionsniveaus, wenn Emissionen nicht gemessen und gemeldet werden. Ebenso hängt der Ammoniakschlupf stark von den Ofeneinsätzen und den Betriebsbedingungen ab und kann daher stärker abweichen als von uns berechnet. Vor-Ort-Zementmühlen tragen nur geringfügig zu den direkten PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen11 bei und wurden daher weggelassen. Die gesamten CO\(_\text {2}\)-Emissionen aus unserem Inventar auf Einheitsebene lassen sich gut mit einer aktuellen Studie auf Weltregionsebene vergleichen13, aber die Emissionen anderer Schadstoffe und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit unterscheiden sich erheblich, da wir die standortspezifischen Typen einbeziehen der Rauchgasbehandlung, der gemeldeten Emissionsmessungen, Schornsteinhöhen und der standortspezifischen nichtlinearen Berechnung von Schadstoffverbleib und -wirkung.

Karten der Auswirkungen von Feinstaub auf die Gesundheit, die zeigen, wo bei vollständiger Emissionsminderung Reduzierungen auftreten könnten (logarithmische Skala, jährliche durchschnittliche CFs, marginale EFs), als (a) Gesamtwerte, (bg) pro Emissionsquelle und (h–k) pro Primärschadstoff. Auswirkungen werden in [DALY/km\(^{2}\)/a] ausgedrückt.

Die Hauptprioritäten für Verbesserungen der gesundheitlichen Auswirkungen im Energiesektor sind die Reduzierung der hohen Emissionen von CO\(_\text {2}\) und SO\(_\text {2}\) aus der Kohleverstromung. Während die Auswirkungen beider aufgrund unterschiedlicher Zeitskalen, Messbarkeit, Wirkungspfade und Nichtlinearität der menschlichen Expositions-Reaktion gegenüber Schadstoffen nur sehr schwer zu vergleichen sind14,15, gibt es dennoch zahlreiche Belege dafür, dass beide eine ernsthafte Bedrohung für das menschliche Wohlbefinden darstellen1 ,2,3,15,16. Die potenziellen Vorteile der Reduzierung der SO\(_\text {2}\)-Emissionen von Kohlekraftwerken sind im Nordosten Indiens und auf Java in Indonesien am höchsten (Abb. 2b, i), wo die aktuellen Kohlekraftwerke normalerweise keine davon haben Art der Nachverbrennung SO\(_\text {2}\) Rauchgasbehandlung. Weitere Hotspots der Kohleverstromungsverschmutzung mit großen Auswirkungen befinden sich in Südafrika, Mexiko und auf den Philippinen, wo Kohlekraftwerke häufig ebenfalls extreme SO\(_\text {2}\)-Emissionsraten aufweisen. In China, Deutschland, Japan und Teilen der USA werden die SO\(_\text {2}\)-Emissionswerte aus der Kohleverstromung strenger durchgesetzt, aber hohe lokale oder regionale Bevölkerungsdichten führen immer noch zu erheblichen Auswirkungen der Kohleverstromung SO\(_\text {2}\)-Emissionen. Da in den Anlagen dieser Länder in der Regel bereits moderne SO\(_\text {2}\)-Reduktionsanlagen installiert sind, bleibt nur die Möglichkeit, auf Brennstoffe mit geringerem Schwefelgehalt umzusteigen (z. B. durch Verwendung hochwertigerer oder gewaschener Kohle). , Verwendung besserer Sorptionsmittel bei der Rauchgasbehandlung (z. B. durch Ersetzen von Kalkstein durch Kalk) oder durch Reduzierung der Kohleverstromung in gefährdeten Gebieten. Auch hohe NO\(_\text {x}\)-Emissionen aus der Kohleverstromung geben Anlass zur Sorge, insbesondere bei älteren Kesseln, in denen die Verbrennungsbedingungen die Bildung von NO\(_\text {x}\) begünstigen.

Begrenzte Verbesserungspotenziale können durch einfache Änderungen der Verbrennungsbedingungen realisiert werden, aber das Erreichen hochmoderner NO\(_\text {x}\)-Emissionsniveaus kann typischerweise nur mit neuen niedrigen NO\(_\) erreicht werden. text {x}\) Brenner (LNBs) und Nachverbrennungsminderung durch SCR. Unserer Einschätzung nach überwiegen die gesundheitlichen Vorteile der NO\(_\text {x}\)-Emissionsreduzierung den beobachteten NH\(_\text {3}\)-Verlust durch den SCR-Betrieb. Die primären gesundheitlichen Auswirkungen von PM\(_\text {2.5}\) durch groß angelegte Kohleverstromung sind heutzutage weniger besorgniserregend als SO\(_\text {2}\) und NO\(_\text {x}\) -Emissionen aufgrund effektiver Emissionsreduzierungen nach der Verbrennung und hoher Schornsteinhöhen. Dennoch weist eine Studie17 darauf hin, dass in Ländern wie Indien (97,9 % im Jahr 2010) oder Russland (57,0 % im Jahr 2010) möglicherweise noch eine große Menge veralteter PM-Reduktionsgeräte in Betrieb ist. Tatsächlich zeigen Satellitenbilder, dass die ESPs vieler Kohlekraftwerke in diesen Ländern lang sind und kleine Querschnittsflächen haben. Moderne ESPs haben jedoch viel größere Querschnittsflächen und sind kürzer, um die Rauchgasgeschwindigkeit zu reduzieren, die Ablagerung von Partikeln zu unterstützen und deren erneutes Mitreißen zu verhindern18,19. Auch wenn in unserer Studie hierfür keine detaillierten Messdaten vorliegen, besteht dennoch die Möglichkeit, dass solche Anlagen überproportional hohe Mengen an primärem Feinstaub ausstoßen und somit eine äußerst attraktive Option für eine weitere Reduzierung der gesundheitlichen Auswirkungen darstellen würden zu begrenzten Kosten.

Mehrere Industrieländer verfolgen derzeit langfristige Strategien zum Ausstieg aus der Kohleverstromung, um die CO\(_\text {2}\)-Emissionen und die damit verbundenen Risiken für die menschliche Gesundheit zu reduzieren, doch die kurz- und mittelfristigen Folgen dieser Strategien könnten sein Investitionen in bestehende Anlagen reduzieren und manchmal sogar zur vorzeitigen Schließung der neuesten, effizientesten Anlagen führen (wie die Anlagen in Westfalen oder Moorburg in Deutschland6), während ältere Anlagen mit weniger effektiver Rauchgasbehandlung und Brennstoffeinsätzen geringerer Qualität (wie die meisten deutschen Anlagen) Braunkohlekraftwerke sind günstiger im Betrieb und bleiben somit in Betrieb. Wenn solche Ausstiegsstrategien aus der Kohleverstromung zudem mit einer Verlagerung energieintensiver Industrien in Länder mit Überkapazitäten an billiger Kohleverstromung einhergehen (wie in den letzten Jahrzehnten im Fall der Stahl- oder Chemieindustrie nach China), könnten solche Strategien dies auch sein weltweit unwirksam gemacht. Daher schlagen wir vor, Strategien zum Ausstieg aus fossiler Energie aus der Perspektive der menschlichen Gesundheit mit einem standortspezifischen Zeitreihenvergleich über Ländergrenzen hinweg zu bewerten.

