620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Umweltgerechte Entwicklung von Verkehr und Infrastruktur - ein verkehrsträgerübergreifender Ansatz
(2016)
Im Expertennetzwerk des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) sind seit 2016 die wissenschaftlichen Fachbehörden und Forschungseinrichtungen der Bundesregierung für den Straßenverkehr, die Binnen- und Seeschifffahrt, den Eisenbahnverkehr, die Luftfahrt und der Deutsche Wetterdienst zusammengeschlossen, um gemeinsam an der Entwicklung sicherer und umweltgerechter Verkehrssysteme zu arbeiten. Für die Zusammenarbeit wurden drei große Bereiche definiert, darunter das Themenfeld "Verkehr und Infrastruktur umweltgerecht gestalten". Hier werden zwischen 2016 und 2019 fünf Forschungsprojekte bearbeitet. Sie sind den Themen (1) Lebensraumvernetzung, (2) Biodiversität und Neobiota, (3) Verkehrslärm sowie (4/5) verkehrs- und infrastrukturbedingte stoffliche Umweltbelastungen gewidmet. Der Beitrag umreisst die mittel- und langfristigen Ziele des Expertennetzwerks im Bereich "Infrastruktur/Umwelt" und die Inhalte und Ziele der fünf Projekte der ersten Etappe der Zusammenarbeit.
Innerhalb eines mehrere Projekte umfassenden Pilotprogramms sollte das Stickoxid-Minderungspotential von Titandioxid unter Realbedingungen an verschiedenen Bauwerken hoch frequentierter Verkehrswege untersucht werden. Die vorgelegte Studie beschreibt die durchgeführten Arbeiten an einer Lärmschutzwand, auf deren Oberfläche eine TiO2-Suspension appliziert wurde. Die Untersuchungen fanden an der A 1 zwischen den Anschlussstellen Osnabrück-Nord und Osnabrück-Hafen statt. Das betrachtete Untersuchungsgebiet umfasste eine Länge von ca. 2 km. Die 6-streifige Autobahn ist in diesem Abschnitt auf beiden Seiten mit einer Lärmschutzwand eingefasst, auf die im September 2011 auf einer Länge von 1 km beidseitig eine TiO2-haltige Suspension im Airless-Verfahren aufgetragen wurde. Die beschichtete Fläche beträgt ca. 25.000 m2. Ein 1 km langes Teilstück ohne Suspension diente im Zuge der Untersuchung als Referenzfläche. Vor dem Einsatz der photokatalytischen Materialien mussten zunächst mehrere Voruntersuchungen durchgeführt werden. Hierzu zählten z. B. Modellrechnungen und Schalluntersuchungen, um auszuschließen, dass die für die Lärmschutzwand gewählte TiO2-Suspension die akustischen Eigenschaften des offenporigen Wandmaterials beeinflusst. Darüber hinaus fanden verschiedene projektbegleitende Untersuchungen statt, wie z. B. Bodenanalysen, Bewitterungen von Prüfkörpern oder eine Nitratbilanzierung des Abflusswassers an der Lärmschutzwand. Die Hauptuntersuchungen haben NO2-Minderungen von einstelligen Prozentzahlen ergeben. Dabei waren die höchsten Minderungsraten auf der Ostseite der Autobahn zu beobachten, auf der sich die Schadstoffe durch die vorherrschende Queranströmung vermutlich über längere Zeiträume an der photoaktiven Wand aufhalten konnten als auf der Westseite. Unterstützt wird diese Beobachtung durch die projektbegleitenden Modellrechnungen. Die Entwicklung der Minderungsraten in Verbindung mit den Bewitterungsuntersuchungen über die Jahre der Messdatenaufnahme hinweg 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. Kontraproduktiv wirken hier in Straßennähe sicher auch die verkehrsbedingten Verunreinigungen auf den photoaktiven Oberflächen. Messungen mit Passivsammlern in mehreren Entfernungen zur Autobahn zeigten darüber hinaus, dass eine Lärmschutzwand alleine schon eine deutliche Verminderung der NO2-Konzentration im direkten Hinterland des Bauwerks ergibt. Jedoch handelt es sich hierbei nicht – wie bei der Photokatalyse – um einen Abbau oder eine Umwandlung des NO2, sondern nur um eine Verfrachtung der Schadstoffe in höhere Luftschichten und dortige Verdünnung in sauberer Luft.
Anhänge: 1a) NEUNHÄUSERER; DIEGMANN: Numerische Simulation der Stickoxidminderung durch photokatalytische Oberflächen an Verkehrswegen (FE 89.234/2009/AP).
1b) SCHNEIDER; TURHAN; PELZER; NIEDERAU; RAU; HÜFTLE: Vergleich verschiedener Modellierungsprogramme zur Berechnung von Immissionen von Luftschadstoffen (FE 02.305/2009/ERB).
1c) HÜLSEWIG: Untersuchungen zur Depositionsgeschwindigkeit von NO (FE 89.282/2013).
1d) KÜHNE; NICOLAI:Einsatz von Titandioxid zur Reduzierung der Stickoxidbelastung an Straßen – Erfassung von Nitratgehalten (FE 02.288/2007/LRB).
1e) SCHEIDT; BLÖß; AMRHEIN: Projekt-begleitende Untersuchung zur Auslagerung von Prüfkörpern und deren Analyse auf die Entwicklung der photokatalytischen Aktivität einer TiO2-Suspension zum AP-Projekt TiO2-PilotstudieA1 (FE 89.0276/2012).
1f) HÜBEN, M.: „Wirksamkeit des photokatalytischen Stickoxid-Abbaus an beschichteten Bauwerks-Prüfkörpern“, Schlussbericht zum (FE 07.241/2011/LRB).
