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Aktuelle Erkenntnisse zur Feinstaub- und NOx-Problematik - Auswirkungen auf die Planungspraxis
(2011)
Durch die Limitierung verschiedener Luftschadstoffe zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Vegetation rückte in den letzten Jahren die Luftqualität an Straßen vielerorts in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Da Luftverunreinigungen kein nationales Problem darstellen und nicht an Landesgrenzen halt machen, wurden von der EU Luftqualitätsrichtlinien erlassen. Diese enthalten Grenz- und Zielwerte für verschiedene Luftschadstoffe. Nachdem in den vergangenen Jahren insbesondere die Einhaltung der Grenzwerte für Feinstaubpartikel PM10 Probleme bereitete und als verkehrspolitisch weitreichende Maßnahme Umweltzonen eingeführt wurden, werden zukünftig die Stickoxide in Ballungsräumen und in Straßennähe das größere Problem darstellen. Die Umsetzung der neuen Luftqualitätsrichtlinie 2008/50/EG in nationales Recht erfolgte im Jahr 2010 durch die Einführung der 39. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV), die die 22. BImSchV sowie die 33. BImSchV ablöst. Die geltenden Grenz-, Alarm- und Zielwerte, insbesondere PM10-Tages- und NO2-Jahresgrenzwert wurden bei der Überarbeitung bestätigt. Gegenüber den weiteren Regelungen haben sich Neurungen ergeben. Darüber hinaus wurde ebenfalls im Jahr 2010 das neue "Handbuch für Emissionsfaktoren" HBEFa 3.1 veröffentlicht. Dieses dient neben anderen auch dem "Merkblatt über Luftverunreinigungen an Straßen" (MLuS) als Datengrundlage für die Emissionsberechnungen. Eine Überarbeitung des MLuS ist daher notwendig geworden und wird derzeit in einem Projekt der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt. Neben den neuen Emissionsfaktoren werden noch weitere Aktualisierungen vorgenommen.
Die hier vorgestellten Forschungsprojekte hatten die Aufgabenstellung, - sinnvolle Obergrenzen für den biogenen Blend-Anteil im Kraftstoff aus ökonomisch-technischer Sicht aufzuzeigen sowie - technische Anforderungen an Pkw aus Altbestand und Neufahrzeugen für den Betrieb mit solchen Kraftstoff-Blends zu untersuchen, insbesondere in Hinblick auf Aspekte der Dauerhaltbarkeit. Auf Basis einer umfangreichen Literaturrecherche wurden zunächst sinnvolle Beimischungen ermittelt, die in 5 Fahrzeugen (3 Otto-Pkw, 2 Diesel-Pkw) auf einem Abgasrollenprüfstand getestet wurden. Anschließend wurden zwei Fahrzeuge einer Dauerlaufuntersuchung (ca. 80.000 km) unterzogen. Hierbei wurden u. a. Emissionsverhalten, Kraftstoffverbrauch und Motorleistung bewertet und Motorölproben entnommen. Am Ende der Dauerlaufuntersuchungen wurden bei beiden Fahrzeugen Motor und Kraftstoffsystem sorgfältig inspiziert. Aus fahrzeugtechnischer Sicht begrenzen bei Biodiesel vor allem die Ölverdünnung sowie der Anstieg der NOx-Emissionen den maximal möglichen Beimischungsanteil. Bei Bio-Alkohol sind insbesondere die Materialverträglichkeit und der Kraftstoffverbrauch limitierende Faktoren für erhöhte Beimischungen. Obwohl die betrachteten Euro-5-Fahrzeuge nicht für den Betrieb mit erhöhten Beimengungen an Biokraftstoffen ausgelegt waren, wurden die maßgeblichen Grenzwerte für die limitierten Emissionen im Verlauf der Untersuchungen nicht überschritten. Mit Ausnahme von NOx bei den Dieselfahrzeugen wurden darüber hinaus sogar die Euro-6-Grenzwerte unterschritten.
Measuring and characterizing airborne particulate matter (PM) is an important research area because PM can lead to impacts on health and to visibility reduction, material damage and groundwater pollution. In regard to road dust, suspension and re-suspension and the contribution of non-exhaust PM to total traffic emissions are expected to increase as a result of predicted climate scenarios. European environmental regulations have been enforced to reduce exhaust particle emissions from road traffic, but little attention has been paid to reducing non-exhaust coarse particle emissions due to traffic. Therefore, a monitoring program for coarse PM has been initiated in early 2013 to assess the predicted increase in the abundance of non-exhaust particles. Particle sampling was performed with the passive-sampler technique Sigma-2. The subsequent single-particle analysis allows for characterization of individual particles, determination of PM size distribution, and calculation of PM mass concentrations. Two motorways n ear Cologne (Koeln), Germany were selected as sampling sites, and the experimental setup in the field was realized with a so-called twin-site method. The present study reports single-particle analysis data for samples collected between May 31, 2013 and May 30, 2014. Coarse PM, generated through multi-source mechanisms, consists of, e.g., tire-wear, soot aggregates, and mineral dust. The highest mass concentration occurs at both motorways in spring, and the observed PM mainly contains traffic-abrasion particles. The field measurements show that the minimum PM concentration was found in the 5 to 12-°C temperature range, whereas the maximum concentration was observed in both the "5 to 5-°C and the 12 to 24-°C ranges, in agreement with previous laboratory measurements. Correlation between super-coarse (d p 10"80 μm, geometric equivalent diameter) PM concentration and precipitation displays a significant increase in concentration with decreasing number of precipitation events (dry weather periods).
