Ausbreitungsrechnung

Für die Durchführung von Ausbreitungsrechnungen nach TA Luft ist gemäß Anhang 2 ein Lagrange-Modell nach Richtlinie VDI 3945 Blatt 3 (Ausgabe September 2000) zu verwenden. Die Referenzimplementierung des UBA ist das Modell AUSTAL. Dieses wird unter GNU Public Licence hier zur Verfügung gestellt. Prinzipiell können auch andere Ausbreitungsmodelle verwendet werden, wenn sie die Anforderungen des Anhang 2 der TA Luft erfüllen.

Stand: 22.05.2024

Bei der Ausbreitungsrechnung für Stäube ist nasse und trockene Deposition zu berücksichtigen. Für die nasse Deposition können sich dabei in Anlagennähe systembedingt hohe Depositionswerte ergeben. Hierzu wird auf die Information auf den AUSTAL-Seiten des UBA verwiesen (FAQ Punkt 14).

Ab der Version AUSTAL3.2 besteht die Möglichkeit, modellintern mittels einer NOSTANDARD-Option ("WETDRIFT") die Verdriftung von Regentropfen für die nasse Deposition zu berücksichtigen. Nach Beschluss der 125. Sitzung des LAI-Ausschusses Luftqualität/Wirkungsfragen/Verkehr vom 12.-14. Juni 2023 kann diese Option als gleichwertige Alternative zur flächenbezogenen Mittelung der nassen Deposition um die Emissionsquelle herum genutzt werden. Es wird empfohlen, im Falle einer gutachtlichen Stellungnahme darauf hinzuweisen.

Stand 22.05.2024

Informationen zu Anhang 7 TA Luft enthält der LAI-Kommentar zum Anhang 7.

Anders als bei Ausbreitungsrechnungen für Stäube oder Gase wird bei der Ausbreitungsrechnung für Geruch keine Konzentration ermittelt, sondern die Häufigkeit des Auftretens von Geruchsstunden. Eine Geruchsstunde liegt per Definition dann vor, wenn während mindestens sechs Minuten einer Stunde Geruch wahrgenommen wird, d. h., in dieser Zeit die Konzentration an Geruchsstoffen über der Geruchsschwelle liegt. In der Ausbreitungsrechnung nach TA Luft ist eine minutenfeine Auflösung nicht sinnvoll. Stattdessen wird dort eine Stunde als Geruchsstunde definiert, wenn die mittlere Geruchsstoffkonzentration den Schwellenwert 0,25 GEE/m³ überschreitet.

Daher gibt es gegenüber den übrigen luftgetragenen Schadstoffen bei der Ermittlung von Geruchsimmissionen einige Besonderheiten. So verhält sich beispielsweise die Geruchswahrnehmung nicht linear, d. h., eine Verdopplung der Geruchsemissionen führt nicht zwangsläufig zu einer Verdopplung der Geruchshäufigkeit – und umgekehrt.

Während für Gase und Stäube die Vorbelastung durch Messungen ermittelt wird und die Gesamtbelastung als Summe aus gemessener Vorbelastung und berechneter Zusatzbelastung ermittelt wird, wird für Geruch in der Regel auch die Vorbelastung und gegebenenfalls die Gesamtbelastung durch eine Ausbreitungsrechnung bestimmt. Dabei ist auf die Einbeziehung aller relevanten Emissionsquellen innerhalb des Betrachtungsgebietes zu achten. Dafür kann gegebenenfalls ein größeres Rechengebiet erforderlich sein. Hinweise zur Ermittlung der zu berücksichtigenden Quellen gibt der LAI-Kommentar zu Anhang 7 (Festlegung Beurteilungsgebiet). Prinzipiell ist auch eine Bestimmung der Vorbelastung mit Messungen möglich. Nur in diesem Fall wird die Gesamtbelastung aus Addition der gemessenen Vorbelastung und der berechneten Zusatzbelastung ermittelt.

Das Vorgehen zur Berechnung der Zusatzbelastung Geruch hängt bei einer Änderungsgenehmigung davon ab, ob Änderungen im Bestand vorgenommen werden. Detaillierte Informationen hierzu gibt der LAI-Kommentar zu Anhang 7 (Irrelevanzkriterium).