Die Auswirkungen gut gewarteter Gaskraftwerke pro erzeugter Strommenge sind in der Regel wesentlich geringer als bei Kohlekraftwerken, sowohl aufgrund der geringeren relativen CO\(_\text {2}\)-Emissionen als auch der Feinstaubemissionen. Darüber hinaus verfügen die Einheiten in der Regel über eine geringere Kapazität und sind weiter verteilt, so dass Verbesserungen auf der Ebene der einzelnen Einheiten möglicherweise weniger Vorteile im Hinblick auf die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit bringen. Die vorteilhaftesten Modernisierungen können von sehr alten Anlagen mit hohen NO\(_\text {x}\)-Emissionen in Städten erfolgen. Solche Anlagen sind noch immer in Entwicklungsländern wie Indien und in großen Ölförderländern im Nahen Osten in Betrieb, wo es reichlich billiges Erdgas als Nebenprodukt der Ölförderung gibt (Abb. 2c). Die Einspritzung von Wasser oder Dampf in die Brennkammern solcher Anlagen kann die Spitzentemperaturen und damit die NO\(_\text {x}\)-Bildung bereits deutlich reduzieren (im Bereich von bis zu 90 %20), mit der Nachheizung sind jedoch noch höhere Reduzierungen erreichbar -Verbrennungsmaßnahmen wie SCR. Die meisten großen Gasturbinenhersteller bieten auch Upgrades für ihre Gasturbinen an, die dazu beitragen können, die verschlechterte elektrische Effizienz alter Einheiten wiederherzustellen und es diesen Einheiten möglicherweise sogar zu ermöglichen, höhere Effizienzen als im Neuzustand zu erreichen. Solche Upgrades können wirtschaftlich und ökologisch attraktiv werden, da der relative Kraftstoffverbrauch und die CO\(_\text {2}\)-Emissionen sinken. Eine Herausforderung für die Reduzierung der NO\(_\text {x}\)-Emissionen aus der Gasstromerzeugung sind Einheiten, die für die sekundäre Frequenzregelung verwendet werden, da plötzliche Anstiege der Stromerzeugung solcher Gasturbinen mit Spitzen in NO\(_\text { x}\) Emissionen, bis die Emissionsminderungstechnologien ihre Auslegungsbedingungen erreichen. Wir beobachten, dass solche Gaserzeugungseinheiten typischerweise eine geringere Kapazität haben und ihre Auslastung im Jahresverlauf geringer ist als bei der Grundlast-Gasstromerzeugung, sodass dies immer noch zu vergleichsweise geringen gesundheitlichen Auswirkungen führt. Eine weitere Spezialanwendung von Gasturbinen ist die Kraft-Wärme-Kopplung von Strom und entsalztem Meerwasser in Ländern des Nahen Ostens. Aufgrund der ausreichenden Sonneneinstrahlung und der betrieblichen Flexibilität der bestehenden Gasstromerzeugung wäre die Kombination von Photovoltaik und Gasstrom grundsätzlich eine attraktive Option zur Reduzierung der Umweltbelastungen in solchen Regionen. Dies würde jedoch eine vollständige Umstellung auf Umkehrosmoseanlagen zur Meerwasserentsalzung erfordern, da die Abwärme bestehender Gasturbinen heute ein wesentlicher Input für die Meerwasserentsalzung ist.

Die niedrigen Kosten von Photovoltaikmodulen sind eine Option für Entwicklungs- und am wenigsten entwickelte Länder, um einen Teil ihrer umweltschädlichen dezentralen Ölstromerzeugung zu ersetzen, die wir beobachten (vgl. Abb. 2d), was größtenteils mit dem Schwefelgehalt im Kraftstoff zusammenhängt. Diese Schwefelwerte stammen von Raffinerien, die ihre Kraftstoffe mit der niedrigsten Qualität an die am wenigsten entwickelten Länder ohne eigene Raffinerien verkaufen. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte beim Schwefelgehalt bei Kraftstoffen für den Transport erzielt (vor allem bei Pkw-Diesel21 und Heizöl für Schiffe22), aber es ist unklar, inwieweit Fortschritte auch bei industriell genutztem Diesel und leichten Kraftstoffen erzielt wurden Öle und schwere Heizöle ist unklar, da es bisher keine systematische globale Bewertung hierzu gibt. Einzelne Rechnungen deuten jedoch darauf hin, dass industriell genutzte Kraftstoffe häufig noch erhebliche Mengen (im unteren einstelligen Prozentbereich) enthalten, was auch in den Emissionsschätzungen dieser Studie angenommen wurde. Da die Nachverbrennung aufgrund der geringen Größe der meisten ölbefeuerten Anlagen unwirtschaftlich und technologisch schwierig ist, bleibt als realistische Option zur Reduzierung der SO\(_\text {2}\)-Emissionen nur die Brennstoffentschwefelung. Dies wird bereits für eine breite Palette von Raffinerieprodukten auf der ganzen Welt praktiziert und der entfernte Schwefel kann oft sogar in ein verkaufsfähiges Produkt umgewandelt werden, aber um dies zu realisieren, kann ein staatliches Eingreifen erforderlich sein. Da wir beobachten, dass die Auswirkungen von SO\(_\text {2}\) weit über ihre Emissionsquelle hinausgehen, gäbe es typischerweise auch einen gewissen Anreiz für die Regulierungsbehörden in den Ölraffinerieländern, hohe Schwefelgehalte in Raffinerieprodukten zu verhindern. Große ölverbrennende Dampfturbinen sind aufgrund ungünstiger wirtschaftlicher Bedingungen selten geworden und heute überwiegend in Japan zu finden. Die Emissionsminderungsoptionen für solche Blöcke sind im Allgemeinen dieselben wie für große Kohlekraftwerke und wurden in vielen Fällen in Japan bereits umgesetzt. Das Hauptproblem in Japan ist jedoch häufig die sehr hohe Bevölkerungsdichte, da die Emissionswerte ohnehin schon sehr hoch sind niedrig. Unter diesen Umständen sind die technischen Möglichkeiten zur Reduzierung der gesundheitlichen Auswirkungen weitgehend ausgeschöpft und für weitere Verbesserungen wäre ein Technologiewechsel erforderlich. Weitere quantitative Analysen auf Länderebene finden Sie im SI.

