Tiefe Temperaturen und intensive Niederschläge haben in den Wintern 2009/2010 und 2010/2011 in vielen Teilen Deutschlands zu sehr hohen Tausalzverbräuchen geführt. Teilweise konnten die Salzlieferanten den Bedarf an Tausalz nicht decken. Um den Salzbedarf und -verbrauch zukünftig besser abschätzen bzw. bewerten zu können, wurde die Bundesanstalt für Straßenwesen beauftragt, einen neuen Modellansatz zu entwickeln. Ausgangspunkt sind die täglichen Daten von über 500 Stationen des Klimamessnetzes des Deutschen Wetterdienstes. Aus den Klimadaten werden mögliche Glättearten (Schnee-, Eis- und Reifglätte) abgeleitet und einem entsprechenden durchschnittlichen Streuszenarium zugeordnet. Für das eine Messstation umgebende Straßennetz kann dann bei bekannter Fläche dieses Netzes der Salzverbrauch berechnet werden. Die Anwendung eines ersten Modellansatzes lässt eine grobe Schätzung des Salzverbrauches auch für kurze Zeitabschnitte (Tage) und verschiedene Straßennetze erwarten.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Im Winter 2009/2010 und Dezember 2010 trat für Deutschland ungewöhnlich intensives Winterwetter mit strengem Frost und/oder viel Schneefall auf. Dabei waren große Gebiete gleichzeitig und über längere Zeitperioden betroffen. In der Folge kam es zu wesentlich mehr Glättesituationen im Vergleich zu den sonstigen Winterperioden. Diese hatten wiederum einen sehr hohen Verbrauch an Tausalz zur Folge. Vorhandene Salzlager waren recht schnell leer. Die Salzlieferanten konnten den zusätzlichen Bedarf nicht im vollen Umfang decken.

Um zukünftig den Anforderungen an den Winterdienst bei strengem und langandauerndem Winterwetter gerecht zu werden, soll eine Möglichkeit einer genaueren Bedarfsabschätzung geschaffen werden. Bisherige Modelle für einen Winterindex führen nur zu Aussagen über eine Winterlichkeit, die einen relativen Vergleich von Tausalzverbräuchen in den betrachteten Zeiträumen zulassen.

In einem neuen Modellansatz soll ausgehend von Wetterdaten für zu bearbeitende Flächen eine massenbezogene Schätzung des Salzverbrauches erfolgen.

2 Modellansatz

2.1 Grundidee

Der neue Modellansatz besitzt die Grundidee, anhand von umfangreichen Wetterdaten mögliche Fahrbahnglättearten abzuleiten. Den einzelnen Glättearten wird jeweils ein durchschnittliches Streuszenarium mit Angaben von x g/m² zugeordnet. Diese werden wiederum auf zu behandelnden Straßenflächen im Umfeld einer Wetterstation bezogen. Der Umfang der Winterdienstdurchführung wird nach Straßenklasse differenziert.

2.2 Wetterdaten

Für die Einschätzung des Wetters kommen die Daten des Klimamessnetzes des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zum Einsatz. Dafür stehen folgenden Daten zur Verfügung:

-    Tägliches Maximum der Lufttemperatur,

-    Tägliches Minimum der Lufttemperatur,

-    Relative Luftfeuchte um 06:00 Uhr,

-    Relative Luftfeuchte um 12:00 Uhr,

-    Relative Luftfeuchte um 18:00 Uhr,

-    Niederschlagshöhe je Tag,

-    Vorhandene Schneehöhe am Tag,

-    Neuschneehöhe je Tag.

Von wesentlichem Interesse wäre die Niederschlagsdauer gewesen. Diese kann jedoch nicht zur Verfügung gestellt werden. Die Daten stammen von über 500 Mess- und Beobachtungsstationen, die in Deutschland recht gleichmäßig verteilt sind. Die Einschätzung eines Winters erfolgt mit Daten vom 1. November bis zum 31. März.

2.3 Streuszenarien

Aus den Wetterdaten werden folgende tägliche Streuszenarien in Bezug auf die Glätteart angenommen:

• Schneeglätte: Bedingung: Schneefall Streuszenarium: einmal vorbeugend 20 g/m², alle 2 cm Schneefall 20 g/m², maximal 7x

  20 g/m² + 10 g/m² je cm Schneefall, maximal 160 g/m² je Tag,

• Glatteis oder Eisglätte: Bedingung: Minimale Lufttemperatur < = 0°C, Niederschlagshöhe
  > 0 mm (kein Schneefall) Streuszenarium: 2 x 20 g/m² (einmal vorbeugend, einmal nach dem Niederschlag)

  40 g/m² je Tag,

• Reifglätte: Bedingung: Minimale Lufttemperatur < = 0°C, kein Niederschlag, relative Luftfeuchte > 90 %

  10 g/m² je Tag.

