Vor dem Hintergrund des aktuellen Diesel-Skandals wurde eine achtwöchige Messkampagne zur Ermittlung von CO₂-, NO_x- und Partikel-Konzentrationen in Abgasfahnen an einer vielbefahrenen Straße im Zentrum von Münster durchgeführt. Dazu wurde ein Messcontainer an der Voßgasse in Münster aufgestellt, in dem verschiedene Messsysteme betrieben wurden. Alle Instrumente arbeiteten mit einer Zeitauflösung von 10 Hertz.

Ausgehend von der CO₂-Konzentration wurde ein Verfahren entwickelt, das Abgasfahnen (Peaks = lokale Spitzenkonzentrationen) identifiziert und integriert. Dieses Verfahren wurde anschließend auch auf NO_x-, O₃- und Partikel-Konzentrationen angewandt. Aus den Integralen der Abgasfahnen der verschiedenen Schadstoffe konnten Schadstoffverhältnisse bzw. Emissionsfaktoren berechnet werden. Eine Induktionsschleife, die im Asphalt der Straße installiert ist, lieferte die genaue Anzahl der Fahrzeuge aufgeschlüsselt in Fahrzeugklassen.

Mit Hilfe der Fahrzeugklassen, der Zulassungsstatistik von Fahrzeugen in NRW und den Emissionsfaktoren nach HBEFA wurde ein verkehrsabhängiges NO_x/CO₂-Verhältnis berechnet, welches bei Stop-and-go-Verkehr 0.00201 g g^-1 betrug. Im Median wurde für die gesamte Messperiode ein NO_x-/CO₂-Verhältnis von 0.00331 g g^-1 gemessen. Diesem Verhältnis liegen 71379 qualitätsgesicherte Abgasfahnen zugrunde. Somit ist das mediane gemessene NO_x/CO₂-Verhältnis um 65 % höher als das aus Emissionsfaktoren nach HBEFA und Verkehrsdaten für Stop-and-go-Verkehr berechnete NO_x-/CO₂-Verhältnis.

Die mediane Partikelemission gemäß unserer Peakanalyse betrug 7,31 ∙ 10¹³ Partikel km^-1. Die mediane Emission der Partikelmasse betrug 3,71 g km^-1. Die EU-Norm Euro 6b für den Partikelausstoß (PN) pro Fahrtkilometer wird durch unsere Messung um den Faktor 49 für Benziner bzw. 490 für Dieselfahrzeuge überschritten. Die mediane Partikelmasse-Emission (PM) pro Fahrtkilometer war während der Messung um den Faktor 824 höher als die Norm Euro 5, wobei hierbei Feinstaub-Emissionen aus Aufwirbelung und Abrieb wahrscheinlich mehr Partikelmasse beitragen als das Abgas selbst.

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Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund des aktuellen Diesel-Skandals wurde eine achtwöchige Messkampagne zur Ermittlung von CO₂-, NO_x- und Partikel-Konzentrationen in Abgasfahnen an einer vielbefahrenen Straße im Zentrum von Münster durchgeführt. Dazu wurde ein Messcontainer an der Voßgasse in Münster aufgestellt, in dem verschiedene Messsysteme betrieben wurden. Alle Instrumente arbeiteten mit einer Zeitauflösung von 10 Hertz.

Ausgehend von der CO₂-Konzentration wurde ein Verfahren entwickelt, das Abgasfahnen (Peaks = lokale Spitzenkonzentrationen) identifiziert und integriert. Dieses Verfahren wurde anschließend auch auf NO_x-, O₃- und Partikel-Konzentrationen angewandt. Aus den Integralen der Abgasfahnen der verschiedenen Schadstoffe konnten Schadstoffverhältnisse bzw. Emissionsfaktoren berechnet werden. Eine Induktionsschleife, die im Asphalt der Straße installiert ist, lieferte die genaue Anzahl der Fahrzeuge aufgeschlüsselt in Fahrzeugklassen.

Mit Hilfe der Fahrzeugklassen, der Zulassungsstatistik von Fahrzeugen in NRW und den Emissionsfaktoren nach HBEFA wurde ein verkehrsabhängiges NO_x/CO₂-Verhältnis berechnet, welches bei Stop-and-go-Verkehr 0.00201 g g^-1 betrug. Im Median wurde für die gesamte Messperiode ein NO_x-/CO₂-Verhältnis von 0.00331 g g^-1 gemessen. Diesem Verhältnis liegen 71379 qualitätsgesicherte Abgasfahnen zugrunde. Somit ist das mediane gemessene NO_x/CO₂-Verhältnis um 65 % höher als das aus Emissionsfaktoren nach HBEFA und Verkehrsdaten für Stop-and-go-Verkehr berechnete NO_x-/CO₂-Verhältnis.

