Die Verbesserung der Luftqualität durch Maßnahmen des Verkehrsmanagements bekommt weltweit eine immer höhere Bedeutung. An der Thematik wird daher international an zahlreichen Institutionen geforscht. Eine Vielzahl von Studien beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen dem Straßenverkehr und resultierenden gesundheitlichen Beeinträchtigungen¹⁾. Die WHO verfolgt das Thema mit einer zentralen Strategie zur Unterstützung der Realisierung nachhaltiger Verkehrskonzepte.

1) WHO-World Health Organization; Review of Evidence on Health Aspects of Air Pollution – REVIHAAP Project: Final Technical Report. The WHO European Centre of Environment and Health, Bonn (2013)

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Problemstellung

Die Verbesserung der Luftqualität durch Maßnahmen des Verkehrsmanagements bekommt weltweit eine immer höhere Bedeutung. An der Thematik wird daher international an zahlreichen Institutionen geforscht. Eine Vielzahl von Studien beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen dem Straßenverkehr und resultierenden gesundheitlichen Beeinträchtigungen¹⁾. Die WHO verfolgt das Thema mit einer zentralen Strategie zur Unterstützung der Realisierung nachhaltiger Verkehrskonzepte.

¹⁾ WHO-World Health Organization; Review of Evidence on Health Aspects of Air Pollution – REVIHAAP Project: Final Technical Report. The WHO European Centre of Environment and Health, Bonn (2013) 

Da die Zusammenhänge zwischen Verkehrsstärke, Verkehrsablauf, resultierenden Emissionen, Klima und Immissionen sehr komplex sind, besteht ein großer Bedarf an Verfahren und Modellen, die eine Wirkungsabschätzung unterschiedlicher Maßnahmen und Maßnahmenpakete ermöglichen. Langzeit-Schätzungen der NO_x-Konzentrationen können mittlerweile für ganze Ballungsräume mit einer hohen Genauigkeit berechnet werden, wobei der Messaufwand sehr hoch ist ²⁾. Eine Analyse unterschiedlicher Verfahrensansätze zeigt, dass der Verkehr fast ausnahmslos nur über Verkehrsstärke und Schwerverkehrsanteil abgebildet wird.³⁾ Die Effekte des Fahrverhaltens, insbesondere das Beschleunigungsverhalten werden in den meisten Modellen nicht berücksichtigt, zumal aussagekräftige kleinräumige Daten in der Regel nicht zur Verfügung stehen. Für die Abschätzung der kleinräumigen Wirkung von verkehrssteuernden Maßnahmen in einem Straßencanyon gibt es derzeit noch keine ausreichenden Erkenntnisse, die alle Randbedingungen umfassend erfassen. Insbesondere für die Frage, in welchem Maß eine Reduzierung der Verkehrsmenge oder die Verflüssigung des Verkehrs anzustreben ist, fehlen noch ausreichende Erfahrungen, Messungen und Wirkungsermittlungen.

Seit Jahren können zahlreiche deutsche Städte die Grenzwerte für Feinstaub oder NO_x wiederholt nicht einhalten, so dass mittlerweile ein Vertragsverletzungsverfahren der EU gegen die Bundesrepublik Deutschland eingeleitet wurde. Aktuell werden auch verschärfte Regeln für Umweltzonen in Form einer neuen Plakette diskutiert, die faktisch ein Einfahrverbot für den Großteil der in Deutschland zugelassenen Dieselfahrzeuge bedeuten würde. 

Maßnahmen in der Landeshauptstadt Erfurt

In der Landeshauptstadt Erfurt sind zwei Pilotprojekte (Bergstraße und Leipziger Straße) zur umweltorientierten Verkehrssteuerung realisiert worden, die aufzeigen sollten, ob es durch Maßnahmen des Verkehrsmanagements und der Verkehrssteuerung zu einer merklichen Reduzierung der verkehrsbedingten Emissionen und zur Einhaltung der Immissionsgrenzwerte kommen kann:

