Keywords: Bremsbeläge, Emissionen, PM_2,5 , ultrafeine Partikel, non-exhaust emissions

Partikel aus Bremsanlagen bei Kraftfahrzeugen wurden in den vergangenen Jahren in wissenschaftlichen Untersuchungen als Quelle für PM₁₀ Emissionen nachgewiesen. Dabei wird der Abrieb aus Bremsanlagen oft im Zusammenhang mit weiteren verkehrsbedingten Emissionen, wie Fahrbahnabrieb von Straßen, Reifen- und Kupplungsabrieb genannt. Der Beitrag dieser Emissionsquellen und speziell der aus Bremsanlagen wird von offiziellen Stellen als relevant eingestuft. Dies liegt im Wesentlichen an folgenden Gründen:

· Emissionen aus Bremsanlagen sind einatembar und haben auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein gesundheitliches Gefährdungspotenzial.

· Die Emissionen treten in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte auf, da innerstädtischer Kfz-Individualverkehr und öffentlicher Verkehr stark mit der Abnutzung von Bremsen verbunden ist.

· Der Beitrag der PM₁₀-Emissionen aus Bremsanlagen nimmt mittelfristig zu, da die Anzahl an Kraftfahrzeugen zunimmt und Maßnahmen zur Minderung bei anderen Emissionsquellen, speziell bei Partikeln aus dem Abgas, wie Dieselpartikelfilter (DPF), greifen.

· Die Entwicklung und Umsetzung technischer Verbesserungen zur Verringerung der Emissionen aus Bremsanlagen ist technisch anspruchsvoll und mit Kosten verbunden und müssten gegen Lobbyinteressen und individuelles Nutzerverhalten durchgesetzt werden. Diese Emissionsquelle wird daher mittelfristig relevant bleiben.

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Einführung

Partikel aus Bremsanlagen bei Kraftfahrzeugen wurden in den vergangenen Jahren in wissenschaftlichen Untersuchungen als Quelle für PM₁₀ Emissionen nachgewiesen. Dabei wird der Abrieb aus Bremsanlagen oft im Zusammenhang mit weiteren verkehrsbedingten Emissionen, wie Fahrbahnabrieb von Straßen, Reifen- und Kupplungsabrieb genannt. Der Beitrag dieser Emissionsquellen und speziell der aus Bremsanlagen wird von offiziellen Stellen als relevant eingestuft. Dies liegt im Wesentlichen an folgenden Gründen:

· Emissionen aus Bremsanlagen sind einatembar und haben auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein gesundheitliches Gefährdungspotenzial.

· Die Emissionen treten in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte auf, da innerstädtischer Kfz-Individualverkehr und öffentlicher Verkehr stark mit der Abnutzung von Bremsen verbunden ist.

· Der Beitrag der PM₁₀-Emissionen aus Bremsanlagen nimmt mittelfristig zu, da die Anzahl an Kraftfahrzeugen zunimmt und Maßnahmen zur Minderung bei anderen Emissionsquellen, speziell bei Partikeln aus dem Abgas, wie Dieselpartikelfilter (DPF), greifen.

· Die Entwicklung und Umsetzung technischer Verbesserungen zur Verringerung der Emissionen aus Bremsanlagen ist technisch anspruchsvoll und mit Kosten verbunden und müssten gegen Lobbyinteressen und individuelles Nutzerverhalten durchgesetzt werden. Diese Emissionsquelle wird daher mittelfristig relevant bleiben.

Zu den vier genannten Punkten seien beispielhaft folgende Nachweise genannt bzw. zitiert:

Europäische Kommission (2014), Seite 4 “In städtischen Lagen verursacht Bremsabrieb 16 bis 55 % der Masse des verkehrsbedingten PM₁₀ Feinstaubs, der nicht von Abgasen verursacht wird. Auf Autobahnen ist der Beitrag bezogen auf die Masse mit nur ca. 3 % signifikant niedriger, was daran liegt, dass hier weniger oft gebremst wird.“

