Bericht Abteilung LQ Test der Nubo-Mikrosensoren der Firma Sensirion AG im Rahmen des Projekts Smart Climate - Plug & Sense
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Lufthygieneamt beider Basel Rheinstrasse 29, 4410 Liestal, www.basler-luft.ch René Glanzmann, Leiter Luftqualität, rene.glanzmann@bl.ch, T +41 61 552 56 17 Bericht Abteilung LQ Test der Nubo-Mikrosensoren der Firma Sensirion AG im Rahmen des Projekts Smart Climate – Plug & Sense Sandra Andris-Ogorka vom 23. Juli 2021
1. Übersicht
1.1. Zusammenfassung
Im Rahmen des Projekts «Smart Climate Plug & Sense» wurden elf Feinstaub-Sensoren in der
Stadt Basel installiert. Seit April/Anfang Mai 2020 sind diese Sensoren in Betrieb und werden vom
Lufthygieneamt (LHA) getestet.
In diesem Bericht werden die Auswertungen der Feinstaub-Sensoren während des Testbetriebs
vorgestellt und ein erstes Fazit gezogen.
Verglichen mit den Referenzsystemen vom LHA sind die bestimmten linearen Korrelationen (r2) an
den Standorten Feldbergstrasse und St.Johann in den meisten Monaten sehr hoch. Auffällig sind
die niedrigen Korrelationen während der Frühlings-/Sommerzeit. Dieses Phänomen ist aber
bekannt und erklärbar und tritt teilweise auch bei anderen Messgeräten, wie bei dem optischen
kontinuierlichen Messverfahren - FIDAS, auf. In den Sommermonaten ist die Partikelverteilung
anders, als im restlichen Jahr. Grosse bzw. schwerere Partikel werden vom Sensor sowie bei
optischen Messverfahren unterschätzt.
Im Vergleich der Jahresmittel (01.05.20 – 30.04.21), sind die Werte zwischen 2.1 und 3.7 µg/m3
geringer, als die Werte der PM2.5-Messungen an den permanent betriebenen Stationen, was von
Seiten LHA als deutliche Abweichung beurteilt wird.
Trotz der Wahl von unterschiedlichen Standorttypen (städtischer Hintergrund/ verkehrsexponierte
Standorte mit unterschiedlichen Verkehrsintensitäten) ist die Spannbreite der Werte zwischen den
Standorten relativ gering. Da die Verteilung von feineren PM2.5 viel homogener ist, als diese von
grösseren PM10, ist dies erklärbar. Weiter ist die Bildung von sekundärem PM2.5, das einen
grossen Anteil vom gesamten PM2.5 ausmacht, zeitversetzt und findet nicht direkt am Ort der
Emissionen der Vorläuferverbindungen statt.
Eine Weiterführung dieses Projekts wird als sinnvoll betrachtet, wenn man die Sensor- Werte mit
einer vernünftigen Offset-/Faktor-Korrektur an das Referenzsystem angleichen könnte. Aufgrund
der Erkenntnis, dass die PM2.5-Belastung in der Stadt relativ homogen ist, kann man das
aufgebaute Messnetz auf fünf bis sechs Nubo-Sensoren reduzieren.
1.2. Inhaltsverzeichnis
1. Übersicht ....................................................................................................................2
1.1. Zusammenfassung 2
1.2. Inhaltsverzeichnis 2
2. Bericht ........................................................................................................................3
2.1. Ausgangslage 3
2.2. Messmethodik und Messnetz 4
2.3. Resultate 6
2.3.1. Vergleich Sensor «Nubo» vs. HighVolumeSampler 6
2.3.2. Vergleich Sensor «Nubo» vs. HVS & FIDAS im Verlauf 7
2.3.3. Vergleich Jahresmittel (JM) 01.05.20-30.04.21 8
2.4. Fazit 9
3. Literatur ....................................................................................................................11
4. Anhänge ...................................................................................................................12
23. Juli 2021 2/13