²⁾ M. KOREK, C. JOHANSSON, N. SVENSSON, T. LIND, R. BEELEN. G. HOEK, G. PERSHAGEN, T. BELANDER: Can dispersion modelling of air pollution be improved by land-use regression? An example from Stockholm, Sweden. in: Journal of Exposure, Analysis and Environmental Epidemiology (2016) 00, 1-7

³⁾ M. JERRETT, A. ARAIN, P. KANAROGLOU, B. BECKERMAN, D. POTOGLOU, T. SAHSUVAROGLU, J. MORRISON,

C. GIOVIS: A review and evaluation of intraurban air pollution exposure models. in: Journal of Exposure, Analysis and Environmental Epidemiology (2005), 184-204,

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· In einer ersten Realisierungsstufe der UVE (umweltorientierte Verkehrssteuerung Erfurt) wurde die Pilotmaßnahme I Talstraße/Bergstraße geplant und umgesetzt sowie die Auswirkungen der umgesetzten Verkehrssteuerungsstrategien auf Grundlage einer Messperiode von 12 Monaten evaluiert. Diese UVE-Pilotmaßnahme adressiert als Schwerpunkt die Verstetigung des Verkehrsflusses und zur Reduzierung von Anfahrvorgängen in einem Steigungsbereich zur Vermeidung emissionsintensiver Fahrzustände. ⁴⁾

· Zur Ermittlung der Wirkungen der im Schwerpunkt Verkehrsverlagerung und Verkehrslenkung zur Reduzierung der Verkehrsbelastungen enthaltenen Maßnahmen wurde die UVE-Pilotmaßnahme II Leipziger Straße geplant und umgesetzt sowie die Auswirkungen der umgesetzten Verkehrssteuerungsstrategien auf Grundlage einer Messperiode von 12 Monaten evaluiert.⁵⁾

Die intelligente Steuerung in Erfurt basiert auf einem permanenten Monitoring von Verkehrslage, Umwelt- und Klimadaten und sorgt in Kombination von Zufluss-Dosierung mit optimiertem Verkehrsfluss durch Koordinierung für eine Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Immissionsgrenzwerte. Das Monitoring ermöglicht es dabei, restriktive Eingriffe nur im notwendigen Maß auszulösen und verhindert, dass sich negative Effekte in zu hohem Maß auf das umliegende Straßennetz ausbreiten. Grundlage ist eine ITS-Architektur, die neben der Verkehrssteuerung auch Strategiemanagement, die Bedienung von Informationssystemen und Qualitätsmanagement umfasst (Bild 1).

Die Verstetigung des Verkehrsflusses durch Optimierung von LSA-Steuerungen als dauerhaft aktive Maßnahme ist ein Schwerpunkt des UVE-Maßnahmenpakets. Wesentliches Ziel ist eine Minimierung von Anfahr- und Bremsvorgängen, womit signifikante Reduktionen in Bezug auf die Emissionen und Immissionen der relevanten Luftschadstoffe, insbesondere im Hinblick auf die Jahresmittelwerte erzielt werden können.

⁴⁾ Bauhaus-Universität Weimar / pwp-systems GmbH im Auftrag des Freistaates Thüringen (Thüringer Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Verkehr) – Umweltsensitive Verkehrssteuerung Erfurt, UVE-Pilotmaßnahme Talstraße/ Bergstraße, Erfurt, Weimar, 30.04.2013

⁵⁾ Bauhaus-Universität Weimar / pwp-systems GmbH im Auftrag des Freistaates Thüringen (Thüringer Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Verkehr) – Umweltsensitive Verkehrssteuerung Erfurt, UVE-Pilotmaßnahme II - Leipziger Straße, Weimar, 30.09.2014

Dabei sind jeweils alle Anlagen eines Steuerbereiches (koordinierte Anlagen) im Zusammenhang zu betrachten. Grundlage für diese Anpassungen ist zunächst eine detaillierte Analyse der Verkehrssituation auf den jeweils relevanten Straßenzügen unter Berücksichtigung tageszeitlicher und tageweiser Schwankungen der Verkehrsstärke und unter Berücksichtigung einer ggf. aktiven Bevorrechtigung für den städtischen ÖPNV mit Bussen und Bahnen.