Die gesundheitlichen Auswirkungen der Treibhausgasemissionen im Stahlwerk sind größtenteils auf die Verwendung von Koks und Kohle als Reduktionsmittel im Hochofen zurückzuführen. Technisch gesehen wurde Wasserstoffgas (H\(_\text {2}\)) als praktikable Substitutionsoption identifiziert23, aber aufgrund der hohen Preise ist diese Strategie derzeit nicht mit der Nachfrage nach billigem Primärstahl im Bau- und Verkehrssektor vereinbar. Insbesondere basiert die aktuelle H\(_\text {2}\)-Produktion auf fossilen Brennstoffen, da die Wasserelektrolyse mit erneuerbarer Energie und andere erneuerbare Prozessoptionen immer noch zu kostspielig sind. Selbst bei kontinuierlichem Zugriff auf sehr günstigen erneuerbaren Strom skalieren die Elektrolysezellen linear mit der benötigten Kapazität, so dass sich aufgrund von Skaleneffekten nur sehr begrenzte wirtschaftliche und ökologische Vorteile ergeben können. Gleichzeitig konkurriert diese Technologie mit einer Kombination aus fossilem H\(_\text {2}\) und Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung (CCS), die wirtschaftlich attraktiver sein könnte. Ein höherer Anteil des Stahlrecyclings könnte zwar auch dazu beitragen, die energieintensivere Primärproduktion zu reduzieren, kann aber den derzeit steigenden Bedarf an Stahl24 nicht decken und könnte künftig an Grenzen stoßen, wenn Legierungsmaterialien technologisch nur schwer vom Stahl getrennt werden können25. Ein teilweiser Ersatz von Stahl als Baumaterial könnte eine langfristige Option sein, aber PM\(_\text {2,5}\), NO\(_\text {x}\) und SO\(_\text {2 }\)bezogene Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit können direkter reduziert werden, wenn diese Emissionen und ihre Auswirkungen auf Kraftstoffqualitäten und -handhabung basieren, also auf den regulären Techniken zur Verbrennungskontrolle (primäre Maßnahmen wie die Kontrolle der Verbrennungstemperaturen) und der Nachverbrennungskontrolle zuvor Es gelten die genannten Maßnahmen (Wäscher, Filter oder Schadstoffumwandlung). Solche Maßnahmen ermöglichen in der Regel eine Reduzierung der Emissionen um 90 % oder mehr und würden in China und Indien große Vorteile bringen (Abb. 2e). Managementpraktiken von Kokereien und Sinteranlagen können auch zu erheblichen Emissionen aus diffusen Quellen führen, die schwieriger zu kontrollieren sind. Insbesondere primäre PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen aus diffusen Quellen können aufgrund ihrer geringen Emissionshöhen lokale Gemeinschaften beeinträchtigen, es gibt jedoch mehrere Beispiele in Japan, China und Europa, die erhebliche Verbesserungen bei der Kontrolle diffuser Emissionen zeigen26. Ein kritisches Problem bleiben die Standorte einzelner Stahlwerke innerhalb von Städten, wenn diese Städte um sie herum gewachsen sind. Die Verlagerung ganzer Stahlwerke, wie sie in China vereinzelt praktiziert wird, ist in den meisten Fällen unrealistisch und für die Städte unattraktiv, da ihnen dadurch Steuereinnahmen entgehen würden. Unsere Studie zeigt, dass die Abschaffung veralteter Geräte und der Abbau von Überkapazitäten in China und Indien sowie in vielen anderen Ländern wichtige Verbesserungsmöglichkeiten darstellen, während detaillierte Umweltverträglichkeitsprüfungen in Verbindung mit einer sorgfältigen Zoneneinteilung vor der Erteilung von Genehmigungen für neue Installationen ebenfalls Instrumente sein können um den Fortschritt zu steuern. Eine wesentliche Voraussetzung für solche gezielten Maßnahmen ist die Durchführung regelmäßiger Expositionskonzentrationsmessungen.

Aufgrund erheblicher Verbesserungen in verschiedenen Verarbeitungsschritten stellen wir fest, dass die Energieversorgung von Raffinerien heute einen der wichtigsten Hebel zur Reduzierung von Emissionen und gesundheitlichen Auswirkungen darstellt. Die Maßnahmen der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA bei der Umsetzung von New Source Performance Standards (NSPS) für Industriekessel und Ölraffinerien sind ein Beispiel dafür, wie landesweite Emissionsquellen von Ölraffinerien bewertet und kontinuierlich reduziert werden können. Somit könnte die früher zentrale Rolle von FCCs für Schadstoffemissionen von Ölraffinerien in den USA durch die Einführung von Partikelkontrolle, SO\(_\text {2}\)-Wäsche und Verbrennungsmaßnahmen, die NO\(_ reduzieren, erheblich reduziert werden \text {x}\) Emissionen. Ebenso verfügen die meisten globalen FCCs derzeit über eine relativ strenge Kontrolle der FCC-Emissionen, wobei zusätzliches Potenzial hauptsächlich aus der Installation von SO\(_\text {2}\)-Wäschern resultiert (für den Fall, dass hohe Schwefelgehalte in den verbrannten Materialien hohe SO verursachen). \(_\text {2}\)-Emissionen) sowie aus der Umsetzung der NO\(_\text {x}\)-Emissionsreduzierung durch SCRs. Die meisten Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit werden für die Raffinerien in der Umgebung von Los Angeles, San Francisco, Guangzhou, Tokio, Osaka und Jakarta berechnet (Abb. 2f), da die Bevölkerung an diesen Orten extrem anfällig für Feinstaub ist und die örtlichen Raffinerien sehr zentral gelegen sind in der Nähe oder innerhalb dieser Städte. Eine Ausnahme bilden die Raffinerien rund um Jakarta, die mehr als 300 km von der Stadt entfernt liegen, da ihre Auswirkungen größtenteils auf ihren hohen Schadstoffausstoß und nicht auf ihre Nähe zu Städten zurückzuführen sind. Zu den Hauptemissionsquellen in diesen Raffinerien gehört das Abfackeln, was ein Hinweis auf größere Betriebsprobleme sein kann. Eine Herausforderung bei der Umsetzung der Post-Combustion-Vermeidung für Raffinerien wird die Anzahl der Emissionsquellen und die Art und Weise ihrer Emission sein. Die japanische Verordnung sieht beispielsweise häufig hohe Schornsteine ​​(Höhen über 100 m) vor, was nicht nur dazu beiträgt, bodennahe Schadstoffkonzentrationsspitzen niedrig zu halten, sondern auch mehrere Schadstoffquellen in einer kleinen Anzahl großer Schornsteine ​​zusammenfasst. Im Vergleich zu Raffinerien mit großen Mengen verteilter Emissionsquellen und einzelnen kleinen Schornsteinen (Höhen unter 50 m), wie sie beispielsweise in den USA üblich sind, können unter solchen Umständen Post-Combustion-Minderungsmaßnahmen wirtschaftlicher umgesetzt werden. Die Schwefelrückgewinnung kann bei Raffinerien mit Rohrohstoffen mit hohem Schwefelgehalt auch die Hauptquelle für die SO\(_\text {2}\)-Verschmutzung sein, wenn es keine wirksame Abgasbehandlung der Abgase des Claus-Prozesses gibt. Alle kürzlich installierten Schwefelrückgewinnungsanlagen, für die wir öffentliche Aufzeichnungen gefunden haben, scheinen eine Art Abgasbehandlungsanlage zu enthalten. Dennoch ist es wahrscheinlich, dass nicht alle kleineren und älteren Geräte damit ausgestattet sind, aber uns fehlen Daten dazu. Wo eine solche Behandlung fehlt, sollte ihre Einführung Priorität haben, insbesondere da für diesen Zweck eine breite Palette von Technologien mit Gesamtschwefelrückgewinnungsraten von über 99,9 % zur Verfügung steht27. Im Hinblick auf die Gesundheitsbelastung durch die Wärmeversorgung der Raffinerie sind die Lösungen nicht ganz so einfach. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) verwenden die meisten Raffinerien bereits Raffineriegas, eine Mischung aus flüchtigen Nebenprodukten der Ölraffinierung, und Erdgas als Hauptraffineriebrennstoffe8. Diese Kraftstoffe weisen beide vergleichsweise niedrige SO\(_\text {2}\), PM\(_\text {2,5}\)- und CO\(_\text {2}\)-Emissionsintensitäten auf. Eine geringere Nachfrage nach stark umweltbelastenden Raffinerie-Bodenprodukten wie schwerem Heizöl wird in Zukunft den relativen Raffinerie-Brennstoffbedarf pro eingesetzter Rohölmenge erhöhen. Durch einen häufigeren Einsatz von LNBs, ggf. in Kombination mit SNCRs oder SCRs, sind gewisse Wirkungsverbesserungen noch möglich. Konzepte zum Ersatz von Hochtemperaturwärme als Input bei der Ölraffinierung durch Strom aus Solar- oder Windkraft sind ebenfalls in der Entwicklung, sind jedoch auf neue Katalysatoren angewiesen und erfordern erhebliche Prozessänderungen. Daher bedarf es weiterer Forschung, um die wirksamsten Möglichkeiten zur Reduzierung der gesundheitlichen Auswirkungen bei der Wärmeversorgung von Raffinerien zu ermitteln und dabei auch die sich ändernden künftigen Nachfragemuster für Ölprodukte zu berücksichtigen.