Alle Streudichten werden als Trockenstoff angenommen.

Diese Szenarien sind als grobe Mittelwerte anzusehen. Bei Reifglätte wird häufig nicht auf dem ganzen Netz gestreut. Dafür können bei tieferen Temperaturen eine größere Streudichte oder bei längeren Zeiten mehrfaches Streuen erforderlich sein. Das Streuen bei Schneefall kann je nach Intensität und Umlaufzeit differenziert zur getroffenen Annahme ausfallen.

Als ein Mittelwert mit einer besonders großen Spannweite ist der Wert für Eisglätte oder Glatteis anzusehen. Niederschlag als Regen muss nicht mit Minustemperaturen zusammenfallen. Ein Streuen ist dann nicht erforderlich. Andererseits kann ein langanhaltender Regen um den Gefrierpunkt eine deutlich höhere Zahl an Einsätzen erfordern.

2.4 Flächendaten

Für die Flächendaten kamen die Längenangaben aus dem Handbuch für Straßen- und Verkehrswesen „Der Elsner“, Ausgabe 2010 zur Anwendung. Den Längenangaben wurden nachfolgende durchschnittliche Breiten zugeordnet. Diese sollen auch Nebenflächen und Äste in die Schätzung einbeziehen:

–    Bundesautobahnen:           Länge x 20 m Breite,

–    Bundesstraßen:                  Länge x 8 m Breite,

–    Landstraßen:                      Länge x 6 m Breite,

–    Kreisstraßen:                      Länge x 5 m Breite,

–    Gemeindestraßen:             Länge x 7 m Breite (einschließlich Gehwege).

Die Flächendaten werden bei den Berechnungen gleichmäßig um die einbezogenen Messstationen verteilt.

2.5 Bearbeitungsumfang

Für die einzelnen Straßenklassen gibt es unterschiedliche Bearbeitungszeiten. Für das Modell kommen die Vorgaben des Anforderungsniveaus für Außerortstraßen gemäß Maßnahmenkatalog Mk 6a des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung zur Anwendung.

Die Autobahnen werden demnach rund um die Uhr bearbeitet. Der Bearbeitungsumfang beträgt daher 100 %.

Für die weiteren Außerortsstraßen wird die Annahme getroffen, dass alle Flächen der Außerortsstraßen verkehrswichtig sind und im Zeitraum von 6 bis 22 Uhr behandelt werden. Im Vergleich zu den Autobahnen ist der zeitliche Umfang um ein Drittel geringer. Der Bearbeitungsumfang wird daher mit 67 % angenommen.

Eine Schätzung für die Gemeindestraßen gestaltet sich am schwierigsten. Viele Straßen werden im Rahmen eines differenzierten Winterdienstes nicht oder sehr wenig bearbeitet. Oftmals gilt noch ein Anwendungsverbot für Tausalz. Der Arbeitsumfang wird für diese Straßen mit 10 % angenommen. Aufgrund der hohen Längenanteile der Gemeindestraßen bekommt diese Annahme ein hohes Gewicht und beeinflusst eine Schätzung des bundesweiten Gesamtverbrauches sehr.

3 Anwendung des Modells

3.1 Schätzung von Verbräuchen

Eine erste Anwendung des Modells mit den im Abschnitt 2 beschriebenen Annahmen erfolgte mit den Klimadaten des Winters 2009/10. Die zusammengefasste Rechnung enthält die Tabelle 1. Als bundesweiter Gesamtverbrauch ergibt sich ein Wert von rund 4,2 Mio. t. Die Tabelle enthält auch eine differenzierte Auflistung für die verschiedenen Straßenklassen gemäß dem Abschnitt 2.4. Die Schätzwerte für die Bundesfernstraßen sind den von den Bundesländern an den Bund gemeldeten Verbräuchen gegenübergestellt. Auch unter Berücksichtigung von fehlenden Wetterdaten liegen die Werte der Schätzung und der Meldungen recht eng zusammen.