Die mediane Partikelemission gemäß unserer Peakanalyse betrug 7,31 ∙ 10¹³ Partikel km^-1. Die mediane Emission der Partikelmasse betrug 3,71 g km^-1. Die EU-Norm Euro 6b für den Partikelausstoß (PN) pro Fahrtkilometer wird durch unsere Messung um den Faktor 49 für Benziner bzw. 490 für Dieselfahrzeuge überschritten. Die mediane Partikelmasse-Emission (PM) pro Fahrtkilometer war während der Messung um den Faktor 824 höher als die Norm Euro 5, wobei hierbei Feinstaub-Emissionen aus Aufwirbelung und Abrieb wahrscheinlich mehr Partikelmasse beitragen als das Abgas selbst.

Hintergrund und Zielsetzung

Der Straßenverkehr ist eine der größten Quellen für luftgetragene Schadstoffe in unserer Umwelt. Im Jahr 2015 wurden 14 % der gesamten Feinstaubmasse sowie 67 % des innerstädtischen NO₂ in Deutschland durch Kraftfahrzeuge ausgestoßen (UBA, 2016a & UBA, 2016b). Da sie in toxikologisch relevanten Konzentrationen vorkommen können, werden sie sowohl durch eine Abgasgesetzgebung als auch durch Immissionsschutzrichtlinien kontrolliert.

Seit September 2015 wird Stickoxiden in den Medien große Aufmerksamkeit geschenkt. Es ist der Monat, in dem der internationale Autokonzern Volkswagen AG eingesteht, Dieselfahrzeuge mit manipulierter Abgasreinigung verkauft zu haben (Zeit Online, 2016). Bereits im Sommer 2007 wurde der betroffene Motor in Deutschland und kurz danach auch in den USA eingeführt. In der EU sind nach der Euro-6-Norm Emissionen in Höhe von maximal 80 mg NO_x pro Kilometer Fahrstrecke zugelassen (Europäische Union, 2007). In den USA hingegen gibt der "Clean Air Act" deutlich strengere Grenzwerte vor. Dieselfahrzeuge dürfen nicht mehr als 70 mg NO_x pro Meile ausstoßen. Um Dieselfahrzeuge auf dem US-amerikanischen Markt zulassen zu können, ist es daher notwendig, aufwendige Abgasreinigung durchzuführen (EPA, o.J.). Da dies zulasten der Effizienz geht, haben die Entwickler die Software so programmiert, dass die Abgasreinigung außerhalb der Testläufe gedrosselt wird. Der hier kurz skizzierte sogenannte Diesel-Skandal („Diesel-Gate“) ist bis zum jetzigen Zeitpunkt weder in Deutschland noch in den USA abgeschlossen. Mittlerweile stehen auch andere Autobauer im Verdacht, Abschalteinrichtungen zu nutzen. Vor dem Hintergrund weitreichender Überschreitungen der zulässigen Immissionswerte für NO₂ in Europa steht der Diesel-Skandal in besonderem Maße im öffentlichen Fokus.

Auch Herstellerangaben zum Kraftstoffverbrauch, also dem CO₂-Ausstoß, und die Einhaltung der Abgasnorm in Bezug auf andere Luftschadstoffe wie Feinstaub müssen nun kritisch untersucht werden, da diese ebenfalls in einem festgelegten Testzyklus auf einem Rollenprüfstand ermittelt bzw. überprüft werden.

Ziel des Projekts war es, Abgasfahnen des Verkehrs messtechnisch zu erfassen und daraus reale Emissionsfaktoren zu berechnen. Dazu sollen die Stickoxid-, Kohlendioxid- und Partikel-Emissionen an einer vielbefahrenen Straße in Münster untersucht werden. Die gemessenen Emissionsfaktoren werden mit den Emissionsfaktoren nach HBEFA bzw. mit der Abgasnorm verglichen.

