Die Wahl des Verkehrsmittels hat Einfluss auf die Höhe der verkehrlich verursachten Emissionen. Werden umweltfreundlichere Verkehrsmittel gewählt, werden weniger umwelt- und klimaschädliche Emissionen durch den daraus resultierenden Verkehr verursacht.

Zur Implementierung in eine Echtzeit-Öko-Routing-App wurde ein Emissionsrechenmodell entwickelt, welches dem App-Nutzer eine Öko-Bilanzierung zur Verfügung stehender Reiseoptionen liefert. Diese Öko-Bilanzierung basiert auf der Berechnung der voraussichtlich entstehenden CO₂-Emissionen von verschiedenen Verkehrsmitteln, Nutzungsarten und Routenoptionen.

Im vorliegenden Paper wird das dynamische und transparente Emissionsrechenmodell, welches dies ermöglicht, vorgestellt.

Der Beitrag ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einführung

1.1 Die Problematik der verkehrlichen Emissionen

Mobilität ist ein menschliches Grundbedürfnis und ermöglicht Wechsel zwischen Orten und Aktivitäten. Der dadurch induzierte Verkehr verursacht, je nach genutztem Verkehrsmittel, unterschiedliche Emissionen in unterschiedlichen Höhen. Neben Emissionen birgt Verkehr weitere negative Folgen, auf die aber nicht näher eingegangen werden soll. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, also sowohl Personenkraftwagen, wie auch Krafträder, Busse oder Diesel-Loks verursachen ein breites Spektrum unterschiedlicher umwelt- und/oder gesundheitsschädigender Emissionen. Die bedeutendsten sind:

∙ Kohlendioxid

∙ Feinstaub

∙ Stickstoffoxide

∙ Flüchtige organische Verbindungen

∙ Schwefeldioxid

∙ Lärm [1]

Diese Emissionen sind Treibhausgase, die den Treibhauseffekt bestärken, Schadstoffe, die die Gesundheit von Menschen und Tieren schädigen können oder das Ökosystem belasten. Den Austritt dieser Emissionen zu begrenzen ist Ziel der Bundespolitik, aber ebenso übergeordneter Ebenen. [2] An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass ebenso Fahrzeuge mit alternativen Antriebstechnologien die Luftschadstoffe Feinstaub und Stickstoffoxide emittieren. Des Weiteren sind direkte und indirekte Emissionen zu unterscheiden. Direkte Emissionen entstehen während des Betriebs eines Fahrzeugs, während indirekte Emissionen auch die Herstellung und Bereitstellung der Antriebsenergie umfassen. Daher lässt sich auch sagen, dass Verkehr, ganz unabhängig davon, wie er umgesetzt wird, immer zumindest indirekte Emissionen bedeutet. Denn auch die Herstellung, beispielsweise von Laufschuhen, verursacht Emissionen. Das Verkehrsmittel hat jedoch sehr hohen Einfluss auf die Art und vor allem die Höhe der ausgestoßenen Emissionen.

1.2 Übergeordneter Forschungsrahmen

Ziel der übergeordneten Forschungsarbeit ist es, jene Emissionen, die die Umwelt besonders schädigen, zu reduzieren. Dafür sollte ein Suggestionsinstrument entwickelt werden, welches dazu beiträgt, die verkehrlichen Emissionen zu reduzieren, ohne Nachteile in der Mobilitätsqualität zu erzeugen. Bewusstseinsbildung wird in dieser Arbeit als zentrales Element angesehen, um Menschen dazu zu bewegen, nachhaltiger mobil zu sein. Die Hypothese hierzu lautet, dass ein gleiches Niveau an Mobilität gewährleistet werden kann und gleichzeitig die verkehrlichen Emissionen reduziert werden, wenn Verkehrsteilnehmer ein gesteigertes Bewusstsein für ihr eigenes Mobilitätsverhalten und dessen Folgen haben und sich aus diesem Grund eher für umweltfreundlichere Verkehrsmittel entscheiden. Die übergeordnete Aufgabe des Forschungsthemas ist es, ein geeignetes Suggestionsinstrument zu entwickeln, welches Verkehrsteilnehmer dazu motiviert und beeinflusst, umweltfreundlichere Verkehrsmittel zu nutzen.