Wird für Geruch die Vorbelastung und die Gesamtbelastung mittels Ausbreitungsrechnung ermittelt, müssen, gerade in landwirtschaftlich geprägten Regionen, oft auch Quellen in größerer Entfernung von der Anlage berücksichtigt werden. Dabei ist es möglich, dass streng nach TA Luft für alle diese Quellen Gebäudeeinflüsse zu berücksichtigen sind. In einem solchen Fall ist die Verwendung eines Windfeldmodells für die Gebäudeberücksichtigung bereits aus rechentechnischen Gründen schwierig bis unmöglich. Das LANUV hat daher Vergleichsrechnungen für Quellen aus dem landwirtschaftlichen Bereich durchgeführt. Dabei wurde die Gebäudeberücksichtigung zum einen mit diagnostischem Windfeldmodell, zum anderen mit vertikalen Ersatzquellen (Erdboden bis Quellhöhe bzw. halbe Quellhöhe bis Quellhöhe) durchgeführt. Es ergibt sich, dass für den Einsatzbereich des diagnostischen Windfeldmodells bei der Ausbreitungsrechnung für Geruch der Ansatz vertikaler Ersatzquellen von Erdboden bis Quellhöhe ausreichend konservativ ist. Für die Ausbreitungsrechnung Geruch im Tierhaltungsbereich kann daher aus Sicht des LANUV im Anwendungsbereich des diagnostischen Windfeldmodells auch der Ansatz vertikaler Ersatzquellen mit einer Erstreckung von Erdboden bis Quellhöhe akzeptiert werden. Für andere Ansätze, beispielsweise Ersatzquellen mit vertikaler Erstreckung von halber Quellhöhe bis Quellhöhe, müsste die Eignung im konkreten Einzelfall seitens des Gutachters geprüft und nachgewiesen werden.

Dies gilt ausdrücklich nur für Ausbreitungsrechnungen für Geruch und für den Anwendungsbereich des diagnostischen Windfeldmodells nach TA Luft, d. h. für Aufpunkte außerhalb des unmittelbaren Einflussbereichs der quellnahen Gebäude. Für andere Schadstoffe, beispielsweise Ammoniak, sind diese Ersatzquellenansätze nicht in allen Fällen ausreichend konservativ.

Stand: 22.05.2024

Das Ausbreitungsmodell AUSTAL ermöglicht die Berechnung der Immissionsbelastung sowohl auf Grundlage einer Zeitreihe (Ausbreitungsklassenzeitreihe, AKT oder AKTerm) als auch auf Grundlage einer mehrjährigen Häufigkeitsverteilung der stündlichen Ausbreitungssituationen (Ausbreitungsklassenstatistik, AKS).

Diese Dateien enthalten die meteorologischen Daten der Windrichtung, Windgeschwindigkeit sowie der Stabilität, angegeben als Ausbreitungsklasse. Ist nasse Deposition zu berücksichtigen, so muss eine Ausbreitungsklassenzeitreihe verwendet werden. In diesem Fall wird zusätzlich eine Niederschlagszeitreihe benötigt. Diese Niederschlagszeitreihe muss den gleichen Zeitraum abdecken wie die Ausbreitungsklassenzeitreihe. Wenn verfügbar, sind die Niederschlagsdaten aus dem flächendeckenden Datensatz des UBA zu verwenden. Dies bedeutet, dass für die Bestimmung des repräsentativen Jahres der Zeitraum herangezogen werden sollte, der von den Niederschlagsdaten des UBA abgedeckt wird.

Für die Ausbreitungsrechnung ist nach TA Luft vorrangig eine meteorologische Zeitreihe zu verwenden. Eine Häufigkeitsverteilung der stündlichen Ausbreitungssituation kann verwendet werden, sofern mittlere Windgeschwindigkeiten von weniger als 1 m/s im Stundenmittel am Standort der Anlage in weniger als 20% der Jahresstunden auftreten und keine nasse Deposition berücksichtigt werden muss.

Nach TA Luft können sowohl gemessene als auch mit Modellsimulation erzeugte meteorologische Daten für Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Ausbreitungsklasse verwendet werden. Dabei sollten bevorzugt geeignete Messungen am Standort verwendet werden.