Abbildung 1: Standort und Aufbau des Messcontainers

Standort

Der Messcontainer wurde im Zeitraum von 03.05.2016 bis 03.07.2016 an der zweispurigen L843 im Bereich Voßgasse/Ecke Hörsterstraße in Münster betrieben (51°57'51.4"N 7°37'47.2"E). Die L843 ist eine wichtige Ost-West-Verbindung und im Bereich der Münsteraner Altstadt Teil der grünen Umweltzone. Der Container (Abb. 1) stand im unmittelbaren Nahbereich von zwei Kreuzungen und der Bushaltestelle „Bült“, die von 19 verschiedenen Buslinien angefahren wird (Stadtwerke Münster, 2016a). An Werktagen haben durchschnittlich ca. 16700 Fahrzeuge, davon 1000 Busse, den Container passiert.

Das LANUV NRW betreibt den Messpunkt „Münster Bült“ (Kennung: VMSB, Abb. 2) ca. 150 m östlich des Messcontainers. Dort wurden in den vergangenen 7 Jahren mittels Passivsammlern NO₂-Jahresmittelwerte zwischen 44 und 55 µg m^-3 festgestellt (LANUV NRW, 2016). In den letzten 4 Jahren hat die Belastung kontinuierlich abgenommen.

Eine Induktionsschleife zur Verkehrszählung liegt ca. 100 m östlich des Containers und wird seit Juni 2016 von der Stadt Münster betrieben.

Abbildung 2: Lage der untersuchten Straße L843 innerhalb der Stadt Münster (unten) und Nahbereich des Messcontainers sowie der Induktionsschleife und der Messpunkt „Bült“ des LANUVs NRW (oben).

Aufbau und Methoden Messgeräte

Der Messaufbau befand sich in 4,5 m Abstand zur Straße. Die Messgeräte für CO₂, Temperatur, Feuchte und Wind waren in 4 m Höhe über der GehsteigOberfläche montiert. Die Ansaugpunkte für die anderen Messgeräte, die sich selbst im Messcontainer befanden, waren ebenfalls 4 m über der Gehweg-Oberfläche montiert. Die zeitliche Auflösung der Messsysteme betrug 10 Hz.

Kraftfahrzeuge, die die Station passieren, hinterlassen eine Schadstoffahne. Die Schadstoffahnen einzelner Kfz können je nach Windverhältnissen zur Station gelangen. Dort werden sie als Anstiege bzw. Peaks der CO₂-Konzentration sowie der Konzentrationen der Stickoxide und der Aerosolpartikel detektiert. Für Ozon wird in einer Abgasfahne typischerweise ein Minimum detektiert, da die Reaktion des frisch emittierten Stickstoffmonoxids (NO) mit O₃ sehr rasch abläuft.

Aufgrund der lokalen Windverhältnisse werden viele Abgasfahnen nicht zum Messcontainer transportiert und werden selbstverständlich auch nicht detektiert. Die Messstrategie ist also nicht geeignet, um alle Abgasfahnen zu vermessen. Es ist lediglich möglich, die Massenverhältnisse der Stoffe zueinander (CO₂, NO_x, Partikel, Ozon) zu vergleichen. Durch die hohe Zeitauflösung der Messungen können viele Abgasfahnen einzeln beprobt werden. In anderen Fällen werden die kombinierten Fahnen mehrerer Fahrzeuge als ein Anstieg und Maximum in den Zeitreihen auftreten. Ein Vorteil der Messstrategie liegt darin, dass eine große Anzahl von Fahnen analysiert werden kann und so ein repräsentatives Bild der Emissionsverhältnisse (z.B. NO_x / CO₂) erzeugt werden kann. Diese Verhältnisse können mit Emissionsdatenbanken (z.B. HBEFA) abgeglichen werden.

Tabelle 1: Übersicht der eingesetzten Messgeräte für luftchemische Analysen

Auswertung

Die Datenverfügbarkeit an insgesamt 60 Messtagen betrug 84 % für CO₂, 93 % für Stickoxide und 79 % für Ozon. Das ELPI+ musste zur Qualitätssicherung der Daten regelmäßig aufwendig gereinigt werden, sodass insgesamt Daten von 38 Tagen ausgewertet werden konnten.