2. Bericht 2.1. Ausgangslage In Basel-Stadt und 21 umliegenden Gemeinden in Deutschland, Frankreich und der Schweiz wurde, im Rahmen des Projekts «Smart Climate Plug & Sense», ein Netzwerk aus ca. 200 Klimasensoren aufgebaut. Die von den Sensoren erfassten Wetterdaten (Temperatur und teilweise Niederschlag) werden per LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) der IWB an den ebenfalls am Projekt beteiligten Basler Wetterdienstleister meteoblue gesendet, dort ausgewertet und auf der firmeneigenen Website sowie über das Open-Government-Data (OGD) Portal des Kantons Basel-Stadt zur Verfügung gestellt (Link: https://data.bs.ch/explore/?q=Smart+Climate&sort=modified). Ergänzt wird das Klimasensornetzwerk durch Feinstaubsensoren der Firma Sensirion AG, die das Lufthygieneamt beider Basel (LHA) im Rahmen des Projekts testet, sowie durch Schallsensoren, die im Auftrag des AUE Basel-Stadt an diversen zentralen Messpunkten im Kanton installiert wurden. Der Feinstaubsensor «Nubo» von der Sensirion AG misst die Feinstäube mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 2.5 µg/m3 (PM2.5). Für das Testen dieser Sensoren wurden elf Sensoren in der Stadt Basel installiert. Da der Nubo-Sensor zum Zeitpunkt des Testbeginns noch nicht LoRa-fähig war, wurden die Daten über die vorhandene 4G- Mobilfunkschnittstelle zu Sensirion und daraufhin per FTP in die Luftdatenbank «Airmo» übertragen. Seit April/Anfang Mai 2020 sind diese Sensoren in Betrieb. In diesem Bericht werden die Auswertungen der Feinstaub-Sensoren während des Testbetriebs vorgestellt und ein erstes Fazit gezogen. Langfristiges Ziel des Projekts «Smart Climate - Plug & Sense» ist es, die technologischen und organisatorischen Infrastrukturen bereitzustellen, um ein mit unterschiedlicher Sensorik flexibel bestückbares Sensornetzwerk in der Region zu etablieren und dessen langfristigen Betrieb zu sichern. 23. Juli 2021 3/13
2.2. Messmethodik und Messnetz
Gesamthaft wurden elf Sensoren an unterschiedlichen Standorten in der Stadt Basel installiert. Um
die Messqualität der Sensoren zu vergleichen, wurden an den permanentbetriebenen
Multikomponentenmessstationen des LHA Feldbergstrasse und St.Johann, sowie an der Station
Binningen (NABEL) jeweils ein Sensor angebracht.
Standort Standorttyp Bemerkung
Feldbergstrasse Verkehrsexponiert An der permanent betriebenen Station
St.Johann Städtischer Hintergrund An der permanent betriebenen Station
Laufenstrasse 67 Städtischer Hintergrund Wohnquartier im Gundeli
Grenzacherstrasse 103 Verkehrsexponiert
Hochbergerstrasse 162 Städtischer Hintergrund Hafenareal
Rennweg 89 Städtischer Hintergrund Wohnquartier
Zürcherstrasse 148 Verkehrsexponiert
Erlenparkweg 55 Städtischer Hintergrund
Goldbachweg Städtischer Hintergrund
Binningen (NABEL) Agglomeration An der permanent betriebenen Station
Augustinergasse 2 Städtischer Hintergrund Auf dem Dach des Naturkundemuseum im
Rahmen der Ausstellung «Erde am Limit»
23. Juli 2021 4/13Abbildung 1: Karte der Standorte des Feinstaubsensors "Nubo"; Quelle:
Firma Sensirion
23. Juli 2021 5/132.3. Resultate
2.3.1. Vergleich Sensor «Nubo» vs. HighVolumeSampler
Beim Vergleich der Nubo Tagesmittelwerte mit den gravimetrischen Tages-Daten (erhoben
mit dem High-Volume-Sampler / HVS) an den permanent betriebenen Stationen
Feldbergstrasse und St.Johann, ist zu sehen dass die lineare Korrelation (r2) in den meisten
Monaten sehr hoch ist. Auffällig sind die niedrigen Korrelationen während der Frühlings-
/Sommerzeit.