Amato et al. (2014), Seite 32: “Partikelmasse, -größe und (oberflächen)-chemie beeinflussen die Toxizität des Feinstaubs. Einer der biologischen Wirkmechanismen ist oxidativer Stress, der oft im Zusammenhang mit dem Eintrag von Metallen und/oder redox-aktiven organischen Substanzen steht, wie z.B. Chinon. Bremsen- und Reifenabriebpartikel haben ein erhöhtes oxidatives Potenzial als Partikel aus anderen verkehrsbedingten Quellen und sie wirken lokal sehr begrenzt (50 – 100 m vom Entstehungsort), was das Auftreten erhöhter Werte von Oxidantien im PM (pro µg/m³ Feinstaub) an Straßen belegt, im Vergleich zu PM im städtischen Hintergrund. Gasser et al (2008) weisen Schäden durch Oxidativen Stress und Entzündungsreaktionen an inkubierten Lungenzellen durch die Exposition mit Bremsabriebpartikeln nach.“

Kuhlbusch et al. (2004), Seite 36: “Eine weitere Erkenntnis dieser und weiterer Studien [2, 3] ist die Tatsache, dass unter den in Berlin herrschenden Bedingungen etwa 60% der lokal durch den Verkehr erzeugten PM₁₀-Belastung nicht aus dem Auspuff stammt, sondern durch Aufwirbelung von Straßenstaub, Abrieb von Reifen, Fahrbahnoberfläche und Bremsen erzeugt wird.“, UBA (2009), Seite 10: “Die Hälfte der verkehrsbedingten Staubemissionen stammt jedoch nicht aus dem Motor, sondern aus Abrieb der Reifen und Bremsen.“. UBA (2009) Seite 4: “In Ballungsgebieten ist vor allem der Straßenverkehr, darunter überproportional die schweren Nutzfahrzeuge (Lkw und Busse), für Partikelemissionen bedeutsam. Dabei gelangt Feinstaub erstens aus Motoren – vorrangig aus Dieselmotoren – in die Luft, zweitens als Bremsen- und Reifenabrieb und drittens als aufgewirbelter Staub von Straßenoberflächen.“

Pregger und Friedrich (2003), Seite 53, Tabelle3-1, prognostizierten für eben diese drei Feinstaubquellen in Baden-Württemberg eine Zunahme wischen 15 bis 17 %, bis zum Jahr 2010, wohingegen alle anderen Emissionen rückläufig sein sollen.

Tab. 1: Projektion für die kommenden sieben Jahre für PM₁₀ und PM_2,5-Emissionen in Baden-Württemberg für das Jahr 2010. Vergleichsjahr 1998, aus Pregger und Friedrich 2003

Zu einem vergleichbaren Schluss kommt auch Bergmann (2008) Seite 84-85: “Die mit Einführung von EU-5 einhergehende drastische Verschärfung der Partikelgrenzwerte wird zur zunehmenden Verbreitung der DPF-Technologie führen. Dadurch wird, wie bereits dargestellt, der Anteil der motorisch bedingten Partikel deutlich abnehmen. Dies führt einerseits zu einer Reduzierung der insgesamt emittierten Partikelmasse. Andererseits wird dadurch der PM-Massebeitrag aus Resuspension und Abriebprozessen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Insbesondere im Hinblick auf die derzeitige PM₁₀ Problematik könnte somit diese Partikelfraktion einen Ansatzpunkt für Minderungsmaßnahmen bilden.“

Abb. 1: Zusammensetzung der PM₁₀-Emissionen von Diesel-Pkw für Euro IV und frühere Abgasnormen (links) im Vergleich zur Euro 5 Norm (rechts), aus Bergmann 2008.

Materialien für Bremsbeläge und Bremsscheiben, ein Überblick

Bremsbeläge werden in drei Typen unterteilt, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung deutlich unterscheiden (Chan und Stachowiak, 2004).

Tab. 2 Bremsbelags-Typen und deren Hauptinhaltsstoffe

Typ

Hauptbestandteile                                                                             

Metallisch
überwiegend metallisch, Stahlfasern, Kupferfasern, etc.

Halbmetallisch
Mischung aus Metallen und organischen Bindern

Asbestfrei (non-asbestos organic NOA)
Überwiegend organisch, Mineralfasern, Gummi, Graphit, etc.

Generell kann man fünf Komponenten für Bremsbeläge unterscheiden (Chan und Stachowiak, 2004):

· Fasern — sorgen für mechanische Stabilität. Typische Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kohlenstoff, Glasfasern oder Kevlar, seltener sind Mineralfasern oder keramische Fasern. Fasern machen 6 bis 35 % der Masse der Bremsbeläge aus.