Zu beachten bei Verwendung von Daten aus Messungen:

• Die Messung muss die Qualitätsanforderung der Richtlinie VDI 3783 Blatt 21 erfüllen.
  Bei Verwendung von LUQS-Messdaten des LANUV NRW liegt diese Prüfung in der Verantwortung des Gutachters, da diese Stationen und ihre Standorte nicht primär als meteorologische Messstationen eingerichtet werden. Seitens des LANUV wird daher nicht geprüft, ob diese Station die Anforderungen der Richtlinie VDI 3783 Blatt 21 erfüllen.
• Wird aus den Messdaten eine AKTerm/AKS erzeugt, sind für die Ermittlung der rauigkeitslängenabhängigen Anemometerhöhen sowie der dazu erforderlichen effektiven Rauigkeitslänge am Messort die Verfahren des DWD anzuwenden. Hierfür gibt es zwei Merkblätter des DWD, zur Ermittlung aus Windmessungen (DWD 2023) und zur Ermittlung aus topographischen Karten (DWD 2019).
  Hinweis: Auch wenn der Ort der Messung im Rechengebiet liegt, kann die so ermittelte effektive Rauhigkeitslänge von der in der Ausbreitungsrechnung angesetzten Rauhigkeitslänge abweichen.
  Hinweis: Die so ermittelte effektive Rauhigkeitslänge ist nicht notwendigerweise konstant über die Jahre. Sie muss daher für das jeweilige Jahr bzw. den jeweiligen Zeitraum der verwendeten meteorologischen Daten bestimmt werden und kann nicht aus Datensätzen anderer Zeiträume übernommen werden.
• Bei der Ermittlung eines repräsentativen Jahres sind die Vorgaben der Richtlinie VDI 3783 Blatt 20 zu beachten. Bei der Berücksichtigung von nasser Deposition sollte der Zeitraum, aus dem das repräsentative Jahr ermittelt wird, in dem Zeitraum liegen, für den Niederschlagsdaten des UBA vorliegen.
• Bei Übertragung einer Messung ins Rechengebiet sind die Vorgaben der Richtlinie VDI 3783 Blatt 20 zu berücksichtigen.
• Liegt die Station im Rechengebiet und wird der Messort als Anemometerposition in der Ausbreitungsrechnung angesetzt, entfällt die Notwendigkeit einer Übertragbarkeitsprüfung. Dies sollte aber nicht dazu führen, dass das Rechengebiet deutlich vergrößert wird, damit der Messort im Rechengebiet liegt. Eine derartige Vergrößerung des Rechengebiets kann vor allem in topographisch gegliederten Regionen zu unrealistischen Windverhältnissen am Anlagenstandort führen.
• Liegt der Standort in gegliedertem Gelände, sollte für die Festlegung des Zielbereichs (Ersatzanemometerposition) im Rahmen der Übertragbarkeitsprüfung das in der Richtlinie VDI 3783 Blatt 16 beschriebene Verfahren verwendet werden. 

Zu beachten bei Verwendung von Daten aus Modellsimulationen ("modellierten Daten"):

• Die modellierten Daten müssen qualitätsgesichert und ihre generelle Eignung für die Ausbreitungsrechnung nach TA Luft nachgewiesen sein. Hierzu befindet sich eine VDI-Richtlinie (VDI 3783 Blatt 22) zur Qualitätssicherung in der Erarbeitung. Bis zum Vorliegen dieser VDI-Richtlinie ist seitens des Gutachters noch größere Sorgfalt auf die Eignungsprüfung der Daten und eine entsprechende Darstellung im Gutachten zu legen.
• Die Eignung der standortbezogenen modellierten Daten für die konkrete Ausbreitungsrechnung ist ebenfalls zu prüfen und darzulegen.
• Bei Berechnung mit nasser Deposition (Verwendung von Niederschlag) sind die Niederschlagsdaten des UBA zu verwenden. Dabei müssen die modellierten Daten für das gleiche Jahr gelten wie die verwendete Niederschlagszeitreihe, d. h., sie müssen einem realen Jahr entsprechen. Modellierte Daten für ein synthetisches Jahr können nicht verwendet werden.