Vorhandene Systeme zum umweltsensitiven Verkehrsmanagement (UVM) in Braunschweig, Erfurt, Potsdam und Wittenberg sowie die Autobahn-Verkehrsbeeinflussungsanlage in der Steiermark wurden für Detailuntersuchungen ausgewählt. Die Untersuchungen zeigen, dass die UVM-Syste-me im Realbetrieb zuverlässig arbeiten, von Behörden, Wirtschaft und Bürgern akzeptiert und zur Minderung der Luftschadstoffbelastung beitragen sowie die umgesetzten Maßnahmen dem Verhältnismäßigkeitsgrundsatz entsprechen. Anhand von Realdaten aus den Untersuchungsgebieten konnten die Maßnahmenwirkungen im Hinblick auf Schwellenwerte und Verkehrsverlagerungen sowie Veränderungen von Verkehrsfluss, Fahrzeiten, Emissionen, Verkehrssicherheit und Immissionen systematisiert und bewertet werden. Weiterhin wurde eine Evaluierung von Vorhersagen und eine Bewertung von Befolgungsraten durchgeführt. Für Hotspots mit einem NO2-Jahresmittelwert nahe am Grenzwert liegen die ermittelten Minderungen bei weichen Maßnahmen, wie Verkehrsverflüssigung und Zuflussdosierung, im einstelligen Prozentbereich. Bezogen auf PM10 liegt die ermittelte Reduzierung im Bereich weniger Überschreitungstage. Höhere Minderungen sind durch Verschärfung der Schwellenwerte oder Einbeziehung härterer Maßnahmen, wie z. B. Verkehrseinschränkungen oder Fahrverbote, erreichbar. Für Hotspots mit einer deutlichen Überschreitung der Grenzwerte sind ohnehin nur härtere UVM-Maßnahmen zielführend. Durch den umweltsensitiven Ansatz können Schwellenwerte und Maßnahmenwirkungen optimiert auf die Zielvorgaben angepasst werden. Die Kosten- und Wirkungsanalysen zeigen, dass die umgesetzten UVM-Maßnahmen entweder ein gesamtwirtschaftlich positives Kosten-Nutzen-Verhältnis oder zumindest deutliche Vorteile zugunsten der gewählten temporären gegenüber einer dauerhaften Aktvierung haben. Für die Behörden wurden Empfehlungen zum Aufbau und Einsatz von UVM-Systemen und -Maßnahmen in Abhängigkeit der örtlichen und immissionsseitigen Randbedingungen gegeben.
Die Belastung der städtischen Atmosphäre mit Partikeln stellt derzeit eines der wichtigsten Probleme der Luftreinhaltung dar. In diesem Projekt wurden verschiedene innerstädtische Oberflächentypen auf ihre Fähigkeit hin untersucht, PM10-Partikel zu binden und somit die lokale Luftqualität zu verbessern. Die Quantifizierung des PM10-Bindungsvermögens erfolgte mittels der Depositionsgeschwindigkeit. Diese wurden über die Antimon-Konzentrationen im PM10 und in der trockenen Deposition bestimmt. Über einen Zeitraum von Ende 2007 bis Mitte 2009 wurden sechs Messstationen in Berlin und Karlsruhe betrieben. Die PM10-Probenahme und die Depositionserfassung erfolgten jeweils in einem 14-tägigen Intervall. Zusätzlich wurde an drei Standorten mit höherwüchsiger Vegetation die Staubauflage auf den Blättern bestimmt. An diesen Standorten erfolgte zudem eine Bestimmung der nassen Deposition. Durch kampagnenhafte Einsätze von Messfahrzeugen konnten über zusätzliche NOx- und PM10-Messungen drei Messstationen als deutlich verkehrsbeeinflusst klassifiziert werden. Die PM10-Konzentrationen und die Depositionsraten wurden an den Standorten mit höherwüchsiger Vegetation deutlich durch deren Belaubung beeinflusst, insbesondere erhöhte sich in einer Straßenschlucht die PM10-Konzentration während der Belaubung signifikant im Vergleich zu einem Referenzstandort. Als Ergebnisse wurden Depositionsgeschwindigkeiten zwischen 0,4 und 0,5 cm/s an den nicht verkehrsexponierten Stationen und zwischen 0,8 bis 1,3 cm/s an den verkehrsexponierten Stationen ermittelt. Für die Blattoberflächen wurden, bezogen auf den gesamten Kronenraum, Depositionsgeschwindigkeiten von zusätzlich 0,5 cm/s bestimmt. Als Folgerung für die Praxis kann abgeleitet werden, dass einerseits Bepflanzungen im straßennahen Raum die höchsten Filterpotenziale besitzen, andererseits muss auf eine ausreichende Durchlüftung geachtet werden.
In der vergangenen Zeit ist das Thema Feinstaub durch die Einrichtung der Umweltzonen in das Blickfeld der Öffentlichkeit getreten. Neben den gesundheitlichen Risiken werden auch die Quellen und mögliche Maßnahmen zur Eindämmung im Rahmen zahlreicher Forschungsprojekte untersucht. Der motorisierte Straßenverkehr stellt eine bedeutende Quelle für Feinstäube dar, weshalb hier im Rahmen des Projekts "Einfluss der Straßenrandbegrünung auf die PM10-Konzentration" Möglichkeiten zur Beeinflussung der Feinstaubkonzentration durch Pflanzen entlang von Fernstraßen bewertet werden sollten. Ziel des Projektes war es zu ermitteln, in wie weit Pflanzen am Straßenrand Feinstäube auf ihren Blattoberflächen abscheiden und so einen Beitrag zur Senkung der Feinstaubbelastung leisten können. Auf der anderen Seite sollten aber auch die Belastungen der Pflanzen untersucht werden, der sie durch die Feinstäube ausgesetzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Pflanzen grundsätzlich in der Lage sind, größere Mengen an Feinstaub auf ihren Blättern abzuscheiden. Darüber hinaus haben die Untersuchungen gezeigt, dass die Blätter durch den Regen zumindest teilweise von ihrer Staubfracht befreit werden können. Durch Messungen an Autobahnen im Raum Wuppertal konnten diese ersten Ergebnisse zum Teil bestätigt werden. Teilweise zeigten sich aber auch lokale Erhöhungen der Feinstaubkonzentration, für die bislang keine eindeutige Begründung gefunden werden konnte. Die Ergebnisse zeigen eine erste Möglichkeit auf, die Feinstaubbelastung mit Hilfe von Pflanzen zu senken. Allerdings sind bis zu einem gezielten, für die PM10-Konzentration relevanten Einsatz von Pflanzen noch umfangreiche Untersuchungen erforderlich, um die hier aufgeworfenen Fragestellungen abschließend klären zu können.