Die Zeitreihen der unterschiedlichen Messgeräte waren vor allem wegen der Ansaugleitungen um einige Sekunden gegeneinander verschoben. Unter der Annahme, dass lokale Maxima der Schadstoffe einer einzigen Abluftfahne bzw. der selben kombinierten Abluftfahne mehrerer Fahrzeuge zugeordnet werden können, wurde die zeitliche Verschiebung der Messvorgänge mittels Kreuzkorrelation beziffert und anschließend beseitigt. Dabei wurden alle Messzeitreihen auf die Zeitreihe der CO₂-Konzentration referenziert. Die zeitliche Verschiebung betrug zwischen 2,6 s und 4,4 s.

Die Peak-Identifizierung erfolgte ebenfalls über die CO₂-Konzentration. Hierbei wurden im ersten Schritt als lokale Maxima diejenigen Punkte definiert, die mindestens 100 Datenpunkte mit geringeren Konzentrationen vor- und nachgelagert hatten (Abb. 3, rote Punkte). Im zweiten Schritt wurde die Peak-Separation-Linie (PSL, Abb. 3, blaue Linie) berechnet. Dazu wurde ein gleitendes Mittel und eine gleitende Standardabweichung mit einer Breite von 600 Datenpunkten (entspricht einer Minute) berechnet. Datenpunkte, die mehr als eine halbe Standardabweichung über dem gleitenden Mittelwert lagen, wurden entfernt und zwischen den verbliebenen Datenpunkten linear interpoliert. Der daraus entstehende Datensatz enthält folglich keine lokalen Spitzenkonzentrationen mehr. Dieser Datensatz ist die PSL, welche die CO₂-Hintergrundkonzentration abbildet. Alle gefundenen Peaks aus Schritt 1, die nicht oberhalb der PSL lagen, wurden im dritten Schritt verworfen. Im vierten Schritt wurde ein weiteres laufendes Mittel mit einer Breite von 25 Werten direkt aus der CO₂-Konzentration, inklusive der Peaks, berechnet (Abb. 3, rote Linie). Aufgrund der geringen Mittelungsbreite folgt dieses sehr gut der CO₂-Konzentration. Folglich kreuzt diese Linie die PSL häufig, im Idealfall zwei Mal in jedem Zwischenraum zwischen zwei Peaks. Im fünften Schritt wurden Peakstart und Peakende ausgehend von den identifizierten Peaks auf den nächsten vorgelagerten bzw. nachgelagerten Schnittpunkt von PSL und dem laufenden Mittel gelegt.

Abbildung 3: 5-Minuten Ausschnitt der CO₂-[ppm], NO_x-[ppb], O₃-[ppb] und Partikelanzahlkonzentration [cm^-3]. Als rote Punkte sind alle CO₂-Datenpunkte markiert, die mindestens 100 Datenpunkte mit geringeren Konzentrationen vorund nachgelagert haben. Die rote Linie in der CO₂-Zeitreihe ist ein laufendes Mittel mit 25 Datenpunkten Breite. Die PSL (blaue Linie) und Basislinie (rot gepunktete Strecke) wurden stoffspezifisch berechnet. Die grünen und rosa Rechtecke markieren identifizierte Peaks. Die Farbe zeigt an, ob die Qualitätsprüfung bestanden (grün) oder nicht bestanden (rosa) wurde.

Fallen Peakende und Peakstart zweier benachbarter Peaks auf denselben Punkt, wurden die Peaks zusammengefasst. Die Strecke zwischen den beiden Schnittpunkten bildet gleichzeitig die Basislinie des Peakintegrals (Abb. 3, rot gepunktete Strecken). Bei der abschließenden Integration wurde also nur das Integral des Peaks selbst (zwischen den Messpunkten und der roten Basisstrecke) und nicht die Hintergrundkonzentration (unterhalb der roten Basisstrecke) betrachtet.

Für die Stickoxide, Ozon und die Partikelgrößenklassen wurde ebenfalls eine PSL berechnet. Die Integration erfolgte analog zu CO₂.

Bevor Verhältnisse zwischen den Peakintegralen der Messgrößen berechnet wurden, wurde eine abschließende Qualitätssicherung durchgeführt, in die die Anzahl fehlender Werte, die Summe der Werte unterhalb der roten Basislinie, eine Mindestbreite sowie eine Mindestpeakhöhe eingingen. Peakintegrale, die diese Qualitätssicherung bestanden haben, sind in Abbildung 3 grün hinterlegt. Peaks, die die Qualitätssicherung nicht bestanden haben, sind rosa hinterlegt. Insgesamt konnten für die Berechnungen von CO₂, NO_x, NO, NO₂ und Ozon 71376 qualitätsgesicherte Peakintegrale genutzt werden. Bei den Partikeln wurden nur Peaks verarbeitet, die in jeder der 14 Größenklassen die Qualitätskriterien erfüllten, sodass für die Analyse der Partikelemissionen 9687 Peakintegrale nutzbar waren.