Verbesserungen im MIV gehen zwangsläufig zu Lasten anderer Verkehrsträger. Hierbei ist im Hinblick auf die Reduktion von Luftschadstoffen das Entstehen eines Zielkonflikts zwischen MIV (Reduktion der Brems- und Haltevorgänge) sowie ÖPNV und Radverkehr als Teile des Umweltverbundes (Erhöhung der Attraktivität als Anreiz zur Verkehrsverlagerung in Zusammenhang mit P+R-Nutzung) unvermeidlich. Eine dauerhafte Verflüssigung des Verkehrsablaufes für den MIV hätte signifikante Verschlechterungen für ÖPNV, Radverkehr und Fußgänger in diesen Bereichen zur Folge. Aus diesem Grunde ist es speziell in den genannten Bereichen nicht möglich, eine dauerhafte Verflüssigung des Verkehrsablaufes zu realisieren, sondern diese kann nur temporär zu Zeiten ungünstiger meteorologischer Bedingungen oder bereits erhöhter Schadstoffbelastungen realisiert werden. Den anderen Verkehrsteilnehmern ist es lediglich in diesen begrenzten Zeiträumen zumutbar, Einschränkungen zu Gunsten des MIV hinzunehmen.

Neben den Maßnahmen zur Verstetigung des Verkehrsflusses ist es erforderlich, weitere dynamische Maßnahmen im Hinblick auf eine örtliche Reduzierung des Verkehrsaufkommens und ggf. der Flottenzusammensetzung auf bestimmten Streckenabschnitten umzusetzen. Diese verkehrsverlagernden bzw. verkehrslenkenden Maßnahmen sind auch flankierend zu LSA-Optimierungen von Bedeutung, da diese ihre maßgebliche Wirkung nur bei Auslastungsgraden bis etwa 80% entfalten können. Die Umsetzung der Maßnahmen ist in Aktionsplänen umgesetzt und abgestimmt worden (Bild 3).

Ergebnisse

Mit den Vorhaben "Umweltorientiertes Verkehrsmanagement Erfurt (UVE)" wird das Ziel verfolgt, einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung der verkehrsbedingten Emissionen und damit der Gesamt-Immissionsbelastung durch Kohlendioxid (CO₂), Stickstoffoxide (NO_x, NO₂) und Feinstaub (PM₁₀) zu leisten, um die Luftqualität für Mensch und Vegetation zu verbessern.

Im Rahmen des Pilotbetriebs werden kontinuierlich Wetter-, Umwelt- und Verkehrsdaten erhoben, so dass mittlerweile eine umfassende Datenbasis entstanden ist, die zur Analyse differenzierter Steuerungsstrategien bei unterschiedlichen Randbedingungen genutzt wird (Bild 2). Dabei wird die gesamte Wirkungskette ausgehend von den klimatischen Verhältnissen (Wind, Temperatur, Luftdruck) über die jeweilige Verkehrssituation (Verkehrsstärke, LkwAnteil, Fahrverhalten) bis zur Umweltsituation (Emissionen, Immissionen) betrachtet. Durch mikroskopische Verkehrsflusssimulation können unter Nutzung der Analyseergebnisse die Steuerungsstrategien optimiert werden. Betrachtet werden insbesondere die Koordinierung der Lichtsignalanlagen, die ÖPNV-Beschleunigung und die Zufluss-Dosierung.

Die Ergebnisse der Pilotversuche zeigen ein signifikantes Minderungspotenzial in Bezug auf die Emissionen und Immissionen der relevanten Luftschadstoffe, insbesondere im Hinblick auf die Jahresmittelwerte (Bild 4).⁶⁾

Das allein durch die Verstetigung der Verkehrsabläufe erzielbare Minderungspotenzial ist jedoch für eine möglichst dauerhafte Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte nicht ausreichend. Insofern ist auch der (zeitlich befristete) Einsatz der im Schwerpunkt Verkehrsverlagerung und Verkehrslenkung enthaltenen Maßnahmen bei ungünstigen meteorologischen Verhältnissen oder bereits hohen Schadstoffkonzentrationen erforderlich, um insbesondere die Überschreitungshäufigkeiten der Tagesmittelwerte (für PM₁₀) sowie die Spitzenbelastungen (für NO_x und NO₂) zu reduzieren.