Auf Basis von Immissionsmessdaten an 8 Straßenabschnitten wurde die Wirkung von potenziellen PM10-Minderungsmaßnahmen (Temporeduzierung, Verbesserung des Verkehrsflusses, Verbesserung des Fahrbahnzustandes) beziehungsweise der Einfluss meteorologischer Parameter auf die PM10-Konzentrationen beziehungsweise -Emissionen untersucht. Der Einfluss eines normgerechten Ausbaus einer innerstädtischen Bundesstraße mit Einrichtung einer "Grünen Welle" auf die PMx-Belastungen konnte im Feldversuch an der Bergstraße in Dresden untersucht werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich der Verkehrsfluss nach dem Ausbau in beiden Richtungen deutlich verbessert hat. Stadtauswärts war vor dem Ausbau ein mäßiger Verkehrsfluss (Verkehrssituation nach Handbuch für Emissionsfaktoren = LSA2), stadteinwärts ein schlechter Verkehrsfluss zu verzeichnen gewesen. Nach dem Ausbau funktioniert stadtauswärts die Grüne Welle (HVS2), stadteinwärts gibt es Haltezeiten an den Lichtsignalanlagen, die den Verkehrsfluss im Allgemeinen nur gering beeinträchtigen (HVS2, LSA2). Die mittleren Fahrzeuggeschwindigkeiten lagen im Bereich der Messstelle vor dem Ausbau bei circa 30 km/h und nach dem Ausbau bei über 40 km/h. Es konnte eine PM10-Reduktion durch Verbesserung des Verkehrsflusses (Grüne Welle) trotz höherer Fahrzeuggeschwindigkeiten von circa 3pg/m3 (circa 35 Prozent der PM10-Zusatzbelastung) abgeleitet werden. Umfangreiche Datenauswertungen konnten für die B10 bei Karlsruhe, die Merseburger Straße in Halle und den Jagtvej in Kopenhagen in Verbindung mit jeweils repräsentativen Hintergrundmessstellen durchgeführt werden. Es konnten erwartungsgemäß deutliche Abhängigkeiten der PM10- und PM2.5-Konzentrationen von meteorologischen Parametern beobachtet werden. Dabei gibt es aber auch eine Vielzahl von Korrelationen der meteorologischen Kenngrößen untereinander, sodass aus der tendenziellen Abhängigkeit der Partikelbelastung von einer meteorologischen Kenngröße unmittelbar nicht auf dessen Ursache/Wirkungsbeziehung geschlossen werden kann. Die stärksten meteorologischen Einflüsse auf die PM10-Gesamtbelastungen gehen von den vertikalen Austauschbedingungen, von der Anzahl niederschlagsloser Tage seit dem letzten Niederschlagsereignis und der Windgeschwindigkeit aus. Die stärksten meteorologischen Einflüsse auf die PM10-Zusatzbelastungen gehen von der Windgeschwindigkeit und -richtung sowie von den Temperaturen aus. Bei den PM10-Emissionsfaktoren zeichnet sich zum Beispiel an der Merseburger Straße für die Werktage mit Niederschlag im Mittel ein circa 30 Prozent geringerer Wert ab als an den trockenen Werktagen. Diese Abnahme ist signifikant. Die PM10-Emissionsfaktoren an den ersten drei trockenen Tagen nach einem Niederschlagsereignis sind gleich, zeigen also keine Zunahme mit andauernder Trockenheit. Bei den PM2.5-Emissionen ist dieser Minderungseffekt durch Niederschlag nicht zu verzeichnen. Eine Bindung des Staubes im Straßenraum bei hoher Luftfeuchtigkeit konnte nicht festgestellt werden. Während die PM2.5-Emissionsfaktoren (weitestgehend Motoremissionen) unabhängig von der Jahreszeit sind, nimmt die Emission der Partikelfraktion PM2.5 bis PM10 im Winterhalbjahr deutlich (über 100 Prozent) zu. Ursachen könnten das Einbringen von Streugut und vermehrte Schmutzeinträge auf der Straße sein. Im Winterhalbjahr sind auch die PM10-Emissionsfaktoren, wie erwartet, von den Austauschbedingungen unabhängig und liegen jeweils deutlich (Faktor zwei) höher als im Sommerhalbjahr. Dieser Anstieg der PM10-Emissionen unter winterlichen Bedingungen könnte auch erklären, warum die PM10-Emissionsfaktoren im Unterschied zu PM2.5 bei niedrigen Tagesmitteltemperaturen deutlich höher sind als bei hohen Temperaturen. Der hohe Anstieg der PM10-Konzentrationen während (winterlicher) austauscharmer Inversionswetterlagen könnte somit sowohl von den schlechten Austauschbedingungen als auch von deutlich höheren nicht motorbedingten PM10-Emissionen beeinflusst sein. Derzeit laufen in parallelen Forschungsprojekten weitere Arbeiten, um den Erkenntnisstand bei der PM10-Emissionsmodellierung beziehungsweise bei der Bewertung von Minderungsmaßnahmen zu erhöhen. Es sollte einer separaten Auswertung vorbehalten sein, aus all diesen neuen Forschungsprojekten die Schlussfolgerungen für die zukünftige PM10-Modellierung zu ziehen.