Ein Hauptproblem globaler Zementwerke im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sind die CO\(_\text {2}\)-Emissionen, die stöchiometrisch durch die Kalzinierung von CaCO\(_\text {3}\) verursacht werden (etwa 60 % der Gesamtmenge). CO\(_\text {2}\)-Emissionen) und in geringerem Maße vom Kohlenstoffgehalt im Brennstoffeinsatz. Eine Gesamtreduzierung von beidem ist bis zu einem gewissen Grad durch eine Reduzierung des Klinkeranteils im Zement möglich, der bisherige weltweite Trend in diese Richtung hat sich jedoch verlangsamt28. Eine Umstellung auf Erdgas oder andere Kraftstoffe mit geringerer CO\(_\text {2}\)-Emissionsintensität bringt zwar zusätzliche Einsparpotenziale bei erhöhten Kosten mit sich, löst aber auch nur einen kleinen Teil des Problems. Weitere Einsparungen könnten möglich sein, wenn die Kohle- und Petrolkokseinsätze der Zementöfen durch Abfälle ersetzt würden, die andernfalls in Müllverbrennungsanlagen verbrannt oder auf Deponien entsorgt würden. Zwei zentrale Voraussetzungen hierfür wären jedoch, dass die Klinkeröfen über eine ausreichende Luftreinhaltung verfügen, um alle austretenden Schadstoffe (wie Schwermetalle, Dioxine etc.) zu bewältigen, und dass auch das Zementprodukt nicht mit diesen belastet wird Schadstoffe (die andernfalls über verschiedene Wirkungswege Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben könnten). Die CO\(_\text {2}\)-Freisetzungen bei der Kalzinierung können jedoch nur durch einen verringerten Klinkerbedarf oder die CO\(_\text {2}\)-Abscheidung nach der Verbrennung reduziert werden. Da staatliche Investitionen im Bausektor häufig dazu dienen, eine Verlangsamung der lokalen Wirtschaft zu verhindern, und viele Entwicklungsländer in den kommenden Jahren einen erheblichen Infrastrukturbedarf haben werden, erscheint eine geringere Klinkernachfrage unwahrscheinlich und die CO\(_\text {2} \) Die Eroberung bleibt mittelfristig die einzig realistische Option. Der andere Hauptgrund für die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit in Zementwerken sind die hohen NO\(_\text {x}\)-Emissionen, selbst im Fall der häufig eingesetzten SNCR-Reduktion. Hier hinkt die globale Zementindustrie in der technologischen Entwicklung hinterher, da der Einsatz von SNCR mit durchschnittlichen Abtragsraten von 40 % im Energiesektor aufgrund der begrenzten Wirksamkeit und des hohen NH-Gehalts nicht mehr üblich ist. ) Schlupf, der nicht nur durch die Bildung von NH\(_4\)NO\(_\text {3}\) und (NH\(_4\))\(_{1.5}\) zu den Auswirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit beiträgt. SO\(_4\), kann aber auch schwerwiegende Betriebsprobleme verursachen. Die Implementierung des überlegenen SCR (mit NO\(_\text {x}\)-Entfernungsraten von bis zu 95 %) ist für eine kleine Anzahl von Zementwerken im Gange, und die Installation sollte in Regionen mit hohem NO\( _\text {x}\) Auswirkungen der Zementproduktion (insbesondere in China, Europa und Japan, wie in Abb. 2g sichtbar). In Anlagen im Rest der Welt ist SNCR oft nicht einmal installiert und sie können direkt auf SCR umsteigen, aber die Vorteile von SNCR in diesen Regionen überwiegen normalerweise den zusätzlichen Schaden durch NH\(_\text {3}\)-Schlupf und könnten daher eine akzeptable kurzfristige Lösung zu geringeren Kosten präsentieren. Schließlich werden in Zementwerken häufig Klinkerkühler mit beweglichen Rosten eingesetzt, die häufig an separaten Schornsteinen mit geringer Höhe angebracht sind, sowie kleine ESPs mit wenigen Stufen und geringen Rauchgasverweilzeiten. Die primären PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen dieser Kühler tragen wesentlich zu den Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit in Zementwerken bei, wenn sich Zementöfen in der Nähe von Großstädten befinden, da die Emissionen dieser Kühler hoch sein können und lokale PM verursachen können \(_\text {2.5}\) Konzentrationsspitzen aufgrund ihrer geringen Stapel (Abb. 2h). Die meisten modernen Zementwerke, zum Beispiel in Europa, Japan und manchmal auch in China, nutzen die gesamte heiße Luft aus den Kühlern zum Vorwärmen, was den Kohle- oder Petrolkoks-Brennstoffbedarf des Zementwerks reduziert und den CO2-Ausstoß verringert\(_\text {2}\ )-Emissionen, verbessert die Anlagenökonomie und hilft bei der Luftverschmutzung. Wie bei der Stromerzeugung oder der Stahlerzeugung ist die Reduzierung des Verbrauchs von Kohle und ähnlichen Brennstoffen der Schlüssel zur Verringerung der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit.

Das Emissionsinventar in dieser Studie verwendet nach Möglichkeit gemeldete Emissionsdaten. Überlappende Datenquellen werden nach ihrer Datenqualität für eine bestimmte Region eingestuft und entsprechend priorisiert. Die Formate der verschiedenen Datenquellen werden angeglichen und eine breite Palette von Emissionsmodellen wird als letztes Mittel verwendet, um Emissionsdatenlücken zu schließen und unterschiedliche Emissionen pro Emissionsstandort aufzuschlüsseln. Diese Modelle nutzen, soweit möglich, technische Berechnungen auf der Grundlage von Massen- und Energiebilanzen, um Verbindungen zwischen Emissionen und den technischen Parametern von Geräten und Inputs aufrechtzuerhalten, anstatt auf rein empirischen Ansätzen zu basieren (wie in29,30). Der Einsatz dieser Ingenieurmodelle ist durch eine umfassende Primärdatenerfassung zu den technischen Spezifikationen jedes Standorts sowie die Verknüpfung zahlreicher Datenbanken mit technischen Daten möglich.