Tabelle 1: Zusammenfassung der Berechnung des Salzverbrauches für den Winter 2009/2010

Die Tabelle 2 enthält eine Berechnung für den Landesbetrieb Straßenbau NRW. Hier liegen für die bearbeiteten Straßen sehr genaue Flächendaten vor. Die erfassten Verbrauchsdaten stimmen bei den Bundesfernstraßen recht gut überein. Auch bei den wenigen Kreisstraßen tritt nur eine kleine Abweichung auf. Bei den Landesstraßen liegt der Schätzwert über 15 % über dem tatsächlichen Verbrauch.

Tabelle 2: Berechnung des Gesamtverbrauches im Winter 2009/2010 für den Landesbetrieb Straßenbau NRW

Das Bild 1 enthält eine Aufstellung der geschätzten Verbräuche für alle Straßen für verschiedene Winterperioden. Danach wird Salzverbrauch im Winter 2009/2010 im Vergleich zum Winter 2005/2006 nur minimal höher eingeschätzt. Der Verbrauch im kurzen Zeitraum November und Dezember 2010 übersteigt Verbräuche von vorherliegenden kompletten Winterperioden.

Bild 1: Geschätzte Verbräuche für verschiedene Winterperioden

Für die Bundesfernstraßen liegen getrennt nach Autobahnen und Bundesstraßen gemeldete Verbräuche vor, die mit den geschätzten Werten verglichen werden können. Das Bild 2 enthält diese Gegenüberstellung. Diese Darstellung zeigt auch die geringen Unterschiede zwischen den gemeldeten Verbräuchen für die Winter 2005/2006 und Winter 2009/2010.

Bild 2: Geschätzte und gemeldete Tausalzverbräuche für verschiedene Winterperioden

Bei allen Vergleichen gibt die Modellschätzung höhere Werte an, als von Bundesländern in der Summe gemeldet wurden. Die Differenzen erreichen Werte zwischen 6 und 40 %. Die Differenz ist in allen Winterperioden für die Bundesautobahnen höher als bei den Bundesstraßen. Eine Ursache kann in einer Überbewertung der Arbeiten in der Nacht liegen oder auf den Bundesstraßen außerhalb der vorgegebenen Bearbeitungszeiten gearbeitet wird.

Die Differenzen steigen mit Abnahme des Salzverbrauches je Winter (Bild 3). Auch hier gibt es keine Ausnahmen.

Bild 3: Differenzen zwischen geschätzten und gemeldeten Verbräuchen in Abhängigkeit von Verbrauch (alle Werte relativ, nur für Autobahnen und Bundesstraßen)

Die Aufgliederung der Gesamtsumme für einen Winter in Tagesverbräuche lässt eine gute Gegenüberstellung von Verbrauch und Liefermenge zu, die für die Planung von Lagerkapazitäten und Liefermengen gute Dienste leisten könnte. Ein erstes Beispiel zeigt das Bild 4 für den Winter 2009/2010. Jede Säule stellt den Verbrauch an einem Tag für bundesweit alle Straßen dar. Der höchste Verbrauch an einem Tag betrug in diesem Winter etwas über 100.000 t.

Die im Diagramm enthaltene Linie beschreibt den Lagerbestand an Tausalz. Der Anfangsbestand ist hier mit 1,9 Mio. t angenommen. Davon lagern 1,2 Mio. t bei den Straßenbauverwaltungen und 0,7 Mio. t bei den Salzlieferanten. Der Lagerbestand wird in diesem Beispiel in idealer Weise sofort wieder aufgeführt.

Die Lieferungen erfolgen nicht an Wochenenden und Feiertagen. Die tägliche maximale Liefermenge beträgt in diesem Beispiel 30.000 t. Anfangs wird weniger als die maximale Liefermenge benötigt. Eine Herstellung von Tausalzen wäre bei vollen Lagern am Winteranfang nur eingeschränkt möglich. Ab Mitte Dezember 2009 wird aber an den meisten Tagen mehr verbraucht als nachgeliefert werden kann. Der Lagerbestand sinkt kontinuierlich. Anfang/Mitte März sind alle Lager leer. Die abgebildete Linie unter Null Tonnen Lager symbolisiert einen Fehlbetrag.

Bild 4: Geschätzte tägliche bundesweite Tausalzverbräuche im Winter 2009/2010 mit Verlauf des Lagerbestandes bei idealer Nachlieferung bis 30.000 t täglich

Das Bild 5 zeigt vor dem Hintergrund der täglichen Verbräuche des Winters 2009/2010 ein etwas anderes Szenarium. Hier sind andere Verlaufslinien von Lagerbestand und Verbrauch dargestellt. Die Lagerbestände bei Lieferanten und Straßenbauverwaltungen sind mit zwei Linien (schwarz und blau) dargestellt. Die rote Linie gibt den kumulativen Verbrauch an. Den Anfangslagerbestand von Straßenbauverwaltung und Lieferanten in Addition mit der laufenden Produktion kennzeichnet die grüne Linie.