Ziel des Projektes war es, den Behörden und Kommunen Hinweise auf die Wirkung von Verkehrsberuhigungen zu geben. Es wurden an der Merseburger Straße in Halle (4-streifige Hauptverkehrsstraße mit cirka 32.000 Kfz/d, Straßenbahn auf eigenem Gleisbett in Mittellage) mit dem mobilen Messfahrzeug SNIFFER im Zeitraum 21.4. bis 10.5.2008 NOx-, PM 2.5- und PM10-Konzentrationen sowie ein Maß für den durch SNIFFER indizierten nicht motorbedingten PM10-Emissionsfaktor räumlich und zeitlich differenziert erfasst. Weiterhin erfolgten an zwei Tagen ebenfalls mittels eines Messfahrzeuges messtechnische Analysen des Verkehrsflusses. Die an der Merseburger Straße durchgeführten verkehrsberuhigenden Maßnahmen (Tempo 30-Signalisierung, an ausgewählten Tagen zusätzlich Displays zur Anzeige der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie angekündigte beziehungsweise durchgeführte Radarkontrollen) führten zu nachweisbaren Reduktionen der mittleren Reisegeschwindigkeiten bis 8 km/h. Die größten Reduktionen wurden dabei an den Tagen festgestellt, an denen Radarkontrollen durchgeführt wurden oder der Verkehrsteilnehmer (oder Fahrzeugführer) durch ein Hinweisschild "Geschwindigkeitskontrolle" mit diesen rechnen musste. Allerdings hielten auch da nur cirka 15 % der Fahrzeuge das signalisierte Tempolimit von 30 km/h ein. Cirka 12 % bis 19 % der Fahrzeuge waren trotz Hinweisschilds und Geschwindigkeitsdisplays während der Radarkontrollen schneller als 41 km/h. Relevante Veränderungen des Verkehrsflusses (Stand-, Konstantfahrt- und Beschleunigungsanteile) waren durch die Maßnahmen nicht zu verzeichnen. Auf den Straßenabschnitten der Merseburger Straße, auf denen der Verkehrsfluss gleichmäßig war, konnte eine signifikante positive Korrelation zwischen dem Maß für die nicht motorbedingten SNIFFER-PM10-Emissionsfaktoren und der Fahrzeuggeschwindigkeit festgestellt werden. Daraus lässt sich eine Minderung von 20 % für die Werktage mit wirksamen verkehrsberuhigenden Maßnahmen ableiten. Falls es gelingen würde, dass alle Fahrzeuge das Tempolimit von 30 km/h bei gleichem Verkehrsfluss einhalten würden, dann ergäbe sich aus den abgeleiteten Korrelationsfunktionen ein maximales Minderungspotenzial von 40 % bis 50 %. An Straßenabschnitten, an denen der Verkehrsfluss ungleichförmiger war, konnte keine solche Korrelation gefunden werden. Hier spielen wahrscheinlich andere Einflüsse (zum Beispiel das Beschleunigungsverhalten der Fahrzeuge) eine stärkere Rolle. Die untersuchten Maßnahmen an der Merseburger Straße in Halle hatten somit einen, wenn auch geringen, positiven Effekt auf die PM10-Belastung an der Messstelle HEVC. Die nach HBEFa klassifizierte Verkehrssituation hatte im Messzeitraum keinen signifikanten Einfluss auf die SNIFFER-PM10-Emissionsfaktoren. Der im derzeitigen PM10-Emissionsmodell angesetzte starke Anstieg der nicht motorbedingten PM10-Emissionsfaktoren für Straßen mit schlechtem Verkehrsfluss, welcher sich aus einer Vielzahl von ausgewerteten Immissionsmessungen ableitete, spiegelte sich nicht wider. Signifikant niedrigere Werte des mit SNIFFER ermittelten Maßes für die nicht motorbedingten PM10-Emissionsfaktoren wurden trotz des dort vorliegenden schlechten Fahrbahnzustandes nur in der Turmstraße festgestellt. Optisch wesentlichster Unterschied zu den anderen Straßenabschnitten war dort neben dem sehr schlechten Straßenzustand eine sehr glatte Oberfläche der großen Asphaltflickstellen relativ zu den anderen Straßenoberflächen und die nur einseitig dichte Straßenrandbebauung in Nord-Süd-Ausrichtung. Die anderen Straßenabschnitte sind entweder beidseitig bebaut oder ost-west orientiert. Im Messzeitraum führten die gepflasterten Fahrbahnoberflächen nicht zu einem deutlich höheren SNIFFER-PM10-Emissionsfaktor. Allerdings musste SNIFFER auf diesen auch deutlich langsamer als auf den anderen Straßenabschnitten fahren.
Die Abgas-Gesetzgebung für Kraftfahrzeuge wurde in den letzten 25 Jahren stetig verschärft. Das Durchschnittsalter der PKW steigt kontinuierlich. Im Jahr 2000 lag dies bei 6,9 Jahren, im Jahr 2011 bei 8,3 Jahren und 2016 bei 9,2 Jahren. Dieser Trend hat auch zu einem Bestandsanstieg bei Fahrzeugen älter 30 Jahren geführt. Es stellt sich daher die Frage, welche Größenordnung diese Fahrzeuge > 30 Jahren bei der Betrachtung der Gesamtemissionen des Straßenverkehrs in der Bundesrepublik in Zukunft einnehmen werden. Aufbauend auf zwei möglichen Szenarien zum zukünftigen Fahrzeugbestand älter 30 Jahren sowie entsprechend abgeleiteten Fahrleistungen wurde der Emissionsbeitrag dieser Fahrzeuge bis zum Jahr 2030 hochgerechnet und modelliert. Zusätzlich wurden Werte für ein größeres Zusammenkommen solcher Fahrzeuge abgeleitet (Oldtimertreffen). Im Rahmen des Vorhabens wurden die limitierten Abgaskomponenten NOX (Stickoxide), HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und PM (Partikelmasse) betrachtet. Als Ausgangspunkt (2016) wurden 712.000 relevante Fahrzeuge mit einer jährlichen Fahrleistung von 1370 km für die Szenarien angesetzt. Im Ergebnis lässt sich festhalten, dass der Emissionsbeitrag der Fahrzeuge älter 30 Jahren in der Gesamtheit, auch für die späteren Bezugsjahre mit entsprechend höherem Fahrzeugbestand, in Summe pro Abgaskomponente jeweils nur einen einstelligen prozentualen Anteil ausmacht. Bei isolierter Betrachtung der Außerorts-Anteile steigen die Werte jedoch durchaus auch an. Am Tag des modellierten Treffens tragen die Oldtimer zwar maßgeblich zu den Emissionen bei, bezogen auf die durchschnittlichen jährlichen Tageswerte der Emissionskomponenten ergeben sich jedoch auch hier lediglich Veränderungen im unteren einstelligen Prozentbereich.
