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Although many German monitoring sites report declines of NOx concentrations, NO2-concentrations actually stagnate or even increase quite often. Various analyses have identified the altered compositions of nitrogen oxides (NO2/NOx-ratio) emitted by motor vehicles (resulting in an increase of primary NO2-emissions) as well as the chemical environmental conditions (mainly ground level ozone) as the main causes. The chemical conversion of NO to NO2 is often parameterized in dispersion calculations of exhaust emissions. A widely applied conversion model is the so-called Romberg approach from 1996. However, the Romberg approach has to be re-evaluated to accommodate the above-mentioned conditions. This article presents an adjustment to the Romberg approach in accordance with the measured data from 2000 to 2006, taking into consideration substantially higher NO2/NOx-ratios especially for higher NOx-concentrations. Model calculations with OSPM (Operational Street Pollution Model) including its internal chemistry module are able to reproduce very well the trends in the measured annual NO2-concentrations over a 10 year period. The relevant parameters for variations between the years are the NOx-emissions, primary NO2-emissions, ozone concentrations, wind conditions, and background concentrations. A simplified chemistry model based on annual mean NOx- and NO2-concentrations, and background ozone concentrations, as well as primary NO2-emissions is presented as a better method than the updated Romberg approach. This model simulates the annual mean NO2-concentrations much more accurately than the conventional and the updated Romberg approaches.
Anwendungsmöglichkeiten und erste Ergebnisse aus Pilotstudien zur Photokatalyse an Straßenbauwerken
(2015)
Zur Frage, ob photokatalytisch aktive Oberflächen im Straßenbau eine Lösung des Stickoxidproblems darstellen können, stellt der Beitrag erste Ergebnisse aus Pilotstudien zu TiO2-Anwendungen vor. Diese betreffen die Untersuchung einer Lärmschutzwand mit TiO2-Beschichtung (A1, Niedersachsen), eine photokatalytisch aktive Straßenoberfläche (NOxer(R)-Belag, B433 in Hamburg, Decke mit Ti02-haltiger Zementschlämme, derzeit noch in Auswertung) sowie einen Tunnel (Tunnelkassetten mit TiO2-Matten im Tunnel Rudower Höhe in Berlin, A113, fortgeführt in Bezug auf die Untersuchung der Haltbarkeit der Kassettensysteme). Ausführlich dargestellt werden die Untersuchungen zur Beschichtung der Lärmschutzwand an der Al mit Titandioxid-haltiger Suspension, den zugehörigen forschungsbegleitenden Studien, sowie den Ergebnissen in Bezug auf die NO2-Minderungsrate. Die bisher durchgeführten Auswertungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Die Entwicklung der Minderungsraten lässt vermuten, dass photokatalytische Suspensionen zum Teil mehrere Monate benötigen, um sich frei zu brennen und die aktiven TiO2-Partikel an die Oberfläche treten zu lassen. Schon die Lärmschutzwand allein bewirkt eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentrationen im direkten Hinterland durch Verfrachtung der Luftschadstoffe in höhere Luftschichten.
Für schwere Nutzfahrzeuge der Abgasstufe Euro 3 mit einem zulässigen Gesamtgewicht über 12 t liegen zur Zeit nur wenige belastbare Emissionsfaktoren (E-Faktoren) vor. Bislang sind nur vereinzelt entsprechende Motoren auf Prüfständen vermessen worden. Über das Emissionsverhalten solcher Antriebe im realen Fahrbetrieb liegen so gut wie keine Erkenntnisse vor. Ziele des Vorhabens waren: 1.) die Aufstockung der Emissionsfaktoren Datenbasis durch Vermessung von Fahrzeugen im Straßenbetrieb, 2.) der Vergleich von Realmessungen mit Werten aus dem Emissionsfaktoren-Handbuch und 3.) die Validierung moderner on-board-Messverfahren. Für die Messungen wurden drei schwere Sattelzugmaschinen mit Auflieger sowie ein Fahrzeug aus dem Verteilerverkehr ausgewählt. Es wurden Messfahrten mit voller und halber Beladung durchgeführt. Die verwendete on-board-Messtechnik erfasste hierbei zeitaufgelöst die gasförmigen Emissionen sowie den Abgasmassenstrom. Zusätzlich wurden Leistungs- und Geschwindigkeitsdaten erfasst. Für die Auswertung der Daten mussten die Fahrmuster, wie sie im Emissionsfaktoren-Handbuch beschrieben sind, aus den Fahrprofilen der Messfahrten isoliert werden. Für geeignete Fahrmuster wurden Emissionsfaktoren in g/km ermittelt und denen des Emissionsfaktoren-Handbuches gegenübergestellt. Zur Bewertung der benutzten on-board-Messtechnik wurden auf dem Motorprüfstand Vergleichsmessungen in den europäischen stationären und dynamischen Typprüfzyklen ESC und ETC durchgeführt. Bei diesen Vergleichen zeigte sich die Analysetechnik sehr gut geeignet für mobile Messungen. Abweichungen zu den Laborergebnissen traten im Wesentlichen durch Unterschiede in der Abgasmassenstrommessung auf. Der Vergleich der Handbuch-Emissionsfaktoren mit den in diesem Vorhaben gewonnenen Ergebnissen auf der Basis von Durchschnittsgeschwindigkeit und mittlerer positiver Leistung ergab bei den Sattelzügen keine gravierenden Unterschiede bei HC, NOx und CO2 für den Mittelwert über alle 3 Fahrzeuge. Bei CO wies ein Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten deutlich höhere Emissionen und größere Varianzen auf, so dass dort die Kurve der Mittelwerte deutlich über der Trendkurve des Handbuchs liegt. Für eine leistungsspezifische Darstellung der Messwerte wurden in unterschiedlichen Leistungs- und Drehzahlfenstern quasistationäre Betriebsbedingungen gesucht und die Ergebnisse als gemittelte Emissionswerte dargestellt. Für ein Fahrzeug wurden exemplarisch die Prüfpunkte des ESC in diese Darstellung eingefügt. Bei Betrachtung der Betriebsweise auf der Straße und Vergleich mit der Wichtung der jeweiligen ESC-Prüfpunkte ist erkennbar, dass für dieses Fahrzeug die Wichtung des ESC nur sehr bedingt die Betriebsweise auf der Straße widerspiegelt. Abschließend kann festgestellt werden, dass, von Entwicklungsbedarf bei der Abgasmassen-strommessung abgesehen, Messtechnik zur Verfügung steht, um Realemissionen von Fahrzeugen im Straßenbetrieb für die Komponenten CO, HC, NOx und CO2 zu ermitteln. Die ermittelten Emissionsfaktoren sind geeignet, die Daten des Emissionsfaktoren-Handbuches zu validieren. Eine Erweiterung des Handbuches mit den ermittelten Ergebnissen ist aufgrund der sehr unterschiedlichen Datenstruktur nicht möglich. Dies ist aber auch nicht notwendig, da zwischen den Ergebnissen des Handbuches und den Ergebnissen der mobilen Straßenmessung eine gute Übereinstimmung besteht. Der Originalbericht enthält als Anhänge grafische Darstellungen der Geschwindigkeitsprofile der untersuchten Fahrten getrennt nach Automatik und Handschaltung bei unterschiedlichen Nutzlasten (Anhang A) sowie der Emissionsfaktoren der Fahrtabschnitte im Vergleich zum Handbuch (Anhang B). Auf die Wiedergabe dieser Anhänge wurde in der vorliegenden Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge wurden zur Information des Lesers im Berichtstext beibehalten.
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.
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.
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.