Bild 5: Geschätzte tägliche bundesweite Tausalzverbräuche im Winter 2009/2010 mit Verlauf des Lagerbestandes bei idealer Nachlieferung bis 45.000 t täglich

Bei den Liefermengen wird zwischen Mengen aus der Produktion und Mengen aus den Lagern der Lieferanten unterschieden. Der Verlauf fängt erst Mitte Dezember an, da vor diesem Zeitraum kaum Verbrauch vorlag. Dieser geringe Verbrauch wurde bis zu diesem Zeitpunkt nicht nachgefüllt. Der Anfangsbestand ist daher etwas niedriger als im Bild 1 angenommen. Die tägliche Produktion ist auch hier mit 30.000 t angesetzt. Zusätzlich können noch 20.000 t aus den Lagern der Salzlieferanten geliefert werden. Letzteres geht aber nur bis gegen Ende Januar 2010. Zu diesem Zeitpunkt sind diese Lager leergefahren. Die Nachlieferungsmenge ist dann gleich der Produktionsmenge. Bei ähnlichem Verbrauch leeren sich die Lager der Straßenbauverwaltungen dann schneller.

Berechnungen mit dem gleichen Ansatz fanden auch für den Zeitraum von 22. November bis zum 31. Dezember 2010 statt. In der Summe ergab sich in diesem Zeitraum ein geschätzter Verbrauch von rund 2,3 Mio. t Tausalz für bundesweit alle Straßen. Am 25. Dezember 2010 wurde mit 130.000 t ein Tagesverbrauch geschätzt, der mehr als ein Viertel über dem für den Winter 2009/10 geschätzten Tageshöchstwert liegt.

Das Bild 5 zeigt die Schätzung der täglichen Verbräuche in diesem Zeitraum für die Bundesfernstraßen. Von einem angenommenen Anfangsbestand von 270.000 t in den Lagern der Straßenbauverwaltung sind zwei Verlaufslinien dargestellt. Die rote Linie zeigt den Verlauf bei einer täglichen Nachlieferung von 10.000 t. Den Verlauf des Lagerbestandes mit einer täglichen Nachlieferung von 15.000 t gibt die grüne Linie wieder. Bei der geringeren Liefermenge wären bereits vor Weihnachten die Tausalze aufgebraucht und die Nachlieferungen nicht ausreichend gewesen. Bei der Liefermenge von täglich 15.000 t hätte es keine Probleme gegeben.

Bild 5: Tagesverbräuche im Zeitraum 22. 11. 2010 bis 31. 12. 2010

Alle Darstellungen zum Verlauf der Lagerbestände zeigen ideale Zustände der Nachlieferung für bundesweite Durchschnittsverbräuche.

Die Verbräuche für kleinere Netze können kurzzeitig mit höheren Verbräuchen belastet sein. Hier liegen derzeit keine Ergebnisse aus der Modellschätzung vor, sind aber mit dem Modellansatz berechenbar.

In der Praxis bestellen viele Straßenbauverwaltungen und liefern mehrere Anbieter, die nicht untereinander koordiniert sind und es auch in Zukunft nicht sein werden. Um größere Engpässe bei der Salzversorgung in Zukunft zu vermeiden, kann nur appelliert werden, eigene kleinere Fehlbestände möglichst schnell nachzufüllen. Nur so können größere gleichzeitig auftretende Bedarfsanforderungen, die dann von den Salzlieferanten nicht erfüllt werden können, vermieden werden.

3.2 Darstellung von Einsparungsmöglichkeiten

Der Modellansatz kann neben reinen Mengenschätzungen gut für die Bewertung geänderter Maßnahmen des Winterdienstes genutzt werden. Dies wird nachfolgend an zwei Beispielen dargestellt. Für die Schätzung der Einsparungsmengen wird der Ansatz für die Streuszenarien gemäß dem Abschnitt 2.3 entsprechend geändert.