Im Hinblick auf die prozessbezogenen Beiträge nicht-motorischer Partikelemissionen durch Abriebs- und Aufwirbelung existieren derzeit lediglich Studien, die an stark belasteten Innerortsstraßen oder in Tunneln durchgeführt wurden. Für die Emissionen von Autobahnen konnten die so gewonnenen Ergebnisse daher nicht ohne Weiteres als repräsentativ für die wesentlich häufiger anzutreffende Situation frei angeströmter Autobahnabschnitte betrachtet werden. Um diese Wissenslücke zu schließen, wurden im vorliegenden Projekt an der Autobahn A61 für mehr als 1 Jahr Luv-Lee Messungen durchgeführt. Mittels der NOx-Tracer-Methode wurden die in Tabelle 16 des Berichtes wiedergegebenen partikelmassen-bezogenen Emissionsfaktoren (EFs) ermittelt. Die EFs für PM10 sind mit Ergebnissen anderer Studien aus Deutschland beziehungsweise der Schweiz gut vergleichbar, während sich für die PM1-10-Fraktion geringere EFs ergaben, als aktuell angenommen. Mittels der Positiv-Matrix-Faktorisierung konnten neben den motorischen Emissionen vier nicht-motorische Quellfaktoren identifiziert und quantifiziert werden. Dabei zeigte sich neben einem deutlichen Einfluss durch Tausalzausbringung insbesondere die Relevanz von Bremsabrieb Diese Ergebnisse bestätigen somit auch für freiliegende Autobahnabschnitte die Signifikanz der nicht-motorischen Partikelemissionen für die PM10-Emissionen.
Auf der zweitägigen Fachtagung "Luftqualität an Straßen" wurden aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Luftreinhaltung und besonders der verkehrsbedingten Luftschadstoffe präsentiert. Der Tagungsband gibt die 17 Fachvorträge und die Übersicht der tagungsbegleitenden Posterausstellung wieder.
Im Rahmen des zweitägigen Kolloquiums "Luftqualität an Straßen 2013" wurden aktuelle Forschungsaktivitäten und Maßnahmen auf dem Gebiet der Luftreinhaltung im Einflussbereich von Straßenbau und Straßenverkehr vorgestellt. Der Tagungsband gibt 14 Fachvorträge und die 4 Beiträge der Posterausstellung wieder.
Luftqualität an BAB 2007
(2008)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2007 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an der BAB A4 und der BAB A61 durchgeführt. Der Messquerschnitt an der A61 weist dabei im Vergleich zu dem Standort an der A4 einen gut doppelt so hohen Schwerverkehrsanteil auf. Die Messwerte dienten auch weiteren AP- und FE-Projekten als Datengrundlage. Die aufgenommenen Schadstoffdaten der verkehrsbedingten Immissionsbelastung durch Stickoxide, Ozon und Partikel wurden im Hinblick auf die stark abgesenkten Grenzwerte der novellierten 22. und der neuen 33. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) für das Kalenderjahr 2007 ausgewertet. Betrachtet man den Verlauf der NO- und NO2-Immissionen der vergangenen 20 Jahre an dem BASt-Messquerschnitt an der A4, zeigt sich für die NO-Komponente auch im Jahr 2007 weiterhin eine stetige Abnahme. Die NO2-Konzentration dagegen nimmt am Mittelstreifen nach einem Abfall in den vergangenen drei Jahren wieder zu, stagniert jedoch an den anderen Messstellen. An den beiden Messquerschnitten der BASt konnte der NO2-Jahresmittelgrenzwert gemäß 22. BImSchV von 40 μg/m-³ an keiner Messstelle eingehalten werden. Auch wenn die Toleranzmarge von 6 μg/m-³ für das Kalenderjahr 2007 mitberücksichtigt wird, konnte diese Anforderung nicht erfüllt werden. Der maximale Stundenmittelwert lag an beiden Messquerschnitten über dem Grenzwert von 200 μg/m-³ (ab 2010) bzw. 230 μg/m-³ (mit Toleranzmarge für das Jahr 2007); lediglich der maximale Stundenmittelwert an der Messstelle in Fahrtrichtung Koblenz (A61) lag unter dem Grenzwert plus Toleranzmarge für 2007. Die Anzahl der Überschreitungen lag an drei Messstellen unter der maximal zulässigen Zahl von 18 pro Kalenderjahr. An der A4 in Fahrtrichtung Olpe konnte auch diese Anforderung nicht erfüllt werden. In Bezug auf die Partikelbelastung wurde im Kalenderjahr 2007 an der A4 der PM10-Jahresmittelgrenzwert der 22. BImSchV von 40 μg/m-³ eingehalten. Der Tagesmittelgrenzwert von 50 μg/m-³ wurde an der A4 in beide Richtungen 8 Mal und an der A61 10 bzw. 1 Mal überschritten mit Maximalwerten von 88,5 μg/m-³ (A4) bzw. 91,8 μg/m-³ (A61). Der Originalbericht enthält als Anhänge die Stundenmittelwerte NO2 für das gesamte Kalenderjahr 2007 an der BAB A4, der BAB A61 und seit Juni 2007 an der BAB A555. Die Anhänge befinden sich auf der dem vorliegenden Heft beigefügten CD. Verweise auf die Anhänge im Berichtstext wurden zur Information des Lesers beibehalten.