· Schleifmittel — erhöhen Reibung auf der Bremsscheibe, sorgen für Sauberkeit der Kontaktflächen der Bremsscheibe. Sie machen bis zu 10% der Bremsbeläge aus. Zahlreiche Materialien kommen zum Einsatz: Aluminiumoxid, Eisen, Eisenoxide, Quarz (Siliziumoxid), Zirkonium, Zirkonium-Silikat.

· Gleitmittel — 5 bis 29 % der Bremsbeläge. Sie unterstützen die Reibungseigenschaften speziell bei hohen Temperaturen der Bremsscheibe. Gebräuchliche Stoffe sind Graphit verschiedene Metall-Sulfate, z.B. Antimon-Trisulfid (Sb₂S₃).

· Füllstoffe — Materialien, wie Baryt (BaSO₄), Calcit (CaCO₃) und Glimmer, die zugegeben werden, um die Herstellungskosten zu verringern und die Verarbeitung zu erleichtern. Je nach Qualität der Bremsbeläge variiert der Anteil an Füllstoffen von 15 bis 70 %.

· Binder — sehr wichtig für die Lebensdauer auch unter hoher mechanischer und thermischer Belastung. Anteil und Qualität der Binder wird vor allem durch die gewünschte Leistungsfähigkeit bedingt und macht zwischen 20 bis 40 % des Bremsbelages aus. Kunstharze auf Phenolbasis sind weitverbreitet aber auch COPNA Kunstharze (condensed polynuclear aromatic), Cyanat- oder Expoxy-Kunstharze, silikonmodifizierte Kunstharze, und thermoplastische Polyimide Kunstharze.

Eine ausführliche Beschreibung der Komponenten und speziell der Binder enthält Chan und Stachowiak, 2004.

Je nach Einsatzgebiet werden die Eigenschaften der Bremsbeläge, wie Verschleiß, Ansprechverhalten Temperaturbeständigkeit, Herstellungskosten durch die Zusammensetzung der Komponenten variiert bzw. optimiert.

Abb. 2: Bremsbeläge für unterschiedliche Anwendungen (oben Motorrad, unten Zug), Aussehen und Zusammensetzung (elektronenmikroskopischer Aufnahme mit energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse) aus Chan und Stachowiak, 2004.

Abbildung 2 stellt exemplarisch zwei Bremsbelagstypen für unterschiedliche Anwendungen dar. Einmal für leichte Motorräder mit mäßiger Reibung (weiche Messingfasern). Die andere für schwere Züge und Triebwagen mit extrem hoher Reibung (harte Zirkonium-Silikat-Partikel und Stahlfasern).

Bremsscheiben sollten auf die verwendeten Bremsbeläge abgestimmt sein. Hier kommen Grauguss, verschiedene Verbundwerkstoffe und im oberen Preis- und Leistungssegment vermehrt keramische Materialen und faserverstärkte Spezialkeramiken zum Einsatz.

Chemische Charakterisierung partikulärer Emissionen von Bremsanlagen bei Kraftfahrzeugen

In den älteren Werken, die Ende der 90er veröffentlicht wurden, schreiben Heinrichs & Brumsack 1997, dass Bremsabrieb neben Antimon hauptsächlich aus Schwermetallen (u.a. Eisen, Chrom, Mangan) besteht, deren Zusammensetzung stark vom jeweiligen Hersteller abhängt. Etwa 10 % des entstandenen Staubes verbleibt in der Bremsanlage, während der Hauptteil auf der Fahrbahndecke liegen bleibt. Rauterberg-Wulff 1998 schätzt ab, dass nur 3,2 % des Bremsabriebes in die Atmosphäre gelangen.

Sanders et al (2003) untersuchten in ihrer Arbeit die in Tabelle 2 genannten drei Bremsbelag-Typen und nennen Eisen, Kupfer und Barium als Haupt-Tracer sowohl bei Messungen unter Laborbedingungen am Bremsenprüfstand, als auch unter Freilandbedingungen bei Testfahrten. Bei den asbestfreien Bremsbelägen ist der Eisengehalt allerdings deutlich geringer.