Der Emissionsausstoß eines Verkehrsmittels wird dafür als Maß für die Umweltfreundlichkeit herangezogen. Bei der Untersuchung zur Entwicklung verkehrlicher Emissionen war dabei auffällig, dass alle oben genannten Emissionen (Lärm sei hier ausgeschlossen) reduziert werden konnten, bis auf Kohlendioxid. In Anbetracht des sich wandelnden Klimas, das mit großer Sicherheit auf anthropogene Treibhausgasemissionen mit zurückführbar ist, sehen Politiker und Wissenschaftlicher vielerorts die Aufgabe, diese Emissionen zu verringern. Da der verkehrliche Sektor 18% der globalen Treibhausgasemissionen ausmacht, ist es an der Zeit, die Kohlendioxidemissionen, als wesentliches entstehendes Treibhausgas, zu reduzieren. Daher zieht das zu entwickelnde Suggestionsinstrument die Kohlendioxidemissionen als Maß für die Umweltverträglichkeit heran. Der Forschungsschritt, der in diesem Paper erläutert wird, ist die Entwicklung eines Emissionsberechnungsmodells, das in der Lage ist, im Suggestionsinstrument unterschiedliche Verkehrsträger hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit zu vergleichen. Da das Suggestionsinstrument interaktiv als Öko-Routing-App gestaltet wird, sind die Ansprüche an das Berechnungsmodell Flexibilität, Schnelligkeit, Präzision, Transparenz, Glaubwürdigkeit und Leistungsfähigkeit.

1.3 Vorgehensweise

1.3.1 Vor- und nachgelagerte Schritte

Die Entwicklung eines Emissionsberechnungsmodells ist ein Zwischenschritt bei der Entwicklung eines Suggestionsinstruments zur Beeinflussung von Verkehrsteilnehmern hin zur Wahl nachhaltigerer Verkehrsmittel. Das Emissionsrechenmodell liefert die Daten, aufgrund derer das Suggestionsinstrument Informationen und Vorschläge an den Verkehrsteilnehmer übermittelt. Abbildung 1 zeigt den Fortgang und die einzelnen Teile des Suggestionsinstruments. Es liefert eine Antwort auf die Problematik der verkehrlichen Emissionen und zielt auf die Nutzung umweltfreundlicher Verkehrsmittel. Das Suggestionsinstrument gleicht vorhandenen Routing-Planer-Apps, jedoch vergleicht diese nicht nur Kosten, Fahrzeiten und Entfernungen, sondern auch die Umweltverträglichkeit basierend auf den Emissionsausstößen. Durch gezielte Benefit- und Gamification-Systeme soll der Nutzer darin bestärkt werden, die empfohlenen umweltfreundlichen Verkehrsmittel zu nutzen.

Abbildung 1: Gesamtprozess zur Entwicklung des Suggestionsinstruments und Einbettung des Emissionsrechenmodells

2 Ergebnisse

2.1 Zur Bedeutsamkeit von CO₂ im Vergleich mit anderen Emissionen und Gründe für die Auswahl der Betrachtung

Die Entwicklung eines Suggestionsinstruments zur Stärkung des Umweltaspektes benötigt zunächst ein Maß, das den Umweltfaktor angibt.

Dafür ist zunächst entscheidend, was der Umweltaspekt bedeutet. Im Verständnis dieser Arbeit bedeutet umweltfreundliche Mobilität, emissionsarme Mobilität, welche möglichst wenig negative Folgen für Mensch und Umwelt hat.

Für die Bearbeitung der Forschungsfrage und die Entwicklung des Instruments ist es daher wichtig, zu klären, welche Emissionen reduziert werden sollen, um emissionsärmere, nachhaltigere Mobilität zu schaffen. Dafür ist es nötig, differenziert zu erarbeiten, welche Verkehrsmittel welche Emissionen verursachen, um dem Verkehrsteilnehmer ein Instrument bieten zu können, welches ihm transparente Informationen über die Umweltauswirkungen (Emissionsausstoß) einer beabsichtigten Verkehrsmittelwahl liefern kann. Um ein Maß für die Umwelteffizienz von Verkehrsmitteln zu schaffen, gibt Spielmann vier Möglichkeiten an.

∙ Aggregation aller Umweltbelastungen zu einer Umweltkennzahl

∙ Zusammenfassung bestimmter Emissionen hinsichtlich ihrer Wirkung

∙ Aggregation zu Summenparametern

∙ Auswahl und Darstellung einzelner Emissionen [3]

Die Aggregation aller Umweltbelastungen durch Verkehr erscheint nicht möglich, da zu viele verschiedene Emissionen entstehen, die größtenteils vollständig unterschiedlich berechnet werden. Nachfolgend wird beschrieben, wie die Entscheidung für eine Möglichkeit und für eine Emission zustande kam.