Luftqualität an BAB 2008
(2008)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2008 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Der Messquerschnitt an der A 61 weist dabei im Vergleich zu dem Standort an der A 4 einen gut doppelt so hohen Schwerverkehrsanteil auf. Den geringsten Schwerverkehrsanteil weist die A 555 auf. Die Messwerte dienten auch weiteren AP- und FE-Projekten als Datengrundlage. In Bezug auf die Qualitätsziele der Datenerfassung konnten die Anforderungen der 22. Verordnung zur Durchführung des Bundes- Immissionsschutzgesetzes an einigen Messstellen nicht eingehalten werden. Dabei ist anzumerken, dass die Messstelle am Mittelstreifen der Bundesautobahn A61 am 03. April 2008 stillgelegt wurde, da eine sichere Wartung der Ansaugstellen nicht mehr gewährleistet werden konnte. Aufgrund dieser Stilllegung basieren die angegeben Daten nur auf etwa 25% des Gesamtjahresdatensatzes. Die Messungen im Kalenderjahr 2008 zeigten an den Querschnitten der Bundesanstalt für Straßenwesen deutliche Überschreitungen der NO2-Jahresmittelgrenzwerte (2008) an allen drei Standorten. Darüber hinaus wurde an den Bundesautobahnen A4 und A555 auch die maximal zulässige Überschreitungshäufigkeit des NO2-Stundemittelgrenzwertes (2010) nicht eingehalten. Bei den Feinstaubkonzentrationen traten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes auf, jedoch lagen diese unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 pro Kalenderjahr. Der Großteil dieser Überschreitungen konnte mit einer lang andauernden Inversionswetterlage im Februar 2008 sowie einem Saharastaubereignis im Mai 2008 in Verbindung gebracht werden. Diese führten deutschland- bzw. europaweit dazu, dass an zahlreichen, auch normalerweise weniger belasteten Messstandorten der Grenzwert nicht eingehalten werden konnte.rnIn Bezug auf die Schwellenwerte für Ozon O3 wurden weder Informations- noch Alarmschwelle überschritten. Lediglich der ab dem Jahr 2008 geltende Zielwert wurde an allen O3-Messstellen überschritten. Bei der Bewertung dieser Ergebnisse muss jedoch beachtet werden, dass die Mindestdatenerfassung von 90% an keiner O3-Station eingehalten werden konnte. Bezüglich der langjährigen Entwicklung ist festzustellen, dass insbesondere an der A4 auch im Jahr 2008 der zunehmende Trend in der NO2-Konzentration beobachtet werden kann, der schon seit Mitte der 90er Jahre verzeichnet wird.rn
Luftqualität an BAB 2009
(2010)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2009 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Der Messquerschnitt an der A 61 weist dabei im Vergleich zu dem Standort an der A 4 einen gut doppelt so hohen Schwerverkehrsanteil auf. Den geringsten Schwerverkehrsanteil weist die A 555 auf. Die Messwerte dienten auch weiteren AP- und FE-Projekten als Datengrundlage. Die Anforderungen der 22. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes an die Qualitätsziele der Datenerfassung wurden mit Ausnahme der Messstelle A61 für PMx in Richtung Venlo erreicht. Es ist ferner anzumerken, dass die Messstelle am Mittelstreifen der Bundesautobahn A61 am 03. April 2008 stillgelegt wurde, da eine sichere Wartung der Ansaugstellen nicht mehr gewährleistet werden konnte. Die Messungen im Kalenderjahr 2009 zeigten an den Querschnitten der BAB A4 deutliche Überschreitungen der NO2-Jahresmittelgrenzwerte (2009) an drei Messstellen. Darüber hinaus wurde an der A4 auch die maximal zulässige Überschreitungshäufigkeit des NO2-Stundenmittelgrenzwertes nicht eingehalten. Bei den Feinstaubkonzentrationen traten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes auf, jedoch lagen diese unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 pro Kalenderjahr. In Bezug auf die Schwellenwerte für Ozon O3 wurden weder Informations- noch Alarmschwelle überschritten. Lediglich der ab dem Jahr 2009 geltende langfristige Zielwert wurde an allen O3-Messstellen überschritten (höchster 8h-Mittelwert pro Tag). Bezüglich der langjährigen Entwicklung ist festzustellen, dass insbesondere an der A4 auch im Jahr 2009 der Trend der Zunahme der NO2-Konzentration beobachtet werden, der schon seit Mitte der 90er Jahre verzeichnet wird.rn
Luftqualität an BAB 2010
(2011)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2010 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Der Messquerschnitt an der A 61 weist dabei im Vergleich zu dem Standort an der A 4 einen gut doppelt so hohen Schwerverkehrsanteil auf. Den geringsten Schwerverkehrsanteil weist die A 555 auf. Die Messwerte dienten auch weiteren AP- und FE-Projekten als Datengrundlage. Die aufgenommenen Schadstoffdaten der verkehrsbedingten Immissionsbelastung durch Stickoxide, Ozon und Partikel wurden im Hinblick auf die stark abgesenkten Grenzwerte des 39. Bundes-Immissionsschutzgesetzes ausgewertet. Die Qualitätsziele der Datenerfassung wurden ausnahmslos an allen Messstellen der BASt erreicht. Die Messungen zeigten an den Messquerschnitten der BAB A4 nur am Mittelstreifen deutliche Überschreitungen der NO2-Jahresmittelgrenzwerte an. Darüber hinaus konnte an der A4 ein geringfügiger Rückgang an NO2 an mehreren Messtellen bezüglich des maximal zulässigen NO2-Stundenmittelgrenzwertes