Nach Düring et al (2004), Seite 22 ff setzen sich Bremsbeläge überwiegend aus anorganischem Material mit erheblichen Anteilen von Kupfer, Nickel, Chrom und Blei zusammen. Zieht man Elementuntersuchungen von Stechmann (1993) heran, so enthalten nicht asbesthaltige Bremsbeläge auch nicht vernachlässigbare Elementgehalte für Eisen und Zink. Dies steht allerdings im Widerspruch zu den aktuelleren Untersuchungen von Sanders et al (2003). Düring et al führen weiter aus, dass neben den erwähnten Substanzen im Bremsstaub noch Eisen aus Abrieb der Bremsscheiben bzw. Bremstrommeln enthalten ist. In mehreren Messungen ist Antimon (Sb) nachgewiesen und als idealer Tracer für die Bremsabriebe verwendet worden, da Antimon-Immissionen weitgehend nur durch Bremsvorgänge entstehen und der Anteil Antimon an Bremsbelägen mit 2 % gut bekannt ist (Rauterberg-Wulff, 1998).

Boulter (2006), Seite 24 ff, stellt die Elementanalyse von Bremsscheiben von Autos und Lastwägen der Elementanalyse der freigesetzten Partikel gegenüber. Auch hier finden sich im Staub die oben genannten typischen Metalle wieder (Cu, Cr, Ni, Pb, Zn, Sb) aber auch Mangan, Titan, Quecksilber, Barium, Aluminium und andere mehr.

Thrope und Harrison (2008) nennen Cu und Sb als Tracer für Bremsen, verweisen aber auch auf die extremen Unterschiede in der Zusammensetzung der Bremsbeläge, je nach Hersteller und Typ. So zeigt eine Untersuchung der Elementzusammensetzung von 12 handelsüblichen Bremsbelägen in Neuseeland Unterschiede im Eisengehalt von 1 % bis 60 % (Kennedy und Gadd, 2003). Bei Kupfer zwischen 11 mg/kg und 25 % der Gesamtmasse.

Zu vergleichbaren Ergebnissen kommen spätere Arbeiten von Wahlström 2011, Kukutschová et al. 2011 und Grigoratos und Martini 2015. Erwähnenswert sind die aufwendigen Einzelpartikelanalysen z.B. von Wahlström 2011, bei welchen Größe, Form und chemische Zusammensetzung der Partikel mittels analytischer Elektronenmikroskopie mit Röntgenfluoreszenzanalyse bestimmt wurden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass beim Bremsvorgang Partikel über mehrere Größenordnungen freigesetzt werden und auch ultrafeine Partikel kleiner 100 nm.

Abb. 3: Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Bremsabriebpartikeln gesammelt unter Labortestbedingungen.

Links: 5000× Vergrößerung (A): Coarse-Partikel mit Cu und Fe. (B): Fein-Partikel mit Cu und Fe. (C): Coarse-Partikel mit Sn und S. (D): Coarse-Partikel mit Fe, Si, und Al.

Rechts: 99000× Vergrößerung (A): koaguliertes Fein-Partikel, (B): Ultrafeine Partikel kleiner 100 nm, aus Wahlström, 2011.

Die Arbeitsgruppe um Varrica et al. (2013) widmet ein komplettes Paper ausschließlich dem Vorkommen von Antimon in Aerosolopartikeln bzw. Feinstaub und Bremsbelägen bzw. Partikelemissionen aus Bremsen als Quellen.

Tab. 3 Zusammenfassung von Metall-Konzentrationen in Bremsbelägen und emittiertem Bremsabrieb auf Grundlage von sechs Veröffentlichungen aus Thrope und Harrison, 2008

Neben den reinen Metallen finden sich nach Boulter (2006), Seite 26, Tabelle 4.2, auch zahlreiche organische und metall-organische Verbindungen im Bremsstaub. Er listet 87 Substanzen auf aus der Gruppe der Alkane, organischen Säuren, PAHs, polycyclischen Aromaten, Benzaldehyde, pentacyclischenTriterpene, steroid-ähnliche Sterane und andere. Diese organischen Verbindungen werden beim Herstellungsprozess verwendet und sind bei Faserstoffen, Bindern und Füllmaterialien enthalten. Ähnliche Ergebnisse speziell zu organometallischen Verbindungen aus Bremsbelägen liefern Rogge et al. bereits 1993 mittels GC-MS Analysen.