Vor Betrachtung der Luftschafstoff- und Treibhausgasemissionen sei erwähnt, dass Lärm ebenfalls eine verkehrliche Emission ist. Lärm wirkt, ähnlich wie Luftschadstoffe, lokal auf Menschen ein. Lärm kann, entsprechend den Luftschadstoffen, lokal gemessen werden und daraus Folgen für die Gesundheit abgeleitet werden. Lärm soll in dieser Arbeit jedoch nicht betrachtet werden, da er, nicht wie Luftschadstoffe oder Treibhausgasemissionen, in Abhängigkeiten von Fahrzeug- oder Betriebsparametern entsteht, sondern durch unterschiedlichste Faktoren beeinflusst wird, die kaum berechnet werden können (zum Beispiel die Lautstärke von Musik im Fahrzeug, das Schaltverhalten und damit verbunden Drehzahlen mit unterschiedlichen Geräuschentwicklungen). Zudem haben bauliche und lokale Gegebenheiten großen Einfluss auf die Lärm-Immissionen. Aus diesen Gründen sollen Lärm-Emissionen in dieser Arbeit nicht untersucht werden, wenngleich darauf hingewiesen werden soll, dass Lärm ebenfalls eine ernstzunehmende Folge von Verkehr ist. So unterscheidet auch Spielmann lokal/regional und global wirkende Emissionen und kommt zu dem Schluss, dass es bei der Bewertung der Umwelteffizienz eines Verkehrsmittels beziehungsweise beim Vergleich, von Bedeutung ist, ob eine lokale oder globale Betrachtung im Zentrum der Untersuchung steht. [3]

Abbildung 2: Entwicklung der spezifischen Emissionen des PKWs

Bei Betrachtung von Abbildung 2 wird deutlich, dass Feinstaub, Stickoxid, Schwefeldioxid und flüchtige organische Verbindungen seit 1995 zwischen 50 und nahezu 100 Prozent pro PKW weniger emittiert wurden. Davon unterscheiden sich die Kohlendioxid-Emissionen deutlich. Die Emissionswerte liegen noch auf einem vergleichbaren Niveau wie 1995. Bei näherer Betrachtung aller einzelnen Emissionen im Gesamtkontext (nicht auf einen PKW bezogen) wird dieser Trend ebenfalls deutlich. Die Belastung mit PM10 im Jahresmittel hat seit 1990 um rund 15 µg/m3 nachgelassen, sowohl im ländlichen, als auch verkehrsnahen und städtischen Bereich. [4] Vergleichbares ist bei den Stickstoffoxid-Emissionen festzustellen. Zwischen 1990 und 2016 haben die nationalen Emissionen um beinahe 60 Prozent abgenommen, im Verkehrssektor um fast 70 Prozent. [5] Die Schwefeldioxid-Emissionen lagen 2016 bei rund sechs Prozent von ursprünglich knapp fünfeinhalb tausend Tonnen 1990. Der verkehrliche Sektor konnte seine Schwefeldioxid-Emissionen ebenfalls sehr deutlich reduzieren und nimmt keinen wesentlichen Anteil bei den Emissionsquellen ein. Hauptverursacher sind stationäre Feuerungsanlagen der Energiewirtschaft und Industrieanlagen. [5]

Lag der Anteil der emittierten flüchtigen organischen Verbindungen des Verkehrs 1990 noch bei etwa einem Drittel, so konnte der Anteil in 2016 auf etwa ein Zehntel reduziert werden. Insgesamt betragen die Emissionen nicht mehr ein Drittel der Werte von 1990. [5]

Davon weichen die Entwicklungen der Treibhausgasemissionen deutlich ab. 1990 emittierte Deutschland insgesamt 1.252 Millionen Tonnen, 2016 noch 909 Millionen Tonnen, was einer Reduzierung von lediglich 28 Prozent entspricht. Dabei machte Kohlendioxid circa 88 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen aus. Die Ziele der Bundesregierung sind Reduktionen auf 563 Millionen Tonnen in 2030 und weitgehende Treibhausgasneutralität in 2050.

Abbildung 3: Jährliche Treibhausgas-Emissionen in Deutschland in Millionen Tonnen CO2-Äquivalente [6]

Wie in Abbildung 3 deutlich wird, waren 1990 in absteigender Reihenfolge die Energiewirtschaft, die übrigen Feuerungsanlagen und das verarbeitende Gewerbe die größten Treibhausgasemittenten. Der Verkehr verursachte damals die viert meisten Treibhausgasemissionen. Während alle anderen Sektoren seit 1990 ihre Emissionen verringern konnten, liegen die Emissionen des Verkehrs auf einem unveränderten Niveau. Damit ist der Verkehr 2015 der Sektor mit den zweit meisten Treibhausgasemissionen gewesen. „Air pollution emissions, which are commonly referred to as air pollutants, are species in the air that cause acute or chronic health problems and negative environmental impacts. GHGs are not toxic unless at extremely high concentrations, but their higher-than-normal concentrations in the atmosphere may have resulted in global warming and climate change with possible catastrophic consequences on planet Earth.” [7]

Tan nennt die wichtigsten Folgen von Luftverschmutzung und Treibhausgasen. Während Luftverschmutzung Folgen für die Gesundheit des Menschen und teilweise auf die Umwelt hat, führen Treibhausgase zur globalen Erwärmung und dem Klimawandel und können somit in katastrophalen Folgen für die ganze Erde resultieren. Wenngleich Luftverschmutzung (durch Feinstaub, Stickoxide, Schwefeldioxid und flüchtige organische Verbindungen) ebenfalls fatale Folgen haben können, sieht diese Arbeit die Treibhausgasemissionen und damit einhergehende globale Veränderungen als größeres Problem an.