verzeichnet werden. An dem Messquerschnitt BAB A61 wurde eine deutliche Überschreitung des NO2-Jahresmittelgrenzwertes an der Messstelle 1V in Richtung Venlo registriert. Ebenfalls erfolgte am Messquerschnitt BAB A555 Messstelle 1WE in Richtung Wesseling eine deutliche Überschreitung des NO2-Jahresmittelgrenzwertes. Insbesondere an der A4 kann auch im Jahr 2010 der Trend der Zunahme der NO2-Konzentration beobachtet werden, der schon seit Mitte der 90er Jahre verzeichnet wird. Bei der Feinstaubkonzentration PM10 traten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes nur an der Messstelle 1V in Richtung Venlo auf, an allen anderen Messstellen lagen diese jedoch unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 Überschreitungen pro Kalenderjahr. In Bezug auf die Schwellenwerte für Ozon O3 wurden weder Informations- noch Alarmschwellen überschritten. Lediglich der ab dem Jahr 2010 geltende langfristige Zielwert (120 μg/m-³ als höchster 8-Stunden-Mittelwert) wurde an allen O3-Messstellen beobachtet. Der höchste max. 8 Stunden Mittelwert im Jahr 2010 wurde am Messquerschnitt A4 Messstelle Labor mit 205 μg/m-³ gemessen.rn
Luftqualität an BAB 2011
(2012)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2011 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Die Messquerschnitte weisen dabei im Vergleich zu dem Bezugsjahr 2010 einen gesteigerten Gesamtverkehr auf. Doch während an der A 4 und der A 61 der Schwerverkehrsanteil nachließ, stieg er an der A 555 um mehr als fünf Prozent. Die Anforderungen der 39. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes an die Qualitätsziele der Datenerfassung wurden an den Messquerschnitten mit Ausnahme von drei Messstellen erreicht. Die Messungen im Kalenderjahr 2011 erbrachten an den Messquerschnitten der BAB A4 an drei Messstellen Überschreitungen des NO2-Jahresmittelgrenzwertes). An der am Messquerschnitt BAB A61 gelegenen Messstelle 1V (Richtung Venlo) konnte eine Überschreitung des NO2-Jahresmittelgrenzwertes festgestellt werden. Allerdings konnte die Messstelle 1KO (Richtung Koblenz) nicht in Betracht gezogen werden, da hier die erforderliche Datenverfügbarkeit von 90% nicht erreicht wurde und ein Teil der Messergebnisse nicht plausibel erschien. Auch an dem Messquerschnitt BAB A555 erfolgte eine Überschreitung des NO2-Jahresmittelgrenzwertes an beiden Messstellen. Bei der langjährigen Entwicklung ausgewählter Schadstoffkomponenten kann insbesondere an der A4 auch im Jahr 2011 der Trend der Zunahme der NO2-Konzentration beobachtet werden, der schon seit Mitte der 90er Jahre verzeichnet wird. Bei der Feinstaubkonzentration PM10 traten an allen drei Messquerschnitten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes auf, jedoch lag die Zahl dieser Überschreitungen an allen Messstellen unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 Überschreitungen pro Kalenderjahr.
Ausgehend von den rechtlichen Grundlagen für die Luftreinhaltung sowie den Grenzwertfestlegungen für Feinstaub (PM10) sowie Stickoxide (NO2) wird auf die heutige Luftqualität in Städten mit Schwerpunkt Stuttgart eingegangen. Dargelegt werden die festgestellten Überschreitungen bei den Grenzwerten für PM10 und NO2. Eingegangen wird auf die Maßnahmen zur Reduzierung der Luftbelastung in Stuttgart und die Wirkungen in Bezug auf die Senkung der Grenzwert-Übersschreitungen beziehungsweise Jahresmittelwerte von PM10 und NO2 an den Hotspot-Stationen "Am Neckartor" und "Hohenheimer Straße". Abschließend wird ein perspektivischer Ausblick gegeben: obwohl die Luftsituation in den Städten kontinuierlich besser geworden ist, gibt es an stark befahrenen städtischen Straßen weiterhin Grenzwertüberschreitungen. Die EU-Vertragsverletzungsverfahren machen weitere Maßnahmen notwendig. Die Städte brauchen praxiserprobte Maßnahmen und keine langfristigen, kostspieligen Pilotversuche mit unsicherem Ausgang.
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2012 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Die Messquerschnitte weisen dabei im Vergleich zu dem Bezugsjahr 2011 einen geringfügigen Rückgang des Gesamtverkehrs auf. Doch während an der A 4 und der A 555 der Schwerverkehrsanteil anstieg, ließ er an der A 61 um mehr als fünf Prozent nach. Die Anforderungen der 39. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes an die Qualitätsziele der Datenerfassung wurden an den Messquerschnitten mit Ausnahme von drei Messstellen erreicht. An allen Messstellen (außer 1KO an der A61) wurden deutliche Überschreitungen des NO2-Jahresmittelgrenzwertes (2012) registriert, im Vergleich zum Vorjahr sind die Werte leicht rueckläufig. Bei den Feinstaubkonzentrationen (PM10 und PM2,5) traten an allen drei Messquerschnitten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes auf, jedoch lag die Zahl dieser Überschreitungen an allen Messstellen unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 Überschreitungen pro Kalenderjahr. Der maximal zulässige Jahresmittelgrenzwert für Feinstaub wurde an allen Messstellen eingehalten. An allen drei Messquerschnitten wurde auch die Ozonbelastung gemessen. Die Alarmschwellen für Ozon wurden an keiner Messstelle überschritten.