Um Vergleichbarkeit mit HBEFA herzustellen, wird das Verhältnis NO_x/CO₂ in g g^-1 dargestellt. Das Verhältnis NO_x/O₃ wird in mol mol^-1 dargestellt, da bei der Bildung von NO₂ bzw. dessen Spaltung das Verhältnis der Edukte bzw. der Produkte in mol-Einheiten 1:1 beträgt.

Die Partikelanzahlkonzentration jeder Größenklasse wurde, nach Korrektur für die Klassenbreite, auf die CO₂-Konzentration des jeweiligen Peaks referenziert. Unter der Annahme, dass die Partikel eine Dichte von 1,3 g cm^-3 haben, wurde auch die Partikelmassenkonzentration jeder Größenklasse auf CO₂ referenziert.

Durch die Stadt Münster wurde auf der Straße Bült eine Induktionsschleife (Abb. 1) zur Verkehrszählung in der Fahrbahn installiert. Die Daten liegen für den gesamten Monat Juni in einer zeitlichen Auflösung von 15 Minuten vor. Die Fahrzeuge werden automatisch in die Klassen Kraftrad, Bus, LKW mit Hänger, Lieferwagen, LKW, PKW mit Hänger, PKW und Sattel Kfz eingeteilt. Es wurde die Annahme getroffen, dass die Auswertung der Verkehrsdaten im Juni für den gesamten Messzeitraum repräsentativ ist.

Ergebnisse Verkehrsdaten

An einem durchschnittlichen Werktag wird die Station von ca. 16700 Kraftfahrzeugen passiert, darunter ca. 1000 Busse, 1000 leichte Nutzfahrzeuge (LNfz) sowie 330 LKWs und Sattelschlepper. An Sonntagen ist das Gesamtverkehrsaufkommen um 30 % geringer. Vor allem die Klasse der Fahrzeuge über 3,5 t sowie die LNfz verringern sich mit 60 % sehr deutlich.

Mit Beginn des Berufsverkehrs (Abb. 4, Grafik a) steigt die Anzahl der Fahrzeuge an Werktagen zwischen 6:00 Uhr und 8:30 Uhr sprunghaft an und bleibt während des Tages bis ca. 19:00 Uhr oberhalb von 1000 Fahrzeugen h^-1. Bis zum Ende des Tages und in der Nacht sinkt die Anzahl der Fahrzeuge kontinuierlich ab bis auf ein Minimum von 50 Fahrzeugen h^-1 um 4 Uhr.

An Sonntagen (Abb. 4, Grafik b) findet sich das Verkehrsminimum erst um 8:00 Uhr bei ca. 100 Fahrzeugen h^-1. Von dort an steigt die Anzahl der Fahrzeuge auf ein Maximum von 900 Fahrzeugen h^-1 um 18:30. Ein sekundäres Maximum erscheint in der Nacht von 0:00 bis 1:00 Uhr.

Aus den Daten der Induktionsschleifen im Asphalt wurde die Gesamtanzahl an PKWs, Krads, Lieferwagen, Bussen, LKWs und Sattelschleppern ermittelt, die den Messcontainer im Juni 2016 passiert haben. Da die Schleife aber keine Auskunft über die Kraftstoffart gibt, kann die Anzahl von Dieselfahrzeugen nur geschätzt werden. Anhand der Bestandsdaten des Kraftfahrt-Bundesamtes für NRW kann das Verhältnis von Diesel-PKW zu allen PKWs errechnet und auf die Verkehrsdaten des Juni 2016 übertragen werden. Demnach haben ca. 141500 PKWs mit Dieselmotor und 304900 Benziner die Induktionsschleifen im Bereich des Messcontainers passiert. Busse und schwere Nutzfahrzeuge wurden als Fahrzeuge mit Dieselmotoren, Krads als Fahrzeuge mit Benzinmotor aufgenommen. Für leichte Nutzfahrzeuge wurde eine Dieselquote von 94 % veranschlagt (Kraftfahrt-Bundesamt, 2016a).