Da Luftschadstoffe, anders als Treibhausgasemissionen, ausschließlich lokal wirken, ist dieses Problem nicht überall auf der Welt eines. Abbildung 4 zeigt, dass vor allem Nord- und Westafrika, Asien und der Nahe Osten von durchschnittlichen Belastungen von 36 und mehr µg/m3 PM2,5 betroffen sind. Teile Europas und Mittel- und Südamerikas sowie Zentralafrika und teilweise Südostasien weisen durchschnittliche Belastungen von 16 bis 25 µg/m3 PM2,5 auf. Nordasien, Nord- und Südamerika, Südafrika und Australien haben durchschnittliche Belastungen von unter 16 µg/m3 PM2,5.

Abbildung 4: Globale durchschnittliche Belastung mit PM2,5 in µq/m3 [8]

Aufgrund der eher lokal-begrenzten Problematik der Luftschadstoffemissionen, spricht dies eher für eine Bearbeitung der Treibhausgasemissionen, welche ein globales Problem darstellen.

Da CO₂ den größten Anteil an den Treibhausgasemissionen hat und ansonsten keine nennenswerten Treibhausgasemissionen durch Verkehr entstehen [9], konzentriert sich diese Arbeit auf die Reduktion von Kohlendioxid-Emissionen. Deshalb wird ein Rechenmodell für CO₂-Emissionen der unterschiedlichen Verkehrsmittel in unterschiedlichen Nutzungsszenarien und Auslastungsgraden entwickelt und Kohlendioxid als Vergleichsparameter in der Verkehrsmittelwahl verwendet, um Faktoren für die Umweltverträglichkeit der einzelnen Verkehrsmittel zu erhalten.

Neben der Entscheidung für eine Emissionsart ist eine Entscheidung nötig, ob nur direkte oder auch indirekte Emissionen in einem Suggestionsinstrument betrachtet werden sollen. Eine Annäherung zur Entscheidung liefert ebenfalls Spielmann: „In einer solchen Situation [Kurzfristiger Entscheid für die Wahl eines Verkehrsmittels] ist eine Beschränkung auf den Fahrzeugbetrieb- und unterhalt möglich, wenn man davon ausgeht, dass sowohl das Fahrzeug als auch die Infrastruktur bereits vorhanden sind. Folglich werden weder die Belastungen der Fahrzeugherstellung und –entsorgung noch jene der Infrastrukturbereitstellung berücksichtigt. […] Andererseits ist die Berücksichtigung der Treibstoffbereitstellung durchaus sinnvoll, wenn global wirksame Luftemissionen – z.B. CO₂ in einem Vergleich Bahn vs. Strassenverkehr im ländlichen Raum – im Fokus der Untersuchungen sind.“ [3, S.7]

Da das Suggestionsinstrument darauf abzielen soll, kurzfristige Verkehrsmittelwahlentscheidungen zu beeinflussen, bedeutet dies für die konkrete Untersuchung dieser Arbeit, dass folgende Emissionen berücksichtigt werden sollen:

∙ CO₂-Emissionen durch Fahrzeugbetrieb

∙ CO₂-Emissionen durch Unterhalt 

∙ CO₂-Emissionen durch Treibstoffbereitstellung

Das Suggestionsinstrument soll für unterschiedliche Verkehrsmittel, Nutzungsmodi (zum Beispiel PKW in Privatbesitz oder Car-Sharing) und Auslastungen die voraussichtlich entstehenden CO₂-Emissionen einer bevorstehenden Ortsveränderung kalkulieren. Es soll auch Kombinationen verschiedener Verkehrsmittel berücksichtigen (multimodale Wege). Dabei soll das Suggestionsinstrument sowohl direkte, als auch indirekte durch Treibstoffbereitstellung entstehende Emissionen in die Betrachtung einbeziehen. Indirekte Emissionen der Fahrzeugherstellung oder –Entsorgung werden nicht berücksichtigt, da davon ausgegangen wird, dass ein Nutzer nur jene Verkehrsmittel vergleicht, die ihm ohnehin bereits zur Verfügung stehen. Es wird davon ausgegangen, dass bei einer kurzfristigen Entscheidung für oder gegen ein Verkehrsmittel, der Verkehrsteilnehmer nicht daran interessiert ist, welche Emissionen durch die Herstellung seines Fahrzeugs entstanden sind, da ihm dies bereits zur Verfügung steht, die Emissionen also ohnehin bereits entstanden sind. Interessant sind für ihn dann ausschließlich jede Emissionen, die er beeinflussen kann. Zusammenfassend sollen diese Emissionen (siehe Auflistung oben) als variable Emissionen bezeichnet werden, da der Nutzer diese durch seine Entscheidung beeinflussen kann.

Die erarbeiteten Kriterien eines Werts für die Öko-Bilanzierung finden Anwendung in der Entwicklung des Rechenmodells.