Stand: 22.05.2024 

Ist nasse Deposition zu berücksichtigen, so muss eine Ausbreitungsklassenzeitreihe verwendet werden. In diesem Fall wird zusätzlich eine Niederschlagszeitreihe benötigt. Diese Niederschlagszeitreihe muss den gleichen Zeitraum abdecken wie die Ausbreitungsklassenzeitreihe. Dabei sind die Niederschlagsdaten aus dem flächendeckenden Datensatz des UBA zu verwenden. Dementsprechend soll für die Ermittlung des repräsentativen Jahres die meteorologischen Daten in dem Zeitraum der Niederschlagsdaten des UBA liegen. Dieser UBA-Datensatz liegt aktuell für den Zeitraum 2006 bis 2015 vor. Eine Erweiterung auf den Zeitraum 2016 bis aktuell mit anschließender jährlicher Fortschreibung ist in Arbeit, die Fertigstellung des kompletten Datensatzes wird aber nicht vor Ende 2024 erwartet.

Seitens des LANUV wird daher empfohlen, bei der Auswahl der meteorologischen Daten für das repräsentative Jahr den Zeitraum der UBA-Niederschlagsdaten heranzuziehen.

Zu beachten bei Niederschlag:

• Wenn möglich den Datensatz des UBA verwenden; derzeit verfügbar für den Zeitraum 2006 bis 2015. Eine Erweiterung auf den Zeitraum ab 2016 und anschließend kontinuierliche Fortführung der Daten ist geplant.
• Daten am Standort der Anlage verwenden, keine Übertragung von Daten etwa am Standort der meteorologischen Messung.
• Wenn ein Jahr verwendet werden soll, für das keine Niederschlagsdaten des UBA vorliegen, ist im Gutachten nachvollziehbar darzulegen und zu begründen, warum keine Daten aus dem Zeitraum verwendet werden konnten, für die UBA-Niederschlagsdaten vorliegen. Dies kann im Einzelfall vorkommen, wenn für das Genehmigungsverfahren Messungen vor Ort erfolgen, die erst nach dem Zeitraum der UBA-Daten begonnen haben.
• Wenn für das verwendete Jahr keine Niederschlagsdaten des UBA vorliegen und keine Verwendung eines anderen Jahres möglich ist, wäre eine Möglichkeit, DWD-Niederschlagsdaten nach dem Verfahren des UBA für das benötigte Jahr auf den Anlagenstandort zu interpolieren.
• Alternativ können im Einzelfall auch gemessene Niederschlagsdaten des Jahres für den Anlagenstandort verwendet werden, wenn die Messung nachgewiesen qualitätsgesichert ist. Die Verwendung ist darzulegen und zu begründen.
• In jedem Fall muss der Niederschlag auf den mittleren UBA-Jahresniederschlag für den Standort skaliert sein.

Stand: 22.05.2024 

Nach TA Luft sind in Gebieten, in denen Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten, insbesondere Kaltluftabflüsse, zu erwarten sind, diese Einflüsse zu prüfen und gegebenenfalls zu berücksichtigen. Im Rahmen der Ausbreitungsrechnung ist daher zunächst zu prüfen, ob im Rechengebiet Einflüsse von lokalen Windsystemen oder anderen meteorologischen Besonderheiten zu erwarten sind. Aufgrund der topographischen Gegebenheiten sind in NRW für den Kontext der Ausbreitungsrechnung nach TA Luft in erster Linie Kaltluftabflüsse und gegebenenfalls Berg-Talwinde von Bedeutung. Andere lokale Windsysteme (z. B. Land-See-Windzirkulation) sind in NRW für die Anwendung der TA Luft meist nicht relevant.

Generell sind Kaltluftabflüsse und / oder Berg-Talwinde nur in Gebieten zu erwarten, in denen relevante Steigungen auftreten. Liegen im Rechengebiet die Steigungen unter 1:20 kann aus Sicht des LANUV daher in jedem Fall auf eine weitere Betrachtung verzichtet werden.

Bei Steigungen von mehr als 1:20 müsste geprüft werden, ob entsprechende lokale Windsysteme auftreten. Für Kaltluft existieren verschiedene Modelle, die das Auftreten von Kaltluft abschätzen. Bei der Verwendung dieser Modelle ist auf jeden Fall auf eine ausreichende räumliche Auflösung zu achten. Bei zu grober Gitterweite des Kaltluftmodells werden die topographischen Gegebenheiten nicht unbedingt ausreichend aufgelöst.