Die Systemgrenzen umschließen jeden emittierenden Standort mit den verschiedenen Arten von Anlagen (Kraftwerke, Stahlwerke, Ölraffinerien und Zementwerke), die voneinander getrennt sind, auch wenn sie sich physisch innerhalb derselben Batteriegrenzen befinden. Downstream- und Upstream-Emissionen und -Auswirkungen werden nicht berücksichtigt, um Doppelzählungen zu vermeiden (weitere Einzelheiten zu den möglichen Folgen finden Sie im SI). Darüber hinaus wurde jeder Standort, soweit möglich, in kleinere Einheiten unterteilt (z. B. Erzeugungseinheiten von Kraftwerken oder große Prozessabschnitte im Fall von Ölraffinerien). Die abgedeckten emittierten Stoffe sind CO\(_\text {2}\), PM\(_\text {2,5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x} \) und NH\(_\text {3}\). Der zeitliche Rahmen dieser Studie ist das Jahr 2016, wobei die Daten aufgrund von Datenlücken teilweise aus den Jahren 2015 oder 2017 hochgerechnet wurden. In einigen Ländern (Indien, Australien, Südafrika) wurden Emissions- oder Aktivitätsdaten für Geschäftsjahre statt für Kalenderjahre gemeldet. In diesen Fällen werden die Berechnungen für das Geschäftsjahr 2016/2017 durchgeführt. Standortspezifische Aktivitätsdaten werden verwendet, wenn sie gemeldet werden, oder sie werden anhand anderer Daten auf Anlagenebene oder durch eine Kombination aus nationalen Statistiken und Kapazitäten (in dieser Reihenfolge der Prioritäten) geschätzt.

Das Rückgrat dieser Studie ist eine Emissionsstandortdatenbank mit grundlegenden technischen Daten für jeden Standort, zu der Daten aus einer Vielzahl anderer Datenbanken hinzugefügt werden. Der Kraftwerksteil dieser Emissionsstandortdatenbank stammt aus der kommerziell erhältlichen Platts World Electric Power Plant (WEPP)-Datenbank31, die Daten zu 125.000 Kohle-, Gas- und Ölstromerzeugungseinheiten bereitstellt und bis auf sehr kleine Einheiten (wie Notdiesel) weltweit umfassend ist Generatoren) und für China, wo der Datenbankanbieter Schwierigkeiten hat, mit dem schnellen Kraftwerksbau und der Menge kleiner, nicht registrierter Einheiten Schritt zu halten. Für die Stahlerzeugung umfasst die Emissionsstandortdatenbank alle Stahlwerke mit Hochöfen aus einer Reihe von Berichten über die weltweiten Stahlproduktionskapazitäten32,33 und wurde durch Industriedaten34 und (insbesondere im Fall von China) durch eine große Anzahl von ergänzt einzelne Einträge von Firmen- und Regierungshomepages. Die grundlegenden Ölraffineriedaten wurden der Literatur35 für 2016 entnommen und schließlich wurden die Zementwerksdaten durch die Kombination von Grauklinkeranlagen mit Drehrohröfen von Industryabout34, dem Global Cement Directory 201736 und weiteren manuellen Ergänzungen gewonnen.

Für jeden Emissionsstandort wurden Koordinatendaten gesammelt. Manuell überprüfte Koordinaten werden für große Kraftwerke, alle Stahlwerke, alle Ölraffinerien und die größten Zementwerke verwendet. Andere Standortkoordinaten werden nach Möglichkeit aus einer großen Anzahl von Datenbanken übernommen34,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47. Die übrigen Einheiten ohne Koordinaten erhielten ihre Koordinatendaten automatisch48 basierend auf Einheiten- und Standortnamen (nur für kleine Kraftwerke weltweit und kleine chinesische Zementwerke erforderlich).

Die gemeldeten Emissionsdaten stammen aus einer Vielzahl nationaler und übernationaler Datenquellen. Darunter befanden sich Schadstofffreisetzungsregister wie E-PRTR für die Europäische Union37, NPI und NGER für Australien49,50, NPRI und GHGRP für Kanada47,51 sowie NEI und GHGRP für die USA52,53. Datenbanken des China Electricity Council54,55,56 werden verwendet, um die Emissionen chinesischer Kraftwerke durch eine Kombination von Aktivitätsdaten und gemeldeten Rauchgaskonzentrationen mit einem Berechnungsverfahren aus einer früheren Studie abzuleiten39. Daten der indischen Zentralen Elektrizitätsbehörde liefern CO\(_\text {2}\)-Emissionen in Kombination mit Aktivitätsdaten für indische Kraftwerke57. Die US-Emissionsdaten52,53 werden außerdem durch eGRID-Daten46 und das aktuelle eGRID-Add-on für PM\(_\text {2.5}\)58 ergänzt. Für Südafrika sind Eskom-Aktivitätsdaten für das Geschäftsjahr 2016/201759 verfügbar und können mit Daten zur Rauchgasschadstoffkonzentration 2017/201860 kombiniert werden. Die Verknüpfung von Emissionsdatenquellen und Standortbasisdaten39 wird durch die Korrelation von Basiseinheitsdaten halbautomatisch erweitert und manuell überprüft. Die Validierung modellierter Daten im Gegensatz zu gemeldeten Daten wird im SI dargestellt.

Im Fall der Basisdatenbank für Stromerzeugungseinheiten wurde eine große Anzahl von etwa 8000 manuellen Korrekturen und Aktualisierungen an einzelnen Dateneinträgen vorgenommen. Die darin enthaltenen technischen Daten werden durch mehrere Datenbanken38,39,41,42,43,44,45,54,55,56,57,59,61,62,63,64,65,66,67,68 ergänzt, die weitere Informationen liefern Informationen zu Anlagenkonfigurationen, Betriebsparametern, eingesetzten Technologien und insbesondere zur Kraft-Wärme-Kopplung. Literaturdaten31,38 sowie die Firmenhomepages großer Kraftwerkslieferanten (General Electric, Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems, Harbin usw.) werden verwendet, um Standardregeln zur Lückenfüllung abzuleiten, die auf jüngsten Entwicklungen im Bereich der Dampfnacherwärmung basieren. Regenerations- und Kühlsysteme, wie in der SI beschrieben.

Die detaillierte Modellierung von Dampfturbinentypen umfasst spezifische Dampfkreisläufe, Regeneration, Kraft-Wärme-Kopplung, Gegendruck- und Kondensationsturbinen, Dampftemperaturen, Dampfdrücke, Kühltemperaturen und Betriebsparameter (Teillastwirkungsgrade, Kesselverhalten, Wärme-zu- (HTP)-Verhältnisse) und stellt somit eine wesentliche Erweiterung eines früheren Ansatzes dar68. Thermodynamische Daten für die Berechnung der Wirkungsgrade von Gasturbinen und Verbrennungsmotoren sind im Allgemeinen aus keiner der oben genannten Datenquellen verfügbar, sondern stattdessen eine Datenbank der Wirkungsgrade von Gasturbinen und Verbrennungsmotoren unter ISO-Bedingungen für Stromnetzfrequenzen von 50 oder 60 Hz wird aus 1414 technischen Datenblättern und anderen Leistungsaufzeichnungen gebildet, wie in der Ergänzungstabelle 26 aufgeführt. Wenn der Typ der Gasturbine oder des Verbrennungsmotors bekannt ist, kann der thermodynamische Wirkungsgrad direkt verwendet werden, während für die anderen Einheiten Typ- Als Fallback werden spezifische und größenspezifische Korrelationen abgeleitet (Einzelheiten siehe SI). Umgebungsdaten (Temperaturen und Luftfeuchtigkeit69) und Betriebsdaten werden dann mit den Derating-Kurven70,71,72,73 kombiniert, um die Wirkungsgrade an standortspezifische lokale Bedingungen anzupassen.