Auch wenn die Zusammensetzung der Bremsbeläge sehr unterschiedlich sein kann, können an Hand der Tracerelemente belastbare Daten für den Beitrag von Bremsabrieb (wie auch für Reifen-, Kupplungs- und Fahrbahnabrieb) an den PM10-Emissionen von Straßen abgeleitet werden. Eine ausführliche Beschreibung der Methode enthält z.B. Lohmeyer und Düring, (2001). Quass et al. (2008) ermittelten mittels multivariater Faktoranalyse Emissionsfaktoren für eine definierte Verkehrssituation an frei angeströmten Autobahnen. Typische Tracer für Bremsabrieb sind Sb, Ba, Fe und Cu. Diese Tracer unterscheiden sich von anderen Quellen, wie z.B. Reifenabrieb (Zn, Mo, EC elementater Kohlenstoff) und Aufwirbelung/ Straßenabrieb (Al, Ca, Fe, EC). Der Emissionsfaktor des Bremsabriebs ist mit weniger als 0,8 mg/kmv (pro Kilometer und Vehikel) im Vergleich zu den Emissionsfaktoren anderer Quellen relativ gering. Einschränkend weisen die Autoren explizit darauf hin, dass durch die verhältnismäßig geringe Zahl der für den statistischen Eingangsdatensatz analysierten Filter und durch die Auswahlkriterien die Emissionsfaktoren weder repräsentativ für ein Kalenderjahr seien, noch für alle Verkehrssituationen auf Autobahnen angesehen werden können.

Tab. 4: Chronologische Zusammenstellung gebräuchlicher Tracer-Elemente zur Bestimmung von Emissionsfaktoren aus Bremsabrieb aus Grigoratos und Martini (2015)

Grigoratos und Martini (2015) stellen in Ihrer Arbeit die chemischen Tracer zur Berechnung von Emissionsfaktoren für Bremsabrieb zusammen (Tabelle 4). Sie führen 18 Publikationen aus den Jahren 2002 bis 2013 auf. In 16 Arbeiten wird Kupfer (Cu) als Tracer verwendet, 13 mal Antimon (Sb), acht mal Eisen (Fe) und sieben mal Barium (Ba). Es zeigt sich auch, dass in neueren Arbeiten zudem Blei (Pb) als Tracer verwendet wird. Die Auswahl der Tracerelemente ist aber, wie auch bei Quass et al 2008 beschrieben von der Anzahl und Qualität der chemischen Analysen abhängig. Laut Europäischer Kommission, 2014 liegen die ermittelten Emissionsfaktoren für den Beitrag von Bremsabrieb am Feinstaub

PM₁₀ für verschiedene Versuchs- und Berechnungsmodelle bei Werten zwischen 2,0 und 8,8 mg pro km und Fahrzeug (für Reifenabrieb bei 3,5 bis 9,0 mg pro km und Fahrzeug), bezogen auf Pkws, englisch low duty vehicles (LDV). Der überwiegende Teil der hierfür ausgewerteten Studien nennt Werte von 6 bis 7 mg pro km und Fahrzeug für beide Quellen, was praktisch dem Emissionsfaktor eines modernen (Euro 5/6) Diesel-Pkws entspricht.

Schauer et al. (2006) haben im health effect report 133, Seite 3, die Komplexität bezüglich des Abriebs von Bremsen treffend zusammengefasst: “Die Zusammensetzung des Bremsabriebs und des wieder abgewirbelten Straßenstaubs unterscheidet sich von Region zu Region, und ist abhängig von Fahrzeugtyp, Ausstattung, Fahrverhalten, Klima, Geologie und weiteren Faktoren.“

Physikalische Charakterisierung partikulärer Emissionen von Bremsanlagen bei Kraftfahrzeugen

In der Literatur lassen sich drei Gruppen von Arbeiten unterscheiden, wenn es um die Charakterisierung von Bremsabrieb geht. Zum einen sind das die Arbeiten, die Versuche am Bremsenprüfstand im Labor durchführen (z.B. Garg et al. 2000, Sanders et al. 2003, Mosleh et al. 2004, Iijima et al. 2007, Gasser et al. 2009, Wahlström et al. 2010a, Kukutschová et al. 2011), solche, die Feinstaubproben sammeln und anschließend auf für Bremsabrieb typische Tracerelemente analysieren (z.B. Rauterberg-Wulff 1998, Quass et al. 2008, Harrison et al. 2012) und als drittes die, die unter realen Bedingungen direkt während des Fahrens mit mobilen Messgeräten Bremsabriebpartikel sammeln und oder analysieren (z.B. Bergmann 2008, Wahlström et al 2010b, Kwak et al. 2013).