Feldbergstrasse Achsenabschnitt Steigung Korrelation
Januar'20 -10.60 1.55 0.98
Februar'20 1.35 0.37 0.90
März'20 -1.33 0.88 0.96
April'20 5.17 0.08 0.35
Mai'20 -1.67 0.72 0.53
Juni '20 1.46 0.29 0.42
Juli'20 1.57 0.21 0.55
August'20 -3.64 0.77 0.96
September'20 -3.31 0.68 0.94
Oktober'20 -1.62 0.93 0.85
November -0.93 0.96 0.87
Dezember'20 -0.87 0.91 0.95
Januar'21 -5.53 1.50 0.94
Februar'21 3.70 0.35 0.87
März'21 -1.77 0.76 0.85
23. Juli 2021 6/132.3.2. Vergleich Sensor «Nubo» vs. HVS & FIDAS im Verlauf (vergrösserte Grafiken im Anhang) Erklärung Abbildung: durchgezogene Linie xxxx_grav sind die gravimetrischen Tages-Werte; gestrichelte xxxx_F Linie sind die Tagesmittelwerte des Messgeräts FIDAS; durchgezogene Linie xxxx_Nubo sind die Tagesmittelwerte des Sensors Nubo. An der Station Binningen (NABEL) wird jeden vierten Tag ein PM2.5 Tageswert gravimetrisch bestimmt (rote Punkte). Visuell im Jahresverlauf ist zu sehen, dass der Sensor «Nubo» im Vergleich zu den gravimetrischen Daten wie auch zum Messgerät FIDAS (optisches Feinstaubmessgerät zur kontinuierlichen und gleichzeitigen Erfassung der Massenkonzentration) geringere Werte misst, aber den gleichen Verlauf hat. Vor allem in den Sommermonaten 2020 ist ein grosser Offset deutlich zu beobachten. 23. Juli 2021 7/13
2.3.3. Vergleich Jahresmittel (JM) 01.05.20-30.04.21
Die Jahresmittel von allen elf Standorten in Basel im Zeitraum von Mai 2020 bis Mai 2021 liegen
zwischen 7.3 µg/m3 und 9.1 µg/m3 (der Standort an der Augustinergasse sogar bei 9.3, ist aber
erst seit 9.7.20 in Betrieb, bzw. das Jahresmittel 10.7.20-9.7.21: 8.9 µg/m3). Die Differenz zwischen
höchsten und niedrigsten Wert liegt somit bei 1.8 µg/m3
PM2.5 Nubo Jahresmittel (JM)
01.05.20-30.04.21 µg/m3
Feldbergstrasse 9.1
St.Johann 8.4
Laufenstrasse 67 8.7
Grenzacherstrasse 103 7.6
Hochbergerstrasse 162 7.3
Rennweg 89 8.7
Zürcherstrasse 148 9.1
Erlenparkweg 55 8.6
Goldbachweg 8.3
Binningen 8.7
Augustinergasse 2 9.3*
*Sensor an der Augustinergasse 2 seit 9.7.2020 in Betrieb; JM 10.7.20-9.7.21: 8.9 µg/m3
Verglichen mit den PM2.5-Messungen an den permanent betriebenen Stationen (siehe untere
Tabelle) resultierend aus den gravimetrisch korrigierten FIDAS-Werten sind die Werte der Nubo
Sensoren zwischen 2.1 und 3.7 µg/m3 geringer.
PM2.5 Nubo Feldbergstrasse St.Johann Grenzacherstrasse Binningen
µg/m3 µg/m3 µg/m3 µg/m3
JM 9.1 8.4 7.6 8.7
01.05.20-
30.04.21
PM2.5 FIDAS (korr) FIDAS (korr) FIDAS
FIDAS/Grav
JM 12.8 10.7 10.8
01.05.20-
30.04.21
PM10 FIDAS (korr) FIDAS Grav FIDAS
FIDAS/Grav (korr)
JM 18.4 15.4 16.7 13.5
01.05.20-
30.04.21
Auffällig ist der niedrige Wert für PM2.5, gemessen durch den Nubo Sensor, am
verkehrsexponierten Standort Grenzacherstrasse mit 7.6 µg/m3. Aufgrund der PM10-Werte, die an
23. Juli 2021 8/13diesem Standort vorliegen, hätte man einen PM2.5- Wert im Bereich zwischen Feldbergstrasse
und St.Johann erwartet.
NO2 Jahresmittel NO2 PM2.5 Nubo Jahresmittel PM2.5
(µg/m3) (µg/m3)
01.05.20-30.04.21 01.05.20-30.04.21
BS Auffahrt 41.7 Goldbachweg 8.3
Schwarzwaldallee
BS Breite 36.5 Zürcherstrasse 148 9.1
BS Grenzacherstrasse 30.1 BS Grenzacherstrasse 103 7.6
103
BS Lange Erlen 15.8 Erlenparkweg 55 8.6
Feldbergstrasse 37.8 Feldbergstrasse 9.1
St.Johann 18.7 St.Johann 8.4
Binningen 15.4 Binningen 8.7
An sieben Sensoren-Standorten werden auch (oder in der Nähe) NO2-Passivsammler-Messungen
(Trendstationen) durch das LHA durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass die
gemessenen PM2.5 – Werte keinen Zusammenhang mit der NO2-Belastung auf weisen.
2.4. Fazit
Die elf Mikrosensoren «Nubo» sind seit über einem Jahr in Basel in Betrieb. Der Betrieb ist relativ
stabil- es gab vereinzelt ein paar Ausfälle, die teils der Stromversorgung aber auch dem
eigentlichen Sensor geschuldet waren.
Weiter ist auch die Datenqualität hoch geblieben. Ein «abdriften» der Daten ist bis jetzt nicht
erkennbar.