Abbildung 4: Medianer Tagesgang des Verkehrs aufgeschlüsselt nach Fahrzeugklassen sowie Werktagen (Grafik a) und Sonntage (Grafik b). Schwere Nutzfahrzeuge (SNfz) fassen die Klassen LKW, LKW mit Anhänger und Sattel-Kfz zusammen. LNfz sind Lieferwagen. Pkw mit Anhänger wurden in die Klasse Pkw mit aufgenommen.

NO_x/CO₂-Verhältnis

Aus den NO_x/CO₂-Verhältnissen nach HBEFA und den Fahrzeugklassen, inklusive der Annahmen für den Kraftstoff, kann ein gewichtetes NO_x/CO₂-Verhältnis für die Messperiode berechnet werden. Das NO_x/CO₂-Verhältnis nach HBEFA unterscheidet sich für verschiedene Verkehrssituationen. Es beträgt zwischen 0.00178 g g^-1 bei flüssigem Verkehr und 0.00201 g g^-1 bei Stop-and-go-Verkehr.

Im Median wurde für gesamte Messperiode ein NO_x-/CO₂-Verhältnis von 0.00331 g g^-1 gemessen. Diesem Verhältnis liegen 71379 qualitätsgesicherte Peaks zugrunde. Das erste und dritte Quartil befinden sich bei 0.00204 g g^-1 bzw. 0.00528 g g^-1.

Abbildung 5: Häufigkeitsverteilung der gemessenen NOx-/CO2-Verhältnisse in g g ^-1. Die schwarze Linie zeigt das berechnete NOx-/CO2-Verhältnis auf Grundlage der Verkehrsdaten und der Emissionsfaktoren nach HBEFA für Stop-and-go-Verkehr. 

Insgesamt ist das mediane gemessene NOx-/CO2-Verhältnis is um 65 % höher als das aus Emissionsfaktoren nach HBEFA und Verkehrsdaten für Stop-and-goVerkehr berechnete NOx-/CO2-Verhältnis. Fast 75 % der untersuchten Abgasfahnen haben ein höheres NOx-/CO2-Verhältnis als aus HBEFA berechnet. Erwartungsgemäß wurden tagsüber mehr Abgasfahnen detektiert als nachts, jedoch unterscheiden sich die medianen Verhältnisse von NO_x zu CO₂ zwischen Tag und Nacht um weniger als 1 %.

Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des berechneten Verhältnisses des realen Verkehrs ergeben sich vor allem aus der Abschätzung der Kraftstoffart für die Fahrzeuge, die den Container passiert haben. Zudem kann die Verkehrsschleife nicht zwischen Reisebus und Linienbus unterscheiden. Diese Unterscheidung nimmt HBEFA jedoch vor. Hier wurde mit dem Mittelwert dieser beiden Busarten gerechnet, welcher nicht unbedingt die reale Verkehrszusammensetzung wiedergibt. Aufgrund der häufig bedienten Bushaltestellen für Linienverkehr in nächster Nähe zum Messstandort ist es wahrscheinlich, dass mehr Linienbusse als Reisebusse gefahren sind. Linienbusse haben ein deutlich kleineres NOx-/CO2-Verhältnis, daher sollte das aus den Emissionsverhältnissen berechnete NOx-/CO2-Verhältnis geringer ausfallen als hier vorgenommen, der Unterschied zu den gemessenen NO_x/CO₂-Verhältnissen also noch größer sein. Hinzu kommt, dass in Münster zwei Busse mit Hybridantrieb und fünf Busse mit Elektroantrieb aktiv sind (Stadtwerke Münster, 2016b). In der gesamten Münsteraner Busflotte erfüllen 60 % die Euro-5-Norm (Stadtwerke Münster, 2016a).