Bei Quass et al. (2008), Seite 8ff findet sich eine umfassende Beschreibung der physikalischen Eigenschaften der Partikel aus Bremsenabrieb: “Hinsichtlich der Partikelgrößen kann davon ausgegangen werden, dass ein Großteil des Bremsabriebs zur PM₁₀-Fraktion gehört (88 bis 98 % der insgesamt emittierten Partikel (Luhana et al., 2004 und darin zitierte Literatur). Die Anteile mit einem aerodynamischen Durchmesser d_ae unter 2,5 µm bzw. 1 µm werden in verschiedenen Studien sehr unterschiedlich mit 5 bis 60 % bzw. 10 bis > 33 % angegeben. Neuere Untersuchungen (Iljima et al., 2007) zeigen, dass die Anzahlkonzentration von Bremsabriebpartikeln bei ca. 1 bis 2 µm maximal wird, was mit einer massenbezogenen Maximalkonzentration zwischen 3 µm und 6 µm korrespondiert. Auch deutliche Anteile ultrafeiner Partikel (< 0,1 µm) wurden berichtet. Hierfür sind möglicherweise Verdampfungs- und Kondensationsprozesse aufgrund der in Bremsen auftretenden hohen Temperaturen verantwortlich (Garg et al., 2000). Ein beträchtlicher, aber schwer zu quantifizierender Teil der abgeriebenen Partikel gelangt nicht in den luftgetragenen Zustand, sondern verbleibt im Inneren der Bremse bzw. scheidet sich an Fahrzeug-Bauteilen ab. Auf diese Weise gebildete Agglomerate können schließlich auf der Straße deponiert werden und so zum Bestandteil des durch Aufwirbelung freigesetzten Feinstaubes werden.“

Tabelle 5 gibt einen Überblick über die wichtigsten Literaturstudien, die sich mit der Massenverteilung des Bremsabriebs befassen.

Tab. 5: Übersicht wichtiger Studien, die die Massenverteilung von Bremsabrieb behandeln, aus Europäische Kommission (2015), Grigoratos und Martini (2015) und Wahlström 2011.

Schauer et al. (2006) stellen für mehrere Metalle, die aus nicht Abgasspezifischen Verkehrsemissionen stammen größenaufgelöste Emissionsraten / Massenverteilungen zusammen. In Abbildung 4 exemplarisch dargestellt für die beiden Metalle Kupfer (Cu) und Antimon(Sb).

Massenverteilung und Modaldurchmesser in Abbildung 4 stimmen gut mit den Werten in der Spalte „Massenverteilung“ in Tabelle 5 überein.

Abb. 4:Größenaufgelöste Metallkonzentrationen für Kupfer (Cu) und Antimon (Sb), gesammelt mit 11-stufigem MOUDI-Impaktor und analysiert mit ICP-MS, aus Schauer et al, 2006.

Ein gänzlich anderes aber ebenso interessantes Bild ergibt sich, wenn man nicht ausschließlich massebezogene Verfahren (MOUDI, Berner, DustTrak), sondern zählende Verfahren zur physikalischen Charakterisierung des Bremsabriebs verwendet (OPC, ELPI, SMPS, APS). Mehrere Autoren z.B. Sanders et al (2003), Bergmann (2008) oder Wahlström (2011) tun dies und stellen neben der Massenverteilung auch Anzahlverteilungen dar.

Abb. 5: Anzahl (links) und Massenverteilung (rechts) 0,5 bis 9 µm für drei Bremsbelagstypen (metallarm, halbmetallisch und asbestfrei) gemessen mit ELPI (elektrischer Niederdruck-impaktor), aus Sanders et al, 2003.

Analog zu Tabelle 5 gibt es in der aktuellen Veröffentlichung der Europäischen Kommission (2015) auch eine Zusammenstellung von Studien, die auf die Anzahlgrößenverteilung von Bremsabriebpartikeln eingehen.

Tab. 6: Übersicht wichtiger Studien, die die Anzahlverteilung von Bremsabrieb behandeln, aus Europäische Kommission (2015)

Der Einsatz von zählenden Verfahren ermöglicht oftmals neben der Bestimmung der Anzahlverteilung Aussagen zum Einfluss unterschiedlicher Versuchsbedingungen, die schnell oder zeitlich begrenzt auftreten und daher eine hohe Zeitauflösung des Messgerätes voraussetzen.