Es wurde nach aktueller Literatur zum Thema recherchiert und diese beschafft. Insbesondere wurden die für die Aufgabenstellung relevanten Dokumente der Arbeitsgruppe "Particle Measurement Programme" (PMP) ausgewertet. Das Suchergebnis bestand aus ca. 200 Literaturhinweisen. Davon wurden anhand der Titel und der Kurzfassungen die im Literaturnachweis des Hauptberichtes aufgeführten Publikationen ausgewählt und ausgewertet. Die wesentlichen Ergebnisse in komprimierter Form können wie folgt dargestellt werden: Neben den Auspuffemissionen nehmen beim Verkehr die Partikelemissionen infolge der Abriebe sowie der fahrzeuginduzierten Aufwirbelung, also die Nicht-Abgas Partikelemissionen, eine entscheidende Rolle ein. Häufig werden diese auch als Aufwirbelungs- und Abriebemissionen (AWAR) bezeichnet. Die Abriebe können dabei als direkte Emissionen wirken aber auch durch eine Zwischendeposition das Aufwirbelungspotenzial erhöhen. Die ausgewerteten Literaturen zeigen zudem auf, dass sehr komplexe Abhängigkeiten für die Partikelgrößen und die Menge emittierter Partikel infolge der Abriebe beobachtet wurden. Es sind verschiedene Tracersubstanzen für Reifen- und Bremsabrieb bekannt. Kupplungsabrieb scheint keine Relevanz zu haben. Toxikologische Untersuchungen weisen auf gesundheitliche Wirkungen der Abriebe hin, ohne dass es nach Ansicht der Autoren derzeit einen direkten (kausalen) Nachweis gibt. Es werden Reifenabrieben geringere nachteiligere Gesundheitseffekte zugesprochen als anderen Partikelanteilen (vor allem durch Dieselpartikel). Es wurde u.a. eine qualitative tabellarische Übersicht über die verfügbaren Messmethoden zur AWAR Messung erstellt. In dieser Tabelle wurden für die Bewertung jeweils die bestmöglichen Anwendungen zu Grunde gelegt. Zusammenstellungen von Partikelmessungen mit entsprechender Quellenangabe werden ebenso gegeben wie Bandbreiten von Partikelemissionsfaktoren.
Der Reifenabrieb ist eine der mengenmäßig größten Quellen für Staubemissionen des Straßenverkehrs. Das betrifft vor allem sedimentierbaren Staub, aber auch Feinstaub, diesen in sehr viel geringeren Mengen. Menge, Qualität und Herkunft der Stoffeinträge in den Straßenseitenraum sollten genauer bestimmt werden, um Ansätze für Minderungsmaßnahmen zu zeigen. Für die entstehende Menge an Reifenabrieb lagen verschiedene Schätzungen vor, über die Schadstoffgehalte gab es bisher nur wenige Informationen, insbesondere zu anderen Metallen als Zink. Es wurden aufgrund von Markenverteilung, Größen, Einsatzbereich und Zustand 65 Pkw-Reifen der Jahre 1980 bis 2003 ausgewählt. Die Gewinnung der Reifenproben erfolgte mit einer Reifenschälmaschine. In Anlehnung an eine Methode zum Aufschluss von Bitumen wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine stark oxidierende rückstandsfreie Aufschlussmethode entwickelt. Die Elemente Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V und Zn wurden aus der Aufschlusslösung mittels Optischer ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-ÖS) quantitativ bestimmt, Cd mit Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Die Massenanteile der Hauptkomponenten der Proben wurden mit einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach DIN 51006 bestimmt. Die Auswertung ergibt, dass wie vermutet Zink in teilweise sehr hohen Konzentrationen eingesetzt wird, aber auch, dass Cadmium und Blei im Vergleich zum verbreiteten Elementverhältnis Cd/Zn und Pb/Zn in Reifenmaterial mit geringeren Anteilen vorkommen. Dementsprechend sind die hier erstmals ermittelten emittierten Cadmiumfrachten aus Reifenabrieb geringer als zu erwarten war. Kupfer- und Bleiemissionen aus Reifenmaterial wurden nach Literatur- und Herstellerangaben als problematisch eingeschätzt. Dies kann anhand der vorliegenden Messungen und Abschätzung der emittierten Mengen nicht bestätigt werden. Ebenso wurden keine bedenklichen Emissionen der anderen untersuchten Elemente gefunden. Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen von Zink und Cadmium in den Reifenlaufflächen bildet mit einer seit den 1980er Jahren leicht sinkenden Tendenz die Bemühungen um geringere Zinkemissionen ab. Im Zeitverlauf sinkende Rußanteile und steigende Glührückstände zeichnen den zunehmenden Einsatz neuer Füllermaterialien wie Silica nach. Auf Basis der Gesamtabriebmenge von 111.420 Tonnen pro Jahr in Deutschland kann die Freisetzung von circa 1.530 Tonnen leichtflüchtiger Substanzen und 22.000 Tonnen flüchtiger Substanzen pro Jahr abgeschätzt werden. Den größten Massenanteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43.000 Tonnen und Ruß mit etwa 38.000 Tonnen aus. Die emittierte Metallmenge von 1.375 Tonnen pro Jahr besteht hauptsächlich aus Zink. Die hier abgeschätzte Zinkemission von 1.205 Tonnen pro Jahr und Cadmiumemission von 180 kg pro Jahr aus sedimentierbaren Stäuben basiert auf der ermittelten Reifenabriebmasse von 111.420 Tonnen pro Jahr. Diese Masse beinhaltet Lkw- und Pkw-Abrieb, dieser beträgt jedoch nur etwa die Hälfte. Die wenigen Angaben zur Zusammensetzung des Reifenabriebs von Lkw-Reifen lassen um 60 - 80 Prozent höhere Konzentrationen an Blei und Zink erwarten, sodass die Abschätzung an der Untergrenze der tatsächlichen Emissionen liegt. Die Rolle der Ruß- und Gummibestandteile der Abriebe als organischer Bestandteil der Straßenrandböden sollte näher untersucht werden. Es sollte vor dem Hintergrund der EU-Wasserrahmenrichtlinie geklärt werden, ob Bankette und straßennahe Böden sowie die im Straßenbauregelwerk vorgesehenen Entwässerungseinrichtungen auch für bisher wenig untersuchte Stoffe eine ausreichende Reinigungsfunktion haben.