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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).
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.