Bereits Garg et al. (2000) vermuteten bei ihren Prüfstandmessungen, dass die maximale Anzahlkonzentration unterhalb von 30 nm läge, der unteren Nachweisgrenze für die mit dem ELPI messbare Anzahlverteilung. Diese Vermutung wurde von Mathissen et al. (2011) bei Freilandmessungen mit dem Motorenabgas Partikelspektrometer (EEPS) bestätigt, wobei ein hohes Potenzial bei der Bildung ultrafeiner Partikel beobachtet werden konnte. Bei Vollbremsungen mit 100 km/h wurden bimodale Anzahlverteilungen gemessen mit einem Nukleation-Mode bei 10 nm und einem zweiten Mode bei 30 bis 50 nm. Bei Vollbremsungen aus geringeren Geschwindigkeiten (30 km/h) findet sich keine Nukleation-Mode und die einmodale Verteilung ist leicht zu größeren Durchmessern hin bei 70 bis 90 nm verschoben. Kukutschová et al. (2011) verwendeten für ihre Prüfstandmessungen eine Kombination aus SMPS und APS. Dabei stellten sie fest, dass bei niedrigen Temperaturen der Bremsscheiben die Freisetzung kleiner Partikel (<500 nm) vernachlässigbar war. Bei höheren Temperaturen (bis 340°C) steigt die Emission von ultrafeinen Partikeln unter 100 nm signifikant. Als Ursache für die ultrafeinen Partikelemissionen vermuteten die Autoren auf Grund der Form der Verteilung und der zeitlichen Veränderung weniger Verdampfungs- und Kondensationseffekte primärer Partikel und deren Agglomeration, sondern den direkten Abrieb von Primärpartikeln.

Wahlstrom et al. (2010a) stellten ebenfalls das Maximum der Anzahlverteilung sowohl bei metallarmen als auch bei asbestfreien Bremsbelägen bei ca. 100 nm fest. Riediker et al. (2008) untersuchten sechs verschiedene Pkws und fanden jeweils bimodale Anzahlverteilungen mit Maxima bei 80 nm und einem weiteren bei 200 bis 400 nm. Auch hier lieferten Bremsungen bzw. Vollbremsungen aus höheren Geschwindigkeiten deutlich erhöhte Partikelkonzentrationen.

Bei einigen Autoren liegen die Maximalpeaks auch oberhalb der ultrafeinen Partikel bei ca. 300 nm, z.B. Wahlström et al. (2010) oder Molesh et al. (2004). Dies hängt auch damit zusammen, dass optische Verfahren nach dem Prinzip der Streulichtdetektion an Einzelpartikeln Partikel erst oberhalb von ca. 200 nm nachweisen können. Bei Einsatz der optischen Verfahren wurde mehrmals auch ein weiteren Peak bei größeren Partikeldurchmessern beobachtet (~2.0 μm). Die kleineren Partikel stammen von der Graugussbremsscheibe, wohingegen die gröberen Partikel vom Abrieb der Bremsbeläge herrühren. Wahlström et al. (2010a) zeigt mit dem Einsatz des optischen Partikelzählers, dass unterschiedliche Bremsbelagstypen auf identischen Bremsscheiben zu messbar unterschiedlichen Emissionen führen.

Bei anderen Messgeräten findet sich der erste Peak der Anzahlverteilung auch erst bei ca. 1,0 µm, z.B. Sanders et al. (2003) mit ELPI oder Iijima et al. (2007) mit APS. Auch hier spielen die Spezifikationen der Messgeräte (Nachweisgrenze, Empfindlichkeit, isokinetische Probenahme) eine Rolle.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ca. 90% der Anzahlkonzentration von Emissionen aus Bremsabrieb in der feinen Fraktion des Feinstaubs liegt und die Verteilung meist bimodal ist.

Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele

Die frühen grundlegenden Arbeiten, z.B. Rauterberg-Wulff (1998) lieferten erste Erkenntnisse zur Freisetzung von Bremsenabriebpartikeln deren physikalischen (Größenverteilung) und chemischen (Elementzusammensetzung) Eigenschaften. Die so gewonnenen Erkenntnisse konnten erfolgreich in Freilanduntersuchungen zur Quellenzuordnung von Verkehrsemissionen und zur Bestimmung von Emissionsfaktoren angewandt werden.