2.1 Analyse bestehender Rechenverfahren

Zur Entwicklung eines CO₂-Berechnungsverfahrens wurden bestehende Rechenverfahren untersucht. Dazu gehören theoretische Rechenmodelle, aber auch Rechenverfahren in praktischen Anwendungen, wie CO₂-Rechnern. Diese Verfahren wurden verglichen und Ableitungen für das zu entwickelnde Verfahren vorgenommen.

Zunächst zeigt ein Blick in die Vergangenheit, dass sich die Berechnung von Emissionen in den vergangenen Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt hat.

Das zeigt zum Beispiel eine Arbeit von Siepenkothen. [10] Siepenkothen entwickelte ein relationsbezogenes Emissionsrechenmodell, dessen Ziel es war, den Entscheidungsprozess in der Verkehrsplanung zu unterstützen. Das Modell greift hierfür auf einfach verfügbare Eingangsdaten zurück und berechnet die direkten Emissionen des Personennahverkehrs (MIV und ÖPNV). Dieses Modell entstand vor rund 15 Jahren. Damalige Datengrundlagen waren zum Beispiel die Berechnungsergebnisse „Reisen und Umwelt in Deutschland“ von der Deutschen Bahn AG. Hiermit war es möglich, Emissionen für Reisen zwischen den 58 größten deutschen Städten berechnen zu lassen.

Heutzutage gibt es eine breite und fundierte Datengrundlage. So sind zum Beispiel die durchschnittlichen CO₂-Emissionen verschiedener Verkehrsmittel bekannt (siehe 2.1.4). Rechner ermitteln anhand der durchschnittlichen Emissionen von öffentlichen Verkehrsmitteln und den Emissionsdaten von privaten Fahrzeugen (laut Tests für die Neueinführung von Fahrzeugen, aktuell Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP)) sowie Eingabe der Laufleistung beziehungsweise gefahrenen Strecke problemlos die insgesamt entstandenen Emissionen. Es sind dutzende Rechner verschiedenster Anbieter auf dem Markt, die alle recht ähnlich arbeiten (zum Beispiel Umweltbundesamt, Carbonfootprinter, WWF u.ä.).

Die Innovation in dem zu entwickelnden Kalkulationstool ist es, dass Emissionen nicht im Nachhinein berechnet werden (typischerweise können mit herkömmlichen Rechnern Emissionen für einen Zeitraum, wie zum Beispiel das vergangene Jahr berechnet werden), sondern in Echtzeit und voll automatisiert für aktuell bevorstehende Reisen. Ein Unterschied ist also, dass der Nutzer nicht die Homepage eines solchen Rechners aufruft und durch Eingabe seiner Daten ein Ergebnis errechnet bekommt, sondern dass dem Nutzer Emissionsinformationen bereitgestellt werden, ohne, dass er dies aktiv einfordert. Der andere Unterschied ist der Zeithorizont, für den eine Berechnung erfolgt. In der Regel üblich ist ein längerer Zeitraum, im Gegensatz zur Berechnung für eine Fahrt.

2.1.1 Ableitungen für das zu entwickelnde Rechenverfahren

Es gibt Datenbasen, auf die zugegriffen werden kann. Die vorhandenen Daten sind vielfach erprobt und in vielen Anwendungen im Einsatz. Das gilt für die Emissionsdaten privater Fahrzeuge ebenso wie für öffentliche Verkehrsmittel. Diese Datenbasen sollen als Eingabegröße für das Emissionskalkulationsmodell dienen. Lediglich der Umgang, also die Weiterverarbeitung und Anpassung dieser Daten, soll gegebenenfalls verändert werden. Durch die Integration von Einflussfaktoren können die Daten für die spezielle Situation angepasst werden.

2.1.2 Das Rechenmodell: Eingabegrößen, Berechnung und Ausgabegrößen

Das Rechenmodell berechnet die voraussichtlich entstehenden CO₂-Emissionen einer bevorstehenden Fahrt für unterschiedliche zur Verfügung stehende Verkehrsmittel. Grundsätzlich sollen für folgende Verkehrsmittel die CO₂-Emissionen berechnet werden:

· Personenkraftwagen

· Kraftrad

· Reisebus

· Eisenbahn im Fernverkehr

· Linienbus

· Eisenbahn im Nahverkehr

· Straßen-, Stadt- und U-Bahnen

· E-Bikes

Zunächst gilt, wie bereits in Kapitel 2.1 beschrieben, dass nur direkte Emissionen und solche der Energiebereitstellung, berechnet werden. Dies führt zur Annahme, dass Fahrradfahren mit einem Fahrrad ohne elektrischen Antrieb und zu Fuß gehen vollständig emissionsfrei erfolgen. Für alle übrigen Verkehrsmittel benötigt es eine Datenbank. Diese enthält Daten über die CO₂-Emissionen je Personenkilometer. Die Datenbanken unterscheiden sich für Personenkraftwagen und Krafträder im Vergleich zu allen öffentlichen Verkehrsmitteln und E-Bikes und Pedelecs. Bei den öffentlichen Verkehrsmitteln sollen durchschnittliche Werte angenommen werden, auf die der Nutzer keinen Einfluss hat. Diese Werte sind abhängig von der Auslastung des Verkehrsmittels. Da der Nutzer auf die Auslastung keinen Einfluss hat und unterstellt wird, dass die Verkehrsmittel des öffentlichen Verkehrs ohnehin fahren und keine Abhängigkeit zwischen Nutzung eines gesonderten Individuums und Durchführung einer Fahrt besteht, erscheint es als hinreichend genau, hier Durchschnittswerte anzunehmen. Diese können vorhandenen Tabellen entnommen werden und sind zusammengefasst in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Durchschnittliche Emissionen der öffentlichen Verkehrsmittel

Die durchschnittlichen Emissionen eines E-Bikes können ebenfalls vorhandenen Datensätzen entnommen werden, beziehungsweise berechnet werden. Der deutsche Strommix verursacht 486g CO₂ pro Kilowattstunde. [11] Umgerechnet betragen die CO₂-Emissionen pro Kilometer aufgrund der Ladung des Akkus für ein durchschnittliches E-Bike 4,52g CO₂ pro Kilometer. Wird ein E-Bike ausschließlich mit regenerativ gewonnenem Strom geladen, entstehen keinerlei direkten Emissionen bei der Ladung und die CO₂-Emissionen lägen bei null. Im Emissionsrechenmodell soll aber vom deutschen Durchschnitt ausgegangen werden.

Diffiziler ist die Ermittlung der CO₂-Emissionen von PKWs und Krafträdern. Hier sollen keine durchschnittlichen Werte angenommen werden. Verbreitet ist eine Gliederung in verschiedene Fahrzeugtypen, beim CO₂-Rechner des Umweltbundesamtes zum Beispiel in:

· Kleinwagen mit Verbrennungsmotor

· Mittelklasse mit Verbrennungsmotor

· Oberklasse mit Verbrennungsmotor

· Plug-In-Hybrid (PHEV)

· Elektrofahrzeug (BEV)

· Motorrad

· Roller/ Mofa mit Verbrennungsmotor

Diese Untergliederung erscheint aber als zu unpräzise. Bei der Vielzahl an auf dem Markt erhältlichen PKW verlangt es nach einer detaillierteren Unterteilung, um eine möglichst große Genauigkeit bei der Berechnung zu erreichen. Da der PKW eben jenes Verkehrsmittel ist, welches durch das Suggestionsinstrument negativ beworben würde, ist hier der Anspruch auf Präzision besonders hoch, um Vertrauen und Glaubhaftigkeit beim Nutzer zu erzeugen.  

Um möglichst genaue Emissionsdaten zu erhalten, werden daher als Datengrundlage bei den PKWs und Motorrädern ermittelte Emissionen des Kraftfahrtbundesamts hinterlegt und die Datenabfrage erfolgt über Auswahl des entsprechenden Fahrzeugmodells.

Die Gesamtemissionen einer zurückzulegenden Strecke ergeben sich aus den Emissionen in Gramm pro Personenkilometer und der Distanz:

Formel siehe PDF

In Option A wird lediglich durch 1 geteilt, da die Emissionen des Busses in Personenkilometer für jede Person angegeben sind. Bei Option B wird hingegen durch 2 geteilt, da die Emissionen des PKWs pro Fahrzeug angegeben sind und sich somit pro Kopf dann halbieren.

In diesem Fall wäre Option A die Option, die das Berechnungsmodell als Empfehlung ausgeben würde, da die Emissionen geringer ausfallen.

Diese Berechnungsmethode ist allerdings nicht zufriedenstellend genau, da weitere Faktoren die Emissionen wesentlich beeinflussen können. Das sind zum Beispiel:

· Geschwindigkeit

· Verkehrssituation (flüssig, Stop-and-go)

· Topographie

· Zuladungsgewicht bei PKW

· Komfort und wesentliche technische Einflüsse wie Klimaanlage, Sitzheizung u.ä.

· Fahrweise (sportlich, defensiv, usw.)

Diese Faktoren sind mitunter nur schwer miteinzuberechnen. So zum Beispiel variable Faktoren, wie ob Klimaanlage oder Sitzheizung genutzt werden oder wie viel zugeladen wurde. Ein Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch und somit den Emissionsausstoß ist zwar gegeben, aber nur schwer abschätzbar, da nicht automatisiert erfassbar. Anders sieht es bei fixen, unveränderbaren Faktoren aus. Dazu gehören Topographie oder erlaubte Geschwindigkeit in Abhängigkeit des Straßentyps. Diese Parameter sind bekannt und können simpel integriert werden. Da bei der Routenberechnung Geoinformationen abgerufen werden, können neben den geografischen Daten weitere Metadaten abgerufen und in die Berechnung eingefügt werden. Des Weiteren ist die Abhängigkeit des Verbrauchs von der Geschwindigkeit und Längsneigung (Steigung/Gefälle) der Straße bekannt.