1g) RAUPACH; SCHULTE HOLTHAUSEN: Prüfung möglicher Einflüsse von Titandioxidbeschichtungen auf Betonoberflächen (FE 89.0241/2009/AP).
Die Verkehrsinfrastruktur ist ein wichtiger Standortfaktor eines Landes. Mit zunehmendem Verkehr ist jedoch eine Reihe negativer Folgen für Mensch und Umwelt verbunden. Daher müssen zukunftsfähige Lösungen entwickelt werden, die unsere Mobilität langfristig sichern, wirtschaftlich tragfähig und sozial ausgewogen sind und gleichzeitig die Umwelt schonen. In den letzten Jahren haben in situ-Messungen im gesamten Bundesgebiet gezeigt, dass einige der europaweit gültigen Grenzwerte, insbesondere an verkehrsnahen Standorten, zum Teil stark überschritten werden. Die Emissionen von Fahrzeugen konnten durch innermotorische Maßnahmen und Abgasnachbehandlung schon deutlich reduziert werden. Dennoch gibt es in Bezug auf die Einhaltung der Grenzwerte bei einigen Schadstoffen weiterhin Handlungsbedarf und es werden Maßnahmen auf dem Gebiet der Verkehrssteuerung diskutiert. Als Eingangsgrößen für solche umweltsensitiven Verkehrssteuerungen bedarf es messtechnisch erhobener Luftschadstoffdaten.
Luftverunreinigungen durch Partikel tragen zur Trübung der Atmosphäre und somit zu Sichtminderung bei, zeichnen sich aber ebenso durch ihr gesundheitliches Schadenspotenzial aus. Die EU-Richtlinie 1999/30/EG über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft gibt daher seit 01.01.2005 für Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner 10 Mikrometer (PM10) einen Jahresmittelgrenzwert von 40 Mikrogramm/m3 und einen Tagesmittelgrenzwert von 50 Mikrogramm/m3 vor. Letzterer darf an maximal 35 Tagen pro Jahr überschritten werden. Zu den Partikelquellen, die durch menschliche Aktivitäten hervorgerufen werden, zählen insbesondere industrielle Prozesse wie Verbrennung und mechanische Zerkleinerung, Hausbrand, Landwirtschaft und Verkehr. Partikel können jedoch auch natürliche Ursachen haben wie zum Beispiel Pollen, Pilzsporen, Saharastaub, Vulkanasche oder Seesalzaerosole. Um zu erfahren, wie sich die Schadstoffbelastung durch Partikel an Bundesautobahnen entwickelt, wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen seit mehreren Jahren an zwei Standorten eine kontinuierliche Messwertaufnahme von Partikeln PM10 durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden vorgestellt. Um die an den Autobahnstandorten gemessenen Partikelkonzentrationen einordnen zu können, wird ein kurzer Vergleich mit den in zwei Büroräumen aufgezeichneten Innenraumkonzentrationen gegeben. Es zeigt sich, dass die Einhaltung der geforderten Grenzwerte an beiden stark frequentierten BAB-Standorten bisher keine Probleme aufwarf.
Verkehrliche Ereignisse können einen großen Einfluss auf die Stickoxidbelastung nehmen. So erzeugen schon die Schwankungen der Verkehrsmenge im Tagesverlauf durch Berufspendlerverkehr typische Verläufe bei den Stickoxid-Belastungen. Aber auch außergewöhnliche Ereignisse wie Straßenteil- oder -vollsperrungen, Staus und damit einhergehende Änderungen des Verkehrsflusses und der mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Arbeitsstellen und in ihrem Zuge geänderte Linienführungen wirken sich zum Teil durch deutliche Zu- bzw. Abnahmen der Stickoxid-Konzentrationen aus. Im Rahmen dieses Projektes wurden Daten der Luftqualitätsmessungen an zwei Standorten der BASt an der A 4 und der A 61 in Bezug auf den Einfluss besonderer verkehrlicher Ereignisse untersucht. Dabei konnten deutliche Effekte in den Stickoxidbelastungen festgestellt werden. So wurden Abnahmen der Luftschadstoffbelastung insbesondere bei Verringerung des Schwerverkehrs festgestellt. Deutliche Zunahmen hingegen wurden beobachtet während Stausituationen und zähflüssigem Verkehr. Das Projekt ist vor dem Hintergrund der Stickoxid-Problematik für die weitere Beobachtung der Entwicklung dieser Luftschadstoffkomponenten in den kommenden Jahren von maßgeblicher Bedeutung. Verkehrsseitig erscheint die sinnvollste Möglichkeit zur Reduzierung von NOx-Luftschadstoffbelastungen die Einführung der Emissionsstandards EURO 5 und EURO 6 zu sein. Jedoch kann eine durch sie hervorgerufene Entlastung erst in vielen Jahren merkbar wirken, wenn sich die Fahrzeugflotte so weit erneuert hat, dass die genannten Standards den Großteil der Fahrzeuge ausmachen. Solange müssen passive Maßnahmen ergriffen werden, die die Luftqualität verbessern helfen. Daher könnten die Ergebnisse der Studie in Bezug auf Stickoxidbelastungen Hinweise auf etwaige Minderungsmöglichkeiten durch Verkehrsverstetigung und Verkehrsverlagerung geben. Jedoch muss bei diesen Betrachtungen immer beachtet werden, dass es durch Verlagerungseffekte an anderen Stellen im Straßennetz zu deutlichen Zunahmen der Verkehrsmenge und damit auch der Luftschadstoffbelastung kommen kann.
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.