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Estimation of the effects of new emission standards on motorcycle emissions by means of modeling
(2016)
Road traffic is, in addition to the energy sector and the industry, one main source of air pollution and carbon dioxide emissions. Although most countries and manufacturers agreed to environmental regulations to reduce the pollutant emissions, particularly in urban areas with high traffic density, the impact of road traffic emissions on the environment and human health has been growing in importance steadily. Due to stricter emission standards and the binding use of emission-reducing systems (e.g. three-way catalyst) hydrocarbon emissions from passenger cars have been reduced significantly since the last two decades. Unlike to passenger cars the emissions standards of powered two-wheelers have not been adjusted since 2006 although their share of hydrocarbon emissions to the total amount of hydrocarbon emissions of road traffic is estimated to be disproportionately high. Due to the new regulation (EU) No. 168/2013 powered two-wheelers have to fulfill new emission standards from 2016 (Euro 4) and 2020 (Euro 5) onwards. Besides new limits for the tailpipe emissions the evaporative emissions are regulated separately for the first time, as they make up a high proportion to the total hydrocarbon emissions in this vehicle class. In this context, the calculation and forecast of road traffic emissions is an important tool to verify compliance of climate targets and to assess the reduction potential of emission-reducing systems. For that purpose the Federal Highway Research Institute (BASt) uses the emission- and calculation tool TREMOD (Transport Emission Model) which provides baseline data and calculated results for pollutants in almost every differentiation e.g. vehicle category, traffic situation and road type. Moreover, estimations of future emission trends, stock information and mileage distribution can be made. The main objective is to illustrate the impact of the upcoming emission standards Euro 4 and Euro 5 on the operational hydrocarbon emissions of powered two-wheelers based on statistical estimations. The significant aspect is to generate scenarios to show the reduction potential of hydrocarbon emissions of powered two-wheelers, differentiated into motorcycles and small motorcycles, in relation to the total share of hydrocarbon emissions in this vehicle class and to the total hydrocarbon emissions from road traffic. As a part of their research, the authors can make initial statements about the possible effect of the new emission standards of regulation (EU) No. 168/2013 by means of modeling with TREMOD.
Das Forschungsvorhaben prüft die Straßenverkehrs-Emissionsmodelle COPERT und TREMOD hinsichtlich ihrer Eignung für die Verwendung bzw. Verwendbarkeit für verschiedene Aspekte der Emissionsberechnung. Verschiedene Querbeziehungen bestehen zwischen den beiden Ansätzen beider Modelle. So nutzen beide die im Rahmen von HBEFA bzw. ERMES entwickelten Grundlagen für die Bestimmung der betriebswarmen Emissionen. TREMOD verwendet denselben Verkehrssituationen-basierten Ansatz wie HBEFA, während COPERT Funktionen zur Berechnung der Emissionsfaktoren aus der Durchschnittsgeschwindigkeit aus den HBEFA-Grundlagendaten herleitet. Bei den Verdampfungsemissionen kommt bei beiden Modellen der für COPERT entwickelte Ansatz zum Einsatz, während für die Ermittlung der Kaltstartzuschläge beide Modelle eigene Vorgehensweisen implementiert haben. Für die Berücksichtigung der Entwicklung der Kraftstoffverbrauchswerte unterscheiden sich die Methoden ebenfalls. Zwischen beiden Modellen bestehen signifikante Unterschiede, sowohl betreffend Eingangsdaten wie auch Emissionsresultaten. Bei Verwendung der originalen Aktivitätsdaten bewegen sich die Abweichungen des gesamten Verbrauchs pro Jahr bei +/-5% und die Abweichungen der gesamten Emissionen pro Schadstoff und Jahr bei -1% bis 45% (bei positiver Abweichung liegt COPERT höher). Bei Verwendung der gleichen Aktivitätsdaten liegen die Abweichungen des Verbrauchs pro Jahr bei -2% bis +14% und die Abweichungen der Emissionen bei -4% bis 25%. Die größten Unterscheide bestehen bei den Kaltstart- und Verdampfungsemissionsfaktoren. Im Eignungsvergleich werden in vielen Punkten beide Modelle als ähnlich gut geeignet beurteilt. Insgesamt wird TREMOD bei einer Mehrheit der Indikatoren in der Kriteriengruppe "Nutzen" als geeigneter beurteilt. Bei den "Kosten" und "weiteren Kriterien" erhält COPERT in einer Mehrheit der Indikatoren die bessere Beurteilung. Die Wahl des geeigneten Modells ist jedoch u.a. von der Fragestellung und dem Anwendungsfall abhängig.
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.
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.