Verglichen mit den Referenzsystemen vom LHA sind die bestimmten linearen Korrelationen (r2) an
den Standorten Feldbergstrasse und St.Johann in den meisten Monaten sehr hoch. Auffällig sind
die niedrigen Korrelationen während der Sommerzeit. Dieses Phänomen ist aber bekannt und
erklärbar und tritt teilweise auch bei anderen Messgeräten, wie bei dem optischen kontinuierlichen
Messverfahren - FIDAS, auf. In den Sommermonaten ist die Partikelverteilung anders, als im
restlichen Jahr. Grosse bzw. schwerere Partikel werden vom Sensor sowie bei optischen
Messverfahren unterschätzt.
Im Vergleich der Jahresmittel (01.05.20 – 30.04.21), sind die Werte zwischen 2.1 und 3.7 µg/m3
geringer, als die Werte der PM2.5-Messungen an den permanent betriebenen Stationen.
Trotz der Wahl von unterschiedlichen Standorttypen (städtischer Hintergrund/ verkehrsexponierte
Standorte mit unterschiedlichen Verkehrsintensitäten) ist die Spannbreite der Werte zwischen den
Standorten relativ gering. Es ist denkbar, dass die Verteilung von feineren PM2.5 viel homogener
ist, als diese von grösseren PM10. Dieses Phänomen ist auch in einem EMPA-Bericht beschrieben
und wie folgt erklärt:
Die Unterschiede zwischen ländlichem (Payerne), vorstädtischem (Basel-Binningen) und
städtischem Standort (Zürich-Kaserne) auf der Alpennordseite sind jedoch relativ klein (…).
Dies lässt sich dadurch erklären, dass ein sehr grosser Anteil von PM2.5 erst in der
Atmosphäre durch chemische Umwandlung von gasförmigen Vorläuferverbindungen gebildet
wird (sekundäres PM2.5). Die Bildung von sekundärem PM2.5 benötigt einige Zeit und findet
nicht direkt am Ort der Emissionen der Vorläuferverbindungen statt. Dies führt auf regionaler
23. Juli 2021 9/13Skala zu einer recht gleichmässigen räumlichen Verteilung von PM2.5 und entsprechend
hohen Korrelationen zwischen den PM2.5-Tagesmittelwerten von den verschiedenen
Messstationen. (Hüglin C., 2014)
Auffällig ist dennoch der niedrige Wert für PM2.5, gemessen durch den Sensor, am
verkehrsexponierten Standort Grenzacherstrasse mit 7.6 µg/m3. Aufgrund der PM10-Werte, die an
diesem Standort vorliegen, hätte man einen PM2.5- Wert im Bereich zwischen Feldbergstrasse
und St.Johann erwartet. Erklärbar ist dieses Resultat damit, dass die Hauptquellen von PM2.5
nicht primäre Partikel des Verkehrs sind, sondern dass die Quellen entkoppelt sind (Aussage
Treffen Sensirion Mai 2021). In der Publikation von K.Juda-Rezler et al. 2020 und vom BAFU,
2019, wird aufgezeigt, dass der Verkehr einen relativ kleinen Anteil in der gesamten
Quellengruppen ausmacht.
Im Gegensatz dazu, ist auffällig, dass die Standorte Lange Erle und Binningen relativ hohe Werte
zeigen und um 1 µg/m3 höher liegen als der Standort Grenzacherstrasse.
Eine Weiterführung dieses Projekts wird als sinnvoll betrachtet, wenn man die Sensor- Werte mit
einer vernünftigen Offset-/Faktor-Korrektur an das Referenzsystem angleichen könnte. Aufgrund
der Erkenntnis, dass die PM2.5-Belastung in der Stadt relativ homogen ist, kann man das
aufgebaute Messnetz auf fünf bis sechs Nubo-Sensoren reduzieren.
23. Juli 2021 10/133. Literatur
- BAFU: 2019; Feinstaub PM2.5; Fragen und Antworten zu Eigenschaft, Emissionen,
Immissionen, Auswirkungen und Massnahmen
- Hüglin C.; 2014; EMPA: Chemische Zusammensetzung von PM2.5, Untersuchungen
ausgewählten NABEL-Stationen
- Juda-Rezler K., Reizer M., Maciejewska, K., Blaszczak, B.,Klejnowsky, K.; 2020:
Chracterization of atmospheric PM2.5 sources at a Central European urban bacjground site
23. Juli 2021 11/134. Anhänge
- Monatsweise Auswertung Sensor «Nubo» vs. HVS vs. FIDAS für die Feldbergstrasse:
2020-02-12 Auswertung PM2,5 Feldbergstrasse (Microsoft Excel-Arbeitsblatt) - Fabasoft
eGov-Suite
- Monatsweise Auswertung Sensor «Nubo» vs. HVS vs. FIDAS für die St.Johann: Dokument
"2020-02-12 Auswertung PM2.5 an der Messstation St. Johanns-Platz" - Fabasoft eGov-
Suite (bl.ch)
23. Juli 2021 12/1323. Juli 2021 13/13
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