Die Rauchgasbehandlungsdaten für jede Einheit werden dort verwendet, wo berichtet31,39,54,55,56,61 und aus manuellen Ergänzungen mit Satellitenbildern, wie zuvor beschrieben39), während die verbleibenden Lücken durch Standardannahmen gefüllt werden, die an eine frühere Studie39 und eine Kraftwerksdatenbank angepasst wurden Dokumentation31. Standortspezifische HTP-Verhältnisse werden nach Möglichkeit41,46,65,66,67 in Kombination mit Firmenhomepages verwendet. Für Gasturbinen, Verbrennungsmotoren und GuD-Kraftwerke liegen die HTP-Verhältnisse aus der oben genannten Datenquelle unabhängig von der Blockgröße typischerweise in einem relativ engen Bereich, sodass etwaige Lücken bei diesen Blöcken durch technologiespezifische Durchschnittswerte geschlossen werden können , den wir aus diesen Daten abgeleitet haben (0,69 für Kombikraftwerke, 1,73 für Gasturbinen und 1,10 für Verbrennungsmotoren). Die HTP-Verhältnisse von Dampfturbinen variieren in einem großen Bereich (Standardabweichung 3,3), da der Hauptzweck einiger Dampfturbinen die Stromerzeugung ist, während andere hauptsächlich Wärme liefern. Wir stellen fest, dass dies etwas von der elektrischen Kapazität jeder Einheit abhängt. Einheiten mit kleiner elektrischer Leistung weisen tendenziell hohe HTP-Verhältnisse auf, während große Einheiten tendenziell kleine HTP-Verhältnisse aufweisen. Daher leiten wir eine auf der Einheitsgröße basierende Korrelation aus einer Anpassung an die gemeldeten HTP-Verhältnisdaten ab und wenden sie auf die Fälle an, in denen die HTP-Verhältnisse unbekannt sind (wie im SI dargestellt). Um die Durchführbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, werden die HTP-Verhältnisse mit den von74 bereitgestellten typischen Bereichen pro Technologie abgeglichen und als angemessen befunden. Die Verwendung nationaler HTP-Daten pro Kraftstoff aus8 wurde ebenfalls untersucht, die Qualität der Daten war jedoch zu gering, um verwendet zu werden (teilweise technisch nicht durchführbare Daten).

Die Kohleeigenschaften pro Einheit werden im Allgemeinen aus39 ermittelt, während die durchschnittlichen Aschegehalte in China und Indien auf neuere Bedingungen von 2016 skaliert werden (Einzelheiten siehe SI). Wo keine Daten auf Einheitsebene verfügbar waren, werden die standardmäßigen brennstoffspezifischen Asche- und Schwefelannahmen aus10,11,75 verwendet, während niedrigere Heizwerte und CO\(_\text {2}\)-Emissionsfaktoren aus76 erhalten werden. Durchschnittswerte werden berechnet, wenn zwei Hauptbrennstoffe gemeldet werden. Der Schwefelgehalt der Ölsorten wird für Diesel21 aus den Daten von 2016 abgeleitet, während der Schwefelgehalt von schwerem Heizöl und leichtem Heizöl anhand der in der Ergänzungstabelle S2 aufgeführten Schwefelgehalte geschätzt wird.

Daten zur Nettostromerzeugung werden aus verschiedenen Datenbanken hinzugefügt46,54,55,56,57,59,63. Im Falle von Datenlücken wurde der Wert anhand der gemeldeten jährlichen CO\(_\text {2}\)-Emissionen, Emissionsfaktoren und elektrischen Wirkungsgrade (wie zuvor beschrieben39) berechnet oder anhand nationaler Statistiken pro Kraftstofftyp und des entsprechenden Gesamtbetriebs angenähert Erzeugungskapazitäten8. Der Brennstoffeinsatz wird aus Daten und Wirkungsgraden der Nettostromerzeugung abgeleitet. Unverminderte Kraftwerksemissionen für PM\(_\text {2,5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) und NH\(_\text {3} \) werden dann auf der Grundlage der Tier-2-Emissionsfaktoren pro Brennstoffeinsatz10 berechnet, indem die dort verwendeten Standardannahmen zur Minderung rückgängig gemacht werden und die SO\(_\text {2}\)-Emissionen proportional zu den anlagenspezifischen und durchschnittlichen Schwefelgehalten des Brennstoffs skaliert werden. Der Emissionsfaktor für NO\(_\text {x}\)-Emissionen von Gasturbinen wird aus Referenz75 verwendet, da der Wert in Referenz10 nicht mit den vom Unternehmen gemeldeten Bereichen20 übereinstimmt. Die unverminderten Emissionen werden nacheinander mit nichtlinearen Rauchgasbehandlungsmodellen für jeden Rauchgasbehandlungsschritt verringert, die aus zwei Datenquellen77,78 abgeleitet werden, wie im SI beschrieben. In Ermangelung von Ammoniakemissionsfaktoren für SNCR- und SCR-NO\(_\text {x}\)-Reduktion werden Werte von 10 ppmvd bzw. 2 ppmvd bei 15 % O\(_\text {2}\) angenommen (basierend auf mehreren Quellen78,79,80). Bei anschließender nasser Rauchgasbehandlung gehen wir davon aus, dass die NH\(_\text {3}\)-Emissionen um 84 % reduziert werden81. Die verringerten Emissionen von Kombikraftwerken werden dann von Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren an ihre Abhitzedampferzeuger (HRSGs) und die zugehörigen Dampfturbinen weitergeleitet, basierend auf den Stromerzeugungsanteilen der Dampfturbinen. Durch die HRSG-Rauchgasbehandlung werden die HRSG-Rauchgasemissionen dann weiter reduziert. Emissionen aus der Zusatzfeuerung von HRSGs werden nicht in das Modell einbezogen, es sei denn, sie werden ausdrücklich in einer der oben genannten Emissionsdatenbanken angegeben. Die Zuordnungen von HRSGs und Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren werden automatisch anhand der Namen der Einheiten festgelegt. Die Schornsteinhöhen für die resultierenden verringerten Emissionen werden aus der Literatur61,82, unseren eigenen Messungen auf der Grundlage von Höhendaten83 und Korrelationen aus gemeldeten Schornsteinhöhen hinzugefügt, wie in der Ergänzungstabelle S2 beschrieben.