Die vorhandenen Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsdaten müssen in mehrerlei Hinsicht korrigiert werden.

Die Verkehrssituation ist eine Variable, die via Life-Traffic-Information in die Berechnung einbezogen werden kann. Beschleunigungs- und Bremsvorgänge haben einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge. Sie wird mit der Variable Z beschrieben.

Es werden die Variablen Topographie T für Längsneigungen in Prozent und Straßenkategorien Innerorts K_in, Außerorts K_auß und Autobahn K_AB eingeführt. Außerorts wird der durchschnittliche Verbrauch eines PKW angenommen, innerorts wird dieser Wert um das 1,3-fache angepasst, auf der Autobahn um das 2,2-fache. [12] Die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs ist bei der Steigung auch wieder davon abhängig, mit welcher Geschwindigkeit diese befahren wird. Für die Kategorien Innerorts, Außerorts und Autobahn wird jeweils eine Datenbank mit den möglichen Neigungen und dem dadurch veränderten Kraftstoffverbrauch erstellt.

Wie Studien belegen, ist der Realverbrauch bei PKW 2019 um 39 Prozent höher [13], als der vom Hersteller angegebene Normverbrauch (welche den Datenbestand für die Berechnung liefern), was sich unter anderem aus den oben aufgelisteten Einflussfaktoren ergibt.

Daher werden die Emissionsdaten aus den Datengrundlagen wie folgt angepasst:

Formel siehe PDF

Somit können die voraussichtlichen Kohlendioxid-Emissionen ausgerechnet werden, die auf realen Verbrauchswerten basieren. Eingabegrößen für die Berechnung sind somit die Emissionsdaten in Gramm je Personenkilometer für die Verkehrsmittel (auf Grundlage der Datenbanken) und die Streckenlänge in Kilometer. Die Multiplikation dieser Werte ergibt die Emissionslast in Gramm je Person. Multipliziert wird dieses Ergebnis dann wiederum um die genannten Korrekturfaktoren. Zuletzt erfolgt in der Berechnung ein wichtiger Schritt für die Vergleichbarkeit von Routen und Verkehrsmitteln. Das System der Routen- und Verkehrsmittelempfehlung soll nur attraktive und praktikable Empfehlungen aussprechen. Das gewährleistet die Einführung des Vergleichsquotienten EmiQ. Der EmiQ – ausgeschrieben Emissions-Quotient – garantiert eine sinnvolle Fahrempfehlung. Er ist der „Vermittler“ zwischen den Faktoren Umweltfreundlichkeit, Kosten, Zeit und Umstiege und bildet aus den vier unterschiedlichen Kategorien einen vergleichbaren Wert. Anhand dieses Wertes werden dann die verschiedenen Fahroptionen verglichen. Der EmiQ verhindert damit, dass eine besonders nachhaltige Fahrt die beste Empfehlung wird, wenn sie bei Kosten, Zeit und Umstiegen viel schlechter ist, als die anderen Optionen. Der EmiQ gewichtet standardmäßig jeden Faktor 1:4, es ist also jeder Faktor gleichbedeutend. Diese Einstellung kann aber individuell angepasst werden. Außerdem beinhaltet dieser Schritt noch eine Filterfunktion. Wenn Ergebnisse für Fahrtkosten, Fahrtzeiten, Umstiege oder Emissionen oberhalb einer fest definierten Grenze liegen, wird diese Option nicht vorgeschlagen. Folgende Obergrenzen wären denkbar:

Tabelle 2: Vorschläge für Obergrenzen für Filterfunktionen

Dies soll nur ein Beispiel an Werten sein, welche aber als realistisch einschätzt werden können aufgrund von subjektiven Erfahrungswerten. Hier wäre womöglich eine weiterführende Untersuchung zur Festlegung von Obergrenzen nötig. Wobei es ebenso als möglich erscheint, dass diese Obergrenzen vom Nutzer festgelegt werden könnten, da es durchaus subjektiv von Individuum zu Individuum sehr unterschiedlich wahrgenommen wird, welche Werte noch zumutbar sind. Anhand dieses Berechnungsverfahrens lassen sich die Emissionswerte für Reiseoptionen berechnet werden. Um die Thematik der Emissionen dem Nutzer zu verdeutlichen, sollen Emissionen jedoch nicht nur in Gramm (beziehungsweise Kilogramm, Tonne) angegeben werden, sondern zugleich in bildhaftere Vergleiche übertragen werden. So könnte ein Vergleich erfolgen, dass zur Kompensation der entstehenden Emissionen eine Fläche x an Bäumen gepflanzt werden müsste oder dieselben Emissionen entstehen, wie beim Konsum von y Litern Kaffee. Damit soll erreicht werden, das Verständnis und Bewusstsein für verkehrliche Emissionen zu steigern. Aus obigen Erläuterungen lässt sich folgendes Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe-Prinzip herleiten.