Da es derzeit weitgehend offen ist, wie die Leistungen des Straßenbetriebsdienstes durch den Klimawandel beeinflusst werden, ist es Ziel des Forschungsprojektes, die Wechselwirkungen zwischen Klimawandel und Straßenbetriebsdienst abzuschätzen. Der Schwerpunkt hierbei liegt auf der Ermittlung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Straßenbetriebsdienst, wofür in einem ersten Schritt der generelle Einfluss der Witterung auf die Leistungen des Straßenbetriebsdienstes analysiert wird, da eine Vielzahl der Leistungen im Straßenbetriebsdienst durch die Witterung beeinflusst wird. Aufbauend auf umfangreichen Klimaprojektionen werden dann die Änderungen infolge des Klimawandels ermittelt. Ergänzend erfolgt eine Abschätzung, inwieweit durch die Optimierung des Straßenbetriebsdienstes die Emission der Treibhausgase reduziert werden kann. Bis 2030 zeigt die Klimaprojektion nur geringe Änderungen der Lufttemperatur. Erst in den weiteren Perioden ist mit einem deutlichen Anstieg zu rechnen. Die Niederschläge werden im Winter zu- und im Sommer abnehmen. Regionale Unterschiede dieser Entwicklungen sind nur schwach ausgeprägt. Für den Winterdienst führen die stagnierenden Temperaturen bei gleichzeitigem Anstieg der Niederschläge bis 2030 zu einer Zunahme bei Einsatzstunden und Salzverbrauch um etwa 10 %. Danach ist mit einer deutlichen Reduktion der Einsatzstunden sowie der erforderlichen Salzmengen um durchschnittlich 16 % bis 2050 und um 40 % bis 2080 gegenüber 1991 bis 2010 zu rechnen. Die Aufwendungen infolge von Frostschäden an Fahrbahnen werden sich bis 2030 kaum verändern. Erst danach wird es zu einem signifikanten Rückgang der Frostschäden kommen. Bei der Grasmahd wird sich bis 2030 der Aufwand für die Grasmahd ebenfalls nicht signifikant ändern, erst in den darauffolgenden Perioden ist mit einer Zunahme zu rechnen. Die Schadstoffemissionen, die durch den Straßenbetriebsdienst hervorgerufen werden, haben einen Anteil von unter 2 ‰ an den gesamten Emissionen des Kfz-Verkehrs. Maßnahmen, die zu einer Reduktion des Schadstoffausstoßes beitragen, sind jedoch trotz des geringen Anteils vielfach zu empfehlen, da mit ihnen noch weitere Vorteile verbunden sind.
Das Emissionsberechnungsmodell TREMOD (Transport Emission Model) bildet den motorisierten Straßen-, Schienen-, Schiffs- und Flugverkehr in Deutschland hinsichtlich seiner Verkehrs- und Fahrleistungen, dem Energieverbrauch und den zugehörigen Luftschadstoffemissionen für den Zeitraum 1960 bis 2030 ab. TREMOD ist eng verknüpft mit dem als PC-Datenbank realisierten "Handbuch Emissionsfaktoren für den Straßenverkehr", das europaweit abgestimmte repräsentative Emissionsdaten für den Straßenverkehr bereitstellt. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden aus heutiger Sicht relevante alternative Antriebe und Energieträger für den Straßenverkehr in das Emissionsrechenmodell "TREMOD" implementiert. Dies soll es ermöglichen, Szenarien bis 2050 zu rechnen, um die Auswirkung der Einführung neuer Fahrzeugkonzepte auf den Energieverbrauch, die Klimagasemissionen und relevante Luftschadstoffemissionen abschätzen zu können. Im vorliegenden Bericht werden die Eigenschaften der ausgewählten neuen Kraftstoffe und Antriebe, die verwendeten Kennzahlen sowie die Implementierung in das TREMOD-Modell ausführlich beschrieben. Schließlich wird beispielhaft ein Trendszenario unter Berücksichtigung von neuen Antrieben und Energieträgern bis 2050 entworfen und mit TREMOD berechnet.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2), die O3-Belastung sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 1994 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 23 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von über 40 Prozent und der NO2-Belastung (abhängig vom Abstand zur Fahrbahn) von 30 bis 60 Prozent ermittelt. Die am BAB-Querschnitt registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw, denn auf dem Nutzfahrzeugsektor ist aufgrund der erst im Anfangsstadium befindlichen Lkw-Abgasgesetzgebung noch keine nennenswerte Reduzierung der Stickoxid-Emissionen erfolgt.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2) sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in Bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 2000 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 35 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von circa 60 Prozent und der NO2-Belastung von etwa 25 Prozent ermittelt; allerdings zeigt sich beim NO2 seit 1996 eine Stagnation im zeitlichen Immissionsverlauf. Die an der BAB registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im Wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw in Verbindung mit der gesteigerten Effektivität der 3-Wege-Katalysatoren.
Es wird über die Entwicklungen der Geräusch-Emission schwerer Lkw berichtet. Zwischen 1975 und 2002 wurden die Grenzwerte von schweren Lkw der Leistungsklasse größer/gleich 150 kW für das maximale Geräusch bei der Typprüfung um 11 dB(A) verringert, was einen Rückgang der Prüfpegel um 9 dB(A) zur Folge hatte. Die Messung der Vorbeifahrtpegel schwerer Lkw an einer Autobahn-Steigungsstrecke deuten dagegen bei niedrigen Fahrzeug-Geschwindigkeiten auf einen wesentlich geringeren Pegelrückgang von 4 dB(A) hin.