Zur Ermittlung der Emissionsfaktoren nach HBEFA wurde nur eine begrenzte Anzahl an Fahrzeugen analysiert. Dies hat zum einen mit dem finanziellen Aufwand zu tun, zum anderen aber auch damit, dass es noch nicht genug Fahrzeuge auf dem Markt gibt, die die neuesten Normen erfüllen. So liegen den Emissionsfaktoren der aktuellen HBEFA-Version für Euro-6-PKWs nur 20 Fahrzeuge, die 13 verschiedene Modelle abdecken, zugrunde. Darunter befindet sich lediglich ein einziges benzinbetriebenes Fahrzeug. Die Dieselfahrzeuge, die zum Zeitpunkt der Messung bereits auf dem Markt waren, gehören dem Premium-Segment an. Dies führt zu großen Unsicherheiten in den ermittelten Emissionsfaktoren für die gesamte Flotte (Kühlwein et al., 2013). Weiterhin ist nicht bekannt, in welchem Umfang unterschiedliche Technologien zur Abgasreinigung Verwendung finden. Dies führt ebenfalls zu Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Emissionsfaktoren moderner Fahrzeuge. Am 01.01.2016 waren in NRW insgesamt 14 532 426 Diesel PKW zugelassen, von denen 1 394 241 die Euro-6-Norm auf dem Papier erfüllen. Das entspricht über 9 % des PKW-Bestandes, für den keine genau ermittelten Emissionsfaktoren vorliegen (Kraftfahrt-Bundesamt, 2016b).

Dennoch lässt sich durch die genannten Faktoren nicht erklären, wie es dazu kommt, dass 75 % der gemessenen Abgasfahnen eine höheres NO_x/CO₂-Verhältnis aufweisen als es aus den Emissionsfaktoren nach HBEFA ermittelt wurde. Die Messwerte zeigen, dass der NO_x-Ausstoß unter realen Bedingungen deutlich höher ist als im Labor. Dies liegt zum einen daran, dass durch HBEFA das individuelle Fahrverhalten nicht unterschieden wird. Zum anderen bestätigt dieses Ergebnis auch die Annahme, dass bei vielen Fahrzeugen die Emissionen im realen Betrieb erhöht sind, da die Leistung der Abgasreinigung reduziert wird.

Partikelspektren

Die Auswertung der Partikelanzahl pro Gramm CO₂ zeigt, dass im Median über 90 % der Partikel einer Abgasfahne einen Durchmesser kleiner als 0,1 µm haben. Die Partikelmasse ist hingegen fast ausschließlich durch große Partikel bestimmt. Partikel größer 1 µm bilden im Median 96 % der Partikelmasse pro Gramm CO₂ einer Abgasfahne ab.

Würde man nun für die Fahrzeugflotte einen sehr konservativen durchschnittlichen CO₂-Ausstoß von 130 g km^-1 annehmen, berechnet sich daraus ein medianer Partikelausstoß von 2,94 ∙ 10¹⁴ Partikel km^-1 bzw. einer Partikelmasse von 3,71 g km^-1.

Um diese Ergebnisse mit den Normen Euro 5 und Euro 6 vergleichen zu können, müssen aus unseren Ergebnissen die Größenklasse 1 und 2 entfernt werden, da die Abgasnorm, der der Neue europäische Fahrtzyklus (NEFZ) zugrunde liegt, nur Partikel ab einem aerodynamischen Durchmesser von 23 nm vorsieht. Die korrigierte Partikelemission gemäß unserer Peakanalyse beträgt 7,31 ∙ 10¹³ Partikel km^-1, die Emission der Partikelmasse beträgt weiterhin 3,71 g km^-1.

Die EU legt nach der Norm Euro 6b für PKW mit einer Erstzulassung ab dem 1. September 2015 einen Partikelausstoß pro Fahrtkilometer von 6 ∙ 10¹² bei Benzinern bzw. 6 ∙ 10¹¹ für Diesel fest. Die gemessene mediane Partikelanzahl-Emission ist damit um den Faktor 49 für Benziner bzw. Faktor 490 für Diesel höher. Seit dem 1. Januar 2011 gilt für erstzugelassene Fahrzeuge die EU Norm Euro 5. Hier wird sowohl für Diesel- als auch Benzinfahrzeuge ein Emissionsgrenzwert für Partikelmasse von 4,5 mg km^-1 festgelegt. Die mediane Partikelmasse-Emission pro Fahrtkilometer war während der Messung um den Faktor 824 höher.

Abbildung 6: Größenspektrum der medianen Partikelanzahlkonzentration pro Gramm CO₂ inklusive des 1. und 3. Quartils (blau). Größenspektrum der medianen Partikelmassenkonzentration in Gramm pro Gramm CO₂ inklusive des 1. und 3. Quartils (rot).