Wenn sich aus der Prüfung ergibt, dass lokale Windsysteme auftreten, ist ihre Relevanz für die Immissionsbelastung zu prüfen. Für Kaltluft können dabei als erste Abschätzung folgende Aspekte betrachtet werden:

• Emissionshöhe – wenn die Ableitung nur über Schornsteine erfolgt, deren Mündungshöhe oberhalb der maximalen Kaltlufthöhe liegt, ist nicht davon auszugehen, dass Kaltluft die Immissionszusatzbelastung relevant erhöht.
• Emissionszeit – wenn Emissionen nur tagsüber erfolgen, ist von keiner oder nur untergeordneter Relevanz von Kaltluft auf die Immissionszusatzbelastung auszugehen.
• Fließrichtung und Lage der Aufpunkte – wenn die Kaltluftflüsse von der Anlage aus keine relevanten Aufpunkte erreichen, ist nicht davon auszugehen, dass Kaltluft die Immissionszusatzbelastung an diesen Immissionsorten relevant erhöht.
• grobe Abschätzung über potenzielle Häufigkeit von Kaltluft und Annahme einer entsprechenden Erhöhung der Immissionsbelastung (Geruch: Jede Stunde mit Kaltluft als Geruchsstunde werten und auf die berechnete Immissionsbelastung addieren). Wenn mit dieser konservativen Abschätzung die Einhaltung der Immissionswerte gezeigt wird, ist dies aus Sicht des LANUV ausreichend.
• Wenn Kaltluft nur in eine Richtung fließt, könnte eine Ausbreitungsrechnung mit angepasster Ausbreitungsklassenzeitreihe durchgeführt werden. Dies setzt voraus, dass die verwendete Meteorologie am Standort gemessen wurde und es keine Richtungsänderung der Kaltluftflüsse im Verlauf zu den relevanten Aufpunkten oder während der Zeit gibt. Dies muss vor Durchführung einer derartigen Abschätzung geprüft und dargelegt werden. In der Praxis wird ein solch einfacher Fall eher selten auftreten.

Wenn diese einfachen Abschätzungen nicht ausreichend sind, muss der Einfluss von Kaltluft auf die Immissionsbelastung explizit betrachtet werden. Dies kann im Rahmen der Ausbreitungsrechnung erfolgen, indem das Windfeld zeitabhängig mit Kaltluftberücksichtigung simuliert wird und die Ausbreitungsrechnung mit diesem Windfeld erfolgt. Ein diagnostisches Windfeldmodell kann dafür nicht verwendet werden.

Stand: 22.05.2024

Die Geländestruktur beeinflusst das Windfeld (Windrichtung und Windgeschwindigkeit) und hat damit Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten. Nach TA Luft ist der Einfluss von Geländeunebenheiten in der Ausbreitungsrechnung zu berücksichtigen, wenn im Rechengebiet Höhendifferenzen zum Emissionsort von mehr als dem 0,7-fachen der Schornsteinbauhöhe und Steigungen von mehr als 1:20 auftreten. Die Steigung ist dabei aus der Höhendifferenz über eine Strecke zu bestimmen, die dem Zweifachen der Schornsteinbauhöhe entspricht. Bei geringeren Geländesteigungen kann davon ausgegangen werden, dass der Einfluss der Geländeunebenheiten auf die Immissionszusatzbelastung vernachlässigbar ist. Gleiches gilt, wenn die Höhendifferenzen weniger als das 0,7-fache der Schornsteinbauhöhe betragen.

Auch wenn in der TA Luft von Schornsteinbauhöhe die Rede ist, lässt sich dieses Kriterium analog auch bei diffusen Quellen heranziehen.

Wenn in der Ausbreitungsrechnung eine niedrigere Schornsteinhöhe zu berücksichtigen ist als die geplante Schornsteinbauhöhe, sollte aus fachlicher Sicht des LANUV für die Prüfung auf Höhendifferenzen die in der Ausbreitungsrechnung angesetzte Quellhöhe verwendet werden. Dies ist der Fall, wenn eine um mehr als 10 % höhere Schornsteinhöhe realisiert werden soll als nach Nr. 5.5. TA Luft ermittelt und für die Prüfung auf irrelevante Gesamtzusatzbelastung die Ausbreitungsrechnung mit der Schornsteinhöhe nach Nr. 5.5 TA Luft durchgeführt werden muss. Für diese Ausbreitungsrechnung sollen für die Entscheidung, ob mit Geländeberücksichtigung gerechnet werden soll, die Höhendifferenzen anhand der in der Ausbreitungsrechnung angesetzten Schornsteinhöhe (Schornsteinhöhe nach Nr. 5.5. TA Luft und nicht Schornsteinbauhöhe) überprüft werden.