Die in dieser Studie explizit abgedeckte Stahlerzeugung ist die primäre Stahlerzeugung mit Hochöfen, die im Jahr 2016 74,0 % der weltweiten Stahlproduktion ausmachte24. Die sekundäre Stahlerzeugung mit Elektrolichtbogenöfen machte dagegen 25,5 % der weltweiten Stahlproduktion aus24 , aber seine Umweltauswirkungen werden stark vom Stromverbrauch beeinflusst84, sodass seine gesundheitlichen Auswirkungen implizit durch die fossile Stromerzeugung gedeckt werden. Die Kapazitäten der Stahlwerke werden für das Jahr 2016 linear interpoliert, wenn nur Kapazitäten für andere Jahre bekannt sind. Wo keine Kapazität bekannt ist (hauptsächlich für einige chinesische Werke), wird die Kapazität anhand der Anzahl der Hochöfen des Stahlwerks und der durchschnittlichen Hochofenkapazität von 1,31 Mt \({a^{-1}}\) angenähert Durchschnitt der bekannten Kapazitäten pro Hochofen. Andere Arten von Einrichtungen vor Ort werden anhand von Satellitenbildern für jedes Stahlwerk identifiziert (Koksöfen, Sinteranlagen, Pelletanlagen, Kalköfen, Sauerstofföfen, offene Herdöfen). Die Standardannahme ist, dass Sinteranlagen und Sauerstofföfen vorhanden sind, sofern nicht anders ersichtlich, da dies eindeutig der häufigste Fall ist. Anschließend wird die Stahlwerksauslastung anhand nationaler Statistiken zur Roheisenproduktion24 und spezifischen Stahlwerkskapazitäten berechnet. Die Aktivitätsdaten der anderen Anlagen vor Ort werden aus dem Einsatzbedarf je Roheisenproduktionsmenge angenähert10,84 (Details im SI). Die Emissionen für jedes Gerät werden dann gemäß den Richtlinien10,76,85 mit Zusätzen11 im Falle von Datenlücken wie für PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen von Kalköfen berechnet. Bei Koksöfen haben wir anhand von Satellitenbildern ermittelt, ob sie Nebenprodukte verwerten. Diese Daten sind erforderlich, um das Verfahren zur Berechnung der Koksofenemissionen für jeden Standort zu bestimmen, und die Rückgewinnung von Nebenprodukten wurde als Standardannahme für verschwommene Satellitenbilder angenommen. Für den Fall, dass die Emissionsfaktoren je nach Brennstoffart (Koksofengas, Hochofengas) unterschiedlich sind, werden durchschnittliche Emissionen verwendet, da deren Anteile je Standort unbekannt sind. Die Emissionskontrolle wird für Industrieländer auf der Grundlage strengerer Emissionsgrenzwerte als effektiv oder modern eingestuft, während in Entwicklungsländern und am wenigsten entwickelten Ländern als moderat oder konventionell angenommen wird. Standortspezifische Schornsteinhöhen für Hochöfen, Sauerstoffbasisöfen, Herdfeueröfen, Koksöfen, Sinteranlagen, Pelletanlagen oder Kalköfen werden verwendet, sofern sie bekannt82 oder mit externen Daten83 messbar sind, andernfalls werden sie aus Korrelationen abgeleitet von der Stahlwerksgröße und dem Land (wie in der Ergänzungstabelle S2 dokumentiert).

Die Kapazitäten der Raffinerieausrüstung zum Jahresende 2016 sind für jede Raffinerie bekannt35 und werden durch manuelle Ergänzungen und Korrekturen ergänzt. Die durchschnittliche Auslastung der einzelnen Raffinerieanlagen wird anhand nationaler Daten zur Rohölverarbeitung8 geschätzt. Die manuelle Datenerfassung auf Basis von Satellitenbildern und Firmenhomepages ergänzt standortspezifische Daten zur Rauchgasbehandlung von Fluid Catalytic Crackern. Die Daten zu Schwefelproduktionstechnologien86 sowie von Firmenhomepages werden mit der Raffineriedatenbank zusammengeführt, wobei bei Datenlücken standardmäßig von einem zweistufigen Claus-Prozess ausgegangen wird. Aus diesen Datenquellen wird auch die anschließende Restgasbehandlung hinzugefügt. Es werden die Energiebilanzen und nationalen Brennstoffmixe für die Wärmeversorgung8,87 addiert, aus denen sich dann entsprechende Emissionen berechnen lassen10,76,85. Der Schwefelgehalt in Kraftstoffen wird wie bei Kraftwerken an nationale Durchschnittswerte angepasst. Für Raffinerieanlagen mit zusätzlichen Emissionen über den Kraftstoffverbrauch hinaus (katalytisches Cracken, Verkoken, Reformieren, Schwefelproduktion, Bitumenproduktion, Abfackeln) werden mehrere Richtlinien10,11,12,27,88 verwendet. Mit den Daten der Ergänzungstabelle S389 wurde die standortspezifische Emissionsminderung durch Rauchgasreinigung berechnet. Satellitengestützte VIIRS-Abfackelungsmengenmessungen für 201690,91 werden pro Raffinerie hinzugefügt. Wenn raffineriespezifische Abfackelmengen nicht bekannt sind, verwenden wir nationale Durchschnittswerte pro Rohölinput aus bekannten Mengen oder Durchschnittswerte für Industrie-, Entwicklungs- und am wenigsten entwickelte Länder. Schornsteinhöhen für das katalytische Wirbelschichtcracken, Fackeln und andere Arten von Geräten sind standortspezifisch, sofern sie direkt verfügbar82 oder messbar83 sind, oder werden anhand nationaler und globaler Korrelationen angenähert, wie in der Zusatztabelle S2 detailliert beschrieben.