Die Partikelanzahl und -masse lassen sich dabei nicht alleine auf das Abgas aus der Verbrennung von Kraftstoff zurückführen. Eine wichtige Rolle spielt hierbei auch der Abrieb von Bremsen, Reifen und Antriebsystemen (Kardanwellen, Dichtungen, Getrieben). Die dabei entstehenden Partikel tragen vor allem zur Partikelmasse bei. Ebenso ist es wahrscheinlich, dass vor allem große, bereits deponierte Partikel durch den Verkehr wieder aufgewirbelt werden (UBA, 2009). Die oben genannten Emissionsgrenzwerte beziehen sich allerdings nur auf das emittierte Abgas. Ebenso gelten die Emissionsgrenzwerte nur für PKW und LNfz, die der Abgasnorm Euro 5 bzw. Euro 6 unterliegen. Somit wird vernachlässigt, dass auch andere Fahrzeuge den Messcontainer passiert haben. Allerdings wäre unter der Berücksichtigung aller Fahrzeuge ein deutlich höherer CO₂-Ausstoß als 130 g km^-1 veranschlagt worden und somit wäre auch der berechnete durchschnittliche Partikelausstoß pro Kilometer höher.

Die stark erhöhten Messergebnisse sind trotz der Unsicherheiten ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Abgasnormen Euro 5 und Euro 6 mit ihren Grenzwerten für Partikelanzahl und Partikelmasse großflächig und massiv überschritten werden.

Fazit und Ausblick

Die Ergebnisse unserer Studie zeigen deutlich, dass standardisierte Messungen innerhalb von Testzyklen unter Laborbedingungen nicht die alleinige Grundlage zur Ermittlung von Emissionsfaktoren bzw. für die Einhaltung der Abgasnorm bilden dürfen. Die hohe Diskrepanz zwischen in-situ Messungen und den Testergebnissen innerhalb des NEFZ bei Stickoxiden haben dazu geführt, dass die EU ab September 2017 plant, das Emissionsverhalten im praktischen Fahrbetrieb (RDE = Real Driving Emissions) mithilfe von transportablen Emissionsmesseinrichtungen (PEMS) zu untersuchen. Dieses Verfahren soll zumindest bei neuzugelassenen Fahrzeugen Abschalteinrichtungen bzw. Grenzwertüberschreitungen aufdecken. Fahrzeuge, die bereits zugelassen sind, aber nachweislich eine illegale Abschalteinrichtung nutzen, muss der Hersteller nachbessern (Europäische Union, 2015). Zugelassene Fahrzeuge, die zwar eine hohe Diskrepanz zwischen RDE und NEFZ aufweisen, aber nachweislich keine illegale Abschalteinrichtung benutzen, müssen nicht nachgerüstet werden. Um die Immissionsgrenzwerte für Stickoxide an Verkehrsschwerpunkten nachhaltig und innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens einzuhalten, wäre eine Nachrüstungspflicht auch für bereits zugelassene Fahrzeuge ohne Abschalteinrichtung empfehlenswert, sofern das Emissionsverhalten im realen Fahrbetrieb oberhalb der Emissionsgrenzwerte liegt.

Im breiten öffentlich Diskurs, der durch „Diesel-Gate“ befeuert wurde, spielen andere luftgetragene Schadstoffe, wie z.B. Partikel, eine untergeordnete Rolle, obwohl vor allem ultrafeine Partikel (< 0,1 µm Durchmesser) mindestens genauso gesundheitsschädlich wie Stickoxide sind (Elsaesser et al., 2012). Unsere Messergebnisse zeigen, dass auch hier die Grenzwerte der Abgasnorm deutlich überschritten werden.

Mit der hier vorgeschlagenen Messstrategie sollten weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Ein Fokus könnte auf einer flächendeckenden Überwachung der Emissionsverhältnisse NO_x/CO₂ des realen Straßenverkehrs liegen, wobei die Messungen auch auf andere Gase wie z.B. Ammoniak und flüchtige organische Substanzen ausgeweitet werden sollten. Auch eine detaillierte Zuordnung analysierter Abgasfahnen z.B. zu Schadstoffklasse und Baujahr einzelner Fahrzeuge durch Kennzeichen-Erkennung und Abfrage von Fahrzeugdaten beim Kraftfahrtbundesamt erscheint erfolgversprechend.

Danksagung

Wir danken der Stadt Münster für die gute Kooperation und die Bereitstellung der Verkehrsdaten.

Literatur und Grundlagen

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Zeit Online (2016): Der Abgasskandal: Volkswagen.
URL: http://www.zeit.de/wirtschaft/diesel-skandal-volkswagen-abgase [Stand 2016-09-15].