620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Mit Fokus auf Nordrhein-Westfalen (NRW) wird das urbane NO2-Problem umrissen. Um die Jahresgrenzwerte einzuhalten, sind beispielsweise in allen Straßenschluchten in NRW Reduktionen nötig. Die Europäische Kommission hat gegen mehrere Mitgliedsstaaten, darunter Deutschland, Vertragsverletzungsverfahren wegen der Überschreitung von NO2-Grenzwerten eröffnet. Dargestellt werden die Langzeittrends bezüglich der gemessenen Abnahme bei der Stickoxidbelastung. Potenzielle Maßnahmen können hinsichtlich ihrer möglichen Wirkungen durch den Einsatz von Modellen abgeschätzt werden, zum Beispiel Umweltzonen, Fahrverbote, Elektrofahrzeuge. Die Ergebnisse der Messungen und Modellrechnungen werden dargestellt und kritisch beleuchtet. Als Fazit ergibt sich, dass das urbane NO2-Problem nicht einfach zu lösen ist, Minderungen der NOx-Emissionen spiegeln sich nicht in der gleichen Größenordnung in der Abnahme der NO2-Belastung wieder. Bei zusätzlich wirksamen Maßnahmen wie beispielsweise einem höheren Anteil von Elektrofahrzeugen fehlt die (schnelle) praktische Umsetzbarkeit. Eine Kombination aus lokalen, regionalen und europaweiten Maßnahmen ist nötig, um das Problem zu lösen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.