Seit dieser Zeit sind zalhreiche Artikel und reviews zum Thema “non-exhaust emissions” erschienen also Emissionen, die nicht dem Verbrennungsprozess des Motors zugeordnet werden, wie Abrieb von Reifen, Kupplung, Bremsen, Asphalt und Wiederaufwirbelung. Pand und Harison (2013) fassen in ihrem Artikel mehrere umfangreiche Review-Artikel mit Freilanduntersuchungen zum Thema “non-exhaust emissions“ zusammen. Diese behandeln die physikalischen Eigenschaften dieser Partikel (Thorpe und Harrison, 2008), toxikologische Effekte - allerdings nur von Reifenabrieb (Wik und Dave, 2009), chemische Zusammensetzung von Bremsklötzen (Chan und Stachowiak, 2004), Berechnung von Emissionsfaktoren (Franco et al., 2013) und Nanopartikelemissionen von non-exhaust Quellen (Kumar et. al., 2013). Zwar stehen in diesen Werken die Emissionen von Bremsen nicht im Mittelpunkt. Die Arbeiten vermitteln aber einen umfassenden Zusammenhang der Thematik.

Mittlerweile gibt es zahlreiche Arbeiten, die sich ausschließlich mit Emissionen von Bremsen befassen.

Auch Hersteller wie EBC BRAKES, nehmen sich der Thematik an und versprechen bremsstaubreduzierte Bremsbeläge. Diese Produkte haben aber meist eine verbesserte Ästhetik für den Autobesitzer, heißt weniger unschöne Schmutzablagerungen am eigenen Auto, zum Ziel, als einen gesundheitlichen oder umweltpolitischen Aspekt. Bei solchen Offerten wird ein Stoff in den Bremsbelägen verwendet, welcher durch die entstehende Hitze beim Bremsen verkohlt und in so kleine Partikel zerfällt, dass diese sich gar nicht erst auf anderen Materialien festsetzen. Nach dem Motto, was man nicht sieht, ist auch nicht da.

Die Studie der Europäischen Kommission (2014) und die erweiterte Arbeit von Grigoratos und Martini (2015) enthalten zu Emissionen aus Bremsenabrieb (und Reifenabrieb) umfangreiche Quellenangaben und Aussagen zu Emissionsfaktoren, chemischer Zusammensetzung, Gefährdungspotenzial, Ergebnisse aus Tier- bzw. in-vitro-Studien mit Abriebspartikeln und konkrete Hinweise zu offenen Punkten und Handlungsbedarf.

So wurde konkret in einem jüngst abgeschlossenen Projekt ein Bremsenprüfstand überarbeitet, bzw. neu entwickelt. Dieser ermöglicht nun online-Messungen der gesamten Emissionen und stellt durch partikelfreie Zuluft und Überdruckkabinen sicher, dass nur Emissionen der Bremsen gemessen werden. Als Messparameter wird die Anzahlgrößenverteilung erfasst. Mit dieser Maßnahme werden belastbare und vergleichbare Emissionswerte für zukünftige Bremsen und Bremssysteme sichergestellt.

Weitere Hinweise und Informationen finden sich unter: http://www.rebrake-project.eu/Pages/home.aspx

In Europa und USA liefen in den vergangenen Monaten zahlreiche begleitende Untersuchungen und Aktivitäten z.B. Brembo in Italien, Bremsenhersteller Federal Mogul, Automobilzulieferer Bertrant, Firma Link (USA), bzw. Link Europe in Limburg sowie Tests von Automobilherstellern zusammen mit dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. (IUTA) in Duisburg. Einige der Untersuchungen sind im Rahmen öffentlich finanzierter Forschungsprojekte andere sind Industrieprojekte mit eingeschränktem Zugang zu den Ergebnissen.

Laut Europäischer Kommission (2014) besteht bei folgenden Punkten Handlungsbedarf bzw. sind die derzeitigen Lösungen unbefriedigend:

· Fehlende wirksame Regulierungen bezüglich Emissionen aus Bremsanlagen

· Zukünftige Regularien und standardisierte Testverfahren und Test-Cyclen sowie Partikel-Messgeräte, die für solche Tests geeignet sind

· Verlässliche Testergebnisse mit hoher Sammel-, bzw. Nachweiseffizienz

Es werden daher mit Sicherheit weitere Aktivitäten und Projekte im Bereich Emissionen aus Bremsanlagen stattfinden, um gemeinsame Lösungen und Verbesserungen zu erarbeiten.

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