Das Zementwerksmodell deckt die weltweite Grauklinkerproduktion aus Drehrohröfen ab, sodass der geringe Anteil der deutlich teureren Weißklinkerproduktion92 und die Produktion von Grauklinker in Schachtöfen (ca. 2 % der gesamten Grauklinkermenge28) vernachlässigt werden. Falls die Grauklinkerkapazität eines Zementwerks unbekannt ist, wird sie anhand der Anzahl der Drehrohröfen und der durchschnittlichen Drehrohrofenkapazität von 1,36 Mt \(a^{-1}\) (basierend auf dem Durchschnitt der gemeldeten) geschätzt Kapazitätsdaten). Die genauen Standorte der Zementwerksstandorte werden aus den oben genannten Datenquellen und bei kleinen Zementwerken in China (<20 % der chinesischen Kapazität) automatisch ermittelt48. Standortspezifische Rauchgasbehandlungsdaten werden nach Möglichkeit aus Satellitenbildern und Unternehmenshomepages abgeleitet, und die NO\(_\text {x}\)-Reduzierung durch SNCR wird darüber hinaus als Standardannahme für China und Japan festgelegt (basierend auf mehreren Datenquellen11, 93,94). Da Drehrohröfen mit Vorwärmer und Vorkalzinator weltweit der vorherrschende Typ sind28, wird dieser Aufbau als Standardannahme verwendet, es sei denn, anhand von Satellitenbildern wird ein anderer Aufbau identifiziert. Die Ofenauslastung wird anhand der Zement- und Klinkerproduktionsdaten28 berechnet, wobei Lücken aufgefüllt und unter Verwendung der nationalen Zementproduktionsdaten für 201692 aufgeschlüsselt werden. Anschließend werden noch entsprechende Brennstoffeinsätze pro Tonne Klinker und Brennstoffverhältnisse (Kohle/Biomasse/Abfälle) aus nationalen Statistiken28 hinzugerechnet. Die daraus resultierenden Emissionen aus der Brennstoffverbrennung (einschließlich Kalzinierung) und die Emissionen aus der Klinkerkühlung (durch Partikelmitnahme während der Kühlung) werden anschließend gemäß den Richtlinien10,76,85 mit Anpassungen für Rauchgasbehandlungstypen und Ofentypen11 berechnet, wie im SI ausführlicher beschrieben. Die stöchiometrischen CO\(_\text {2}\)-Emissionen werden auf der Grundlage nationaler Statistiken28 addiert und mit globalen Standardwerten85 abgeglichen. Sofern verfügbar, werden die SO\(_\text {2}\)-Emissionsintensitäten84,94 des nationalen Zementwerks verwendet, während die NOx-Emissionsintensitäten pro Ofentyp aus einer anderen Datenquelle11 verwendet werden. Primäre PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen werden auch aus11 verwendet, da andere Literaturdaten10 trotz separater Schornsteine, unterschiedlicher Schornsteinhöhen und Arten der verwendeten Rauchgasbehandlungstechnologien nicht zwischen Klinkerkühlung und Ofenemissionen unterscheiden. Die PM\(_\text {2,5}\)-Emissionen von Kühlern werden auf Null gesetzt, wenn auf Satellitenbildern keine Kühlerstapel identifiziert werden (z. B. im Fall der Verwendung von Kühlluft zur Vorwärmung oder von Planetenkühlern anstelle der üblicheren Vorschubrostkühler). Diffuse primäre PM-Emissionen aus der Zementhandhabung und -weiterverarbeitung (z. B. Sieben, Zerkleinern, Mahlen) sind in der Regel zwischen 1 und 4 Größenordnungen niedriger als aus den Öfen und weisen darüber hinaus keine Informationen zum PM-Austausch auf11 auf sie sind ausgeschlossen. Die Stapelhöhen sind für Klinkerkühler und -öfen, für die Höhendaten verfügbar sind, standortspezifisch83 oder werden aus kapazitätsbasierten nationalen und globalen Korrelationen abgeleitet, wie in der Ergänzungstabelle S2 beschrieben. Ammoniakschlupf-Emissionsfaktoren im Fall der SNCR- und SCR-NO\(_\text {x}\)-Reduktion sind nicht verfügbar und werden daher mit 40 mg Nm\(^{-3}\)95 und 5 mg Nm\ angenommen. (^{-3}\)96 bzw.

Ein Literaturmodell97 wird verwendet, um standortspezifische Charakterisierungsfaktoren (CFs) für primäre und sekundäre gesundheitliche Auswirkungen von Feinstaub abzuleiten. Die Hintergrunddaten in diesem Modell (atmosphärische Bedingungen, Bevölkerung) spiegeln die Bedingungen von 2015 wider (im Gegensatz zu den Emissionsdaten von 2016). Abweichend vom ursprünglichen Ansatz97 wird der Übergangsradius vom hochaufgelösten zum niedrigaufgelösten Modellteil um jede Emissionsquelle auf 1000 km erhöht (von 250 km), da festgestellt wurde, dass ansonsten nur ein begrenzter Teil der Gesamtmenge berücksichtigt wird Gesundheitsauswirkungen können für sehr hohe Stapel mit einer detaillierten Auflösung abgedeckt werden. Das Modell wird wie oben beschrieben mit Emissionsorten und Kaminhöhen gefüttert. Emissionsmengen werden zusammengefasst, wenn sie am exakt gleichen Ort (Längengrad, Breitengrad und Höhe) auftreten. Es werden Berechnungen für 1000 Monte-Carlo-Läufe durchgeführt, bei denen die atmosphärischen Bedingungen zufällig verändert werden. Dies ermöglichte dann die Ableitung von Karten zur Gesundheitsauswirkung auf der Grundlage von Emissionsquellen und Schadstoffen, wie in Abb. 2 dargestellt. Dieser Ansatz umfasst globale nichtlineare Dosis-Wirkungs-Funktionen für fünf Arten von PM-bedingten Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit: ischämische Herzkrankheit, Schlaganfall, Lungenkrebs, chronisch obstruktive Lungenerkrankung und Infektionen der unteren Atemwege. Das Modell umfasst außerdem die atmosphärische Chemie, die Emissionen von SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) und NH\(_\text {3}\) in sekundären PM umwandeln kann \(_\text {2,5}\). Die gesundheitlichen Auswirkungen von CO\(_\text {2}\)-Emissionen werden mit den zentralen Charakterisierungsfaktoren für die menschliche Gesundheit aus14 sowohl für fossiles als auch biogenes CO\(_\text {2}\) quantifiziert, da häufig lange Nachwachstumszeiten auftreten von Biomasse98. Das maximale Potenzial zur Reduzierung der gesundheitlichen Auswirkungen wird unter der Annahme einer vollständigen Vermeidung aller Emissionen quantifiziert.

Erweiterte Methodenbeschreibungen und zusätzliche Ergebnisse finden Sie im SI. Der Quellcode für das Modell (R v3.6.0)99 und die Daten sind unter http://dx.doi.org/10.17632/k2vgcm4bnk.1100 verfügbar. Die standortspezifischen Emissions- und Gesundheitsauswirkungsdaten sind vollständig kompatibel mit den Kraftwerksdatensätzen von31,38,39,68,97. Für weitere Datenanfragen wenden Sie sich bitte direkt an die Autoren unter [email protected].

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Wir danken Christie Walker für das Korrekturlesen unseres Manuskripts sowie Jack Hensley, Helen Droz-Georget, Musuizi Lei, Martin Gasser, Dario Müller, Alexandre Waibel, Annika Sager und Daniela Seitz für ihre Beiträge zu den frühen Phasen dieser Studie. Darüber hinaus bedanken wir uns für die teilweise Finanzierung durch Innosuisse und SCCER-Mobility sowie den Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Diese Publikation wurde im Rahmen des NCCR Catalysis (Fördernummer 180544) erstellt, einem vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierten Nationalen Forschungsschwerpunkt.

ETH Zürich, Institute of Environmental Engineering, John-von-Neumann-Weg 9, 8093, Zurich, Switzerland

Christopher Oberschelp, Stephan Pfister & Stefanie Hellweg

Nationaler Forschungsschwerpunkt (NFS) Katalyse, ETH Zürich, 8093, Zürich, Schweiz

Christopher Oberschelp & Stefanie Hellweg

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CO, SP und SH haben die Forschung entworfen; CO sammelte die Daten und führte die Modellierung mit Beiträgen von SP durch; CO und SP interpretierten die Ergebnisse; CO hat das Papier mit Beiträgen von SP und SH verfasst

Korrespondenz mit Christopher Oberschelp.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Oberschelp, C., Pfister, S. & Hellweg, S. Globale standortspezifische Gesundheitsauswirkungen fossiler Energie, Stahlwerke, Ölraffinerien und Zementwerke. Sci Rep 13, 13708 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38075-z

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Eingegangen: 02. September 2022

Angenommen: 02. Juli 2023

Veröffentlicht: 22. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38075-z

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