Das erste Beispiel bezieht sich auf die Anwendung von Tausalzlösungen. Bei der Reifglätte werden statt der durchschnittlichen 10 g/m² nur 6 g/m² Tausalz ausgebracht. Bei Schneeglätte und Eisglätte/Glatteis werden bei der ersten – vorbeugenden – Streuung anstatt der 20 g/m² 12 g/m² ausgebracht. Die Tabelle 5 zeigt die gleiche Rechnung wie in der Tabelle 1 (hier nur für die Bundesfernstraßen) mit den verringerten Streudichten am Tag. Aufgrund der hohen Zahl der Tage mit nur ein oder zwei Einsätzen täglich, reduziert sich der Verbrauch an Tausalz um 20 %. Mit dem eingesparten Tausalz könnten rund zusätzliche 5 Tage mit intensivstem Winterdienst durchgeführt werden. Die Kosten würden sich für die Bundesfernstraßen um fast 20 Mio. € reduzieren. Hier sind allerdings entsprechende Investitionen für die Ausbringung von Tausalzlösungen gegenzurechnen.

Tabelle 5: Schätzung der Einsparung von Tausalz durch den Einsatz von Tausalzlösungen für den Winter 2009/2010

Ein anderes Beispiel ist die Einschätzung des Einsparpotenzials durch geringere Streudichten beim fallenden Schneefall. Nach Beobachtungen aus Österreich werden für das „Räumfähighalten“ von Schnee nur kleine Streudichten als erforderlich angesehen. Diese sollen in ein neues Hinweispapier der FGSV einfließen. Im Modell für die Schätzung wird das Streuszenarium für Schneefall geändert. Statt der 10 g/m² je Zentimeter Neuschnee werden nur 7,5 g/m² als mittlere Streudichte angenommen. Diese gilt für alle Überfahrten außer für die vorbeugende Streuung und die letzte Fahrt nach Ende eines Schneefalls.

Für den schneereichen Winter 2009/10 hätten nach diesem Ansatz bei einer vollständigen Umsetzung rund 45.000 t Salz eingespart werden können. Mit der Einsparung hätten ein zusätzlicher Spitzentag oder zwei Durchschnittstage abgedeckt werden können. Außer der Schulung der Mitarbeiter wären aber keine weiteren Investitionen notwendig.

Tabelle 4: Schätzung der Einsparung von Tausalz durch verringertes Streuen bei fallendem Schneefall für den Winter 2009/2010

4 Zusammenfassung und Ausblick

Erste Anwendungen des Modells zeigen eine unterschiedliche Übereinstimmung zwischen Schätzungen des Modells und gemeldeten Verbräuchen. Je höher der Verbrauch desto geringer ist die Differenz zwischen beiden Werten. Differenzen von 40 % sind unbefriedigend. Deshalb sind die Ansätze zu überarbeiten. Weitere Differenzierungen sind noch möglich.

Für eine genaue Schätzung sind genaue Ausgangsgrößen erforderlich. Die Klimadaten werden zwar als recht genau angesehen, allerdings lassen sie aufgrund der fehlenden zeitlichen Dichte (nur ein Wert pro Tag) eine genaue Bewertung eines Glätteverlaufes nicht zu. Die rund 500 Messpunkte werden für genaue kleinräumige Bewertungen als nicht ausreichend angesehen. Eine wesentliche Weiterentwicklung des Modells wird in der Nutzung von Glättemeldeanlagen gesehen. Sie gibt es in einer größeren Anzahl. Sie liefern alle 15 Minuten Daten. Mit ihnen wird sich eine genauere nachträgliche Abbildung des Wetters und Fahrbahnzustands erhofft, als dies gegenwärtig mit den Klimadaten erfolgen kann. Die Verfügbarkeit der Daten müsste allerdings verbessert werden. Weiterhin ist deren Genauigkeit zu prüfen.

Auch die Angabe der Flächen ist entscheidend für die Schätzungen. Für die Berechnungen zu den Bundesautobahnen sollen zukünftig die Flächendaten aus der Datenbank „bisstra“ einfließen.

Die Bundesanstalt für Straßenwesen entwickelt derzeit ein Softwaretool, dass die Berechnung verschiedener Szenarien zulassen soll. Es soll vor allem die bisher sehr aufwendig vorgenommenen Berechnungen der Tagesverbräuche wesentlich vereinfachen. Des Weiteren soll das Berechnen von kleineren Flächeneinheiten einfacher vonstattengehen.

Neben den rückwirkenden Bewertungen ist auch eine voraussehende Verbrauchsabschätzung geplant. Sie kann bei möglichem Tausalzmangel für den Beginn von einzuleitenden Notfallmaßnahmen oder der besseren Disposition von Transportkapazitäten von vorhandenen Salzlagern zu den Meistereien von Interesse sein.