Bei Steigungen zwischen 1:20 und 1:5 ist das diagnostische Windfeldmodell nach TA Luft zu verwenden. Bei Steigungen von mehr als 1:5 kann ein prognostisches mesoskaliges Windfeldmodell verwendet werden. Dabei müssen die Anforderungen der VDI 3783 Blatt 7 und VDI 3783 Blatt 16 erfüllt werden. Eine Referenzimplementierung eines solchen prognostischen Windfeldmodells ist das Modell METRAS. Bei der Verwendung eines prognostischen Windfeldmodells zur Berücksichtigung der Geländeunebenheiten ist zu beachten, dass für das prognostische mesoskalige Modell die horizontale Auflösung nicht kleiner als 50 m sein soll. Gerade bei niedrigen Quellen ist diese Auflösung somit gröber als die nach TA Luft erforderliche Maschenweite. In Einzelfällen kann das dazu führen, dass Geländeunebenheiten zu stark geglättet werden. Prinzipiell sind daher aus Sicht des LANUV im Einzelfall auch andere Vorgehensweisen denkbar, z. B. bei nur geringfügigen Anteilen mit Steigung minimal über 1:5 die Verwendung des diagnostischen Windfeldmodells. In solchen Fällen soll das Vorgehen im Gutachten dargelegt und begründet werden. Zu beachten ist auf jeden Fall, dass die vom diagnostischen Windfeldmodell TALdia ausgewiesene Restdivergenz < 0,05 sein soll. Liegt bei Geländeberücksichtigung die Restdivergenz des diagnostischen Windfeldmodells bei mehr als 0,05, können die Geländeeinflüsse eindeutig nicht mehr mit dem diagnostischen Windfeldmodell dargestellt werden.

Für NRW sind Geländedaten des DGM in einer Auflösung von 1 m frei verfügbar im Geoportal NRW (https://www.geoportal.nrw/).  

Bei gegliedertem Gelände kann Kaltluft von Bedeutung für die Ausbreitungsrechnung sein. Hinweise zu Kaltluft werden in einem separaten Punkt gegeben.

Stand: 22.05.2024

Alternativ zur Verwendung des seitens des UBA bereitgestellten Programmpakets BESTAL kann die Prüfung auf ausreichende Verdünnung nach Nr. 5.5.2.2 TA Luft auch mittels standardisierter Ausbreitungsrechnung erfolgen. Wie im Merkblatt Schornsteinhöhenbestimmung dargelegt, kann dies eine Option sein, falls im Rahmen einer Einzelfallprüfung bei geringen Emissionsmassenströmen außerhalb des Anwendungsbereichs von BESTAL die Schornsteinhöhe für die ausreichende Verdünnung unter Berücksichtigung der sonstigen Vorgaben des Merkblatts Schornsteinhöhenbestimmung ermittelt werden soll. Auch in Fällen mit vielen Quellen oder wenn für eine Einzelfallentscheidung auch die Lage und Ausdehnung einer möglichen Überschreitung der S-Werte durch bestehende Schornsteine betrachtet werden soll, kann eine Ausbreitungsrechnung nach Nr. 14 Anhang 2 TA Luft hilfreich sein.

Aber der AUSTAL-Version 3.3.0 ist die Möglichkeit einer Ausbreitungsrechnung nach Nr. 14 Anhang 2 TA Luft im Modell implementiert. Das Vorgehen zur Ausbreitungsrechnung ist in der Modelldokumentation beschrieben (Nichtstandard-Option "BESMAX").

Um die Anforderungen an die relative statistische Streuung (Nr. 14f) Anhang 2 TA Luft) zu erfüllen, ist eine ausreichend hohe Qualitätsstufe erforderlich.

Stand: 22.05.2024