Abbildung 5: EVA-Prinzip des Rechenmodells

3 Konklusion und Transfer

Bislang gab es kein Rechenmodell zur Kalkulation von verkehrlichen Emissionen, welches in der Lage ist, im Voraus Emissionen für verschiedene Verkehrsmittel automatisiert zu berechnen und dem Verkehrsteilnehmer als Entscheidungsunterstützung dienen soll. Die besondere Herausforderung in dieser Entwicklung ist es, dass das Rechenmodell flexibel verschiedenste Daten abrufen muss und in Echtzeit die Emissionen kalkuliert. Immer abhängig von den Background-Daten, welche Auskunft über den Nutzer, Wetter, auf einer Strecke verfügbare Verkehrsmittel oder die aktuelle Verkehrslage geben. Im Gegensatz zu herkömmlichen CO₂-Rechnern, bei welchen der Nutzer selbst die benötigten Daten händisch ausfüllt.

Ebenso herausfordernd war es, eine Vergleichbarkeit zu erzeugen und die Emissionsdaten in Relation zu anderen Kriterien zu bewerten. Außerdem müssen die Rechenergebnisse dem Nutzer verständlich aufbereitet übermittelt werden. Ein weiterer Aspekt war der Konflikt Präzision/Handhabbarkeit. Das Modell soll so genau wie möglich, aber nicht genauer als nötig die Emissionen berechnen. Zum einen muss die Rechenzeit geringgehalten werden, zum anderen muss die Berechnung transparent und glaubhaft bleiben. Trotzdem sollen die Daten realistisch sein und Ansprüchen an Differenzierungen gerecht werden. Das Modell kann im nächsten Schritt als Programm umgesetzt werden, welches dann wiederum in die in der Entwicklung befindliche Routing-App integriert werden kann. Dort übernimmt es die zentrale Aufgabe der Öko-Bilanzierung. Die Entwicklung des Rechenmodells war damit ein essentieller Arbeitsschritt in der App-Entwicklung.

4 Literatur

[1] Umweltbundesamt (2018). Spezifische Emissionen Pkw. Daten- und Rechenmodell TREMOD. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/bild/spezifische-emissionen-pkw-emissionen-pkw

[2] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (Ed.) (2016). Klimaschutzplan 2050. Berlin. Online verfügbar unter: https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Klimaschutz/klimaschutzplan_2050_bf.pdf

[3] M. Spielmann, P. de Haan (2008). Umweltindikatoren im Verkehr. Vergleich der Verkehrsmittel anhand CO2-Emissionen, Energieaufwand und übriger Umweltauswirkungen. Rüegger, Zürich.

[4] Umweltbundesamt (2018). Entwicklung der PM10-Jahresmittelwerte. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/feinstaub-belastung#textpart-1

[5] Umweltbundesamt (2017). Nationale Trendtabellen für die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen 1990 – 2015. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/dokument/nationale-trendtabellen-fuer-die-deutsche-2

[6] Umweltbundesamt (2018). Berichterstattung unter der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und dem Kyoto-Protokoll 2018. Nationaler Inventarbericht zum Deutschen Treibhausgasinventar 1990-2016. Dessau-Roßlau. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2018-05-24_climate-change_12-2018_nir_2018.pdf

[7] Z. Tan (2014). Air Pollution and Greenhouse Gases. Springer Singapore, Singapore.

[8] World Health Organization: Global ambient air pollution. Online verfügbar unter: https://maps.who.int/airpollution/

[9] U. Kugler (2011). Straßenverkehrsemissionen in Europa. Emissionsberechnung und Bewertung von Minderungsmaßnahmen. Dissertation. Universität, Stuttgart.

[10] A. Siepenkothen (2005). Relationsbezogene Ermittlung verkehrlicher CO2-Emissionen. Entwicklung eines Berechnungsinstruments. Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2005. Stuttgart: Fraunhofer-IRB-Verl. (Wissenschaft).

[11] Umweltbundesamt (2019): Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutsches Strommix 1990-2017 und erste Schätzungen 2018 im Vergleich zu C0₂-Emissionen der Stromerzeugung. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/co2-emissionen-pro-kilowattstunde-strom-sinken

[12] Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin (2017): Kfz energetisch betrachtet. Online verfügbar unter: http://kirste.userpage.fu-berlin.de/chemistry/general/kfz-energetisch.html

[13] P. Mock. (2019, 10 Januar). Unterschied zwischen offiziellem und realem Kraftstoffverbrauch für neue Pkw in Europa stagniert erstmals. [Pressemeldung]. Online verfügbar unter: https://theicct.org/news/unterschied-zwischen-offiziellem-und-realem-kraftstoffverbrauch-neue-pkw-europa-stagniert