⁶⁾ Bauhaus-Universität Weimar / pwp-systems GmbH im Auftrag des Freistaates Thüringen (Thüringer Ministerium für Bau, Landesentwicklung und Verkehr) –Umweltsensitive Verkehrssteuerung Erfurt, UVE-Gesamtkonzept und UVE-Pilotmaßnahme Leipziger Straße Erfurt, Weimar, 30.04.2012

Die Ergebnisse zeigen ebenfalls ein erhebliches Minderungspotenzial in Bezug auf die Emissionen und Immissionen der relevanten Luftschadstoffe. Dieses Minderungspotenzial erreicht eine Dimension, die zeigt, dass in Zukunft Grenzwertüberschreitungen von NO_x, NO₂ und PM₁₀ bei Umsetzung eines ganzheitlichen umweltorientierten Verkehrsmanagements im gesamten Stadtgebiet von Erfurt vermieden werden können.

Mit den aus den beiden UVE-Pilotvorhaben in Erfurt gewonnenen positiven Erfahrungen zur Umsetzung eines umweltorientierten Verkehrsmanagements, den entstandenen Werkzeugen zur Wirkungsabschätzung, der darin enthaltenen Steuerungsalgorithmen (im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch, Emissionen von Luftschadstoffen und Klimagasen), der perspektivischen Verfügbarkeit von kostengünstiger Umweltsensorik als Grundlage für ein umfassendes Umweltmonitoring sowie den gewonnenen Erkenntnissen zu den unter verschiedenen Randbedingungen vorhandenen Wirkungspotenzialen wurden die Voraussetzungen zur Umsetzung eines gesamtstädtischen umweltorientierten Verkehrsmanagements in Erfurt geschaffen.

Weitere Schritte für ein intelligentes Verkehrsmanagement

In der Landeshauptstadt Erfurt sind die zwei Pilotprojekte (Bergstraße und Leipziger Straße) zur umweltorientierten Verkehrssteuerung erfolgreich umgesetzt, anschließend in den Regelbetrieb überführt worden und sollen jetzt auf das gesamte Stadtgebiet übertragen werden.⁷⁾ Um die vorgeschriebenen Grenzwerte für die Immissionsbelastungen dauerhaft verlässlich und flächendeckend für die gesamte Innenstadt einzuhalten, ist ein prozessorientierter Ansatz eines integrierten Verkehrs- und Umweltmanagements erforderlich. Dieser umfasst:

·  ein kontinuierliches flächendeckendes Monitoring von Klima-, Umwelt- und Verkehrsdaten sowie

·  eine übergeordnete strategische Verkehrssteuerung mit integrierter Berücksichtigung der Maßnahmenschwerpunkte Umweltorientiertes Verkehrsmanagement (1), Parkraummanagement Innenstadt (2) und Bedarfsumleitungen Bundesautobahn (3).

⁷⁾ Umweltorientiertes Verkehrsmanagement Erfurt (UVE) – Gesamtkonzept - Fortschreibung 2015, Landeshauptstadt Erfurt – Tiefbau- und Verkehrsamt Abteilung Verkehr, Sachgebiet Verkehrsmanagement in Zusammenarbeit mit pwp systems GmbH - Niederlassung Halle, Erfurt, 2015

Das Einsatzgebiet umfasst formal das gesamte Gebiet der Landeshauptstadt Erfurt innerhalb des Erfurter Schnellstraßenringes. Der umweltsensible Bereich liegt im Wesentlichen innerhalb der derzeit geltenden Abgrenzungen der Umweltzone mit außerordentlichem Fokus auf den besonders sensiblen Bereichen des Stadtzentrums und den hier vorhandenen Umweltmessstationen.

Die Umsetzung dieses Gesamtansatzes erfordert die Ertüchtigung vorhandener bzw. die Erweiterung um neue Systemkomponenten des Verkehrsmanagements. Ein derartiges System ermöglicht im späteren Betrieb einen flexiblen, dynamischen und damit wenig restriktiven Einsatz, da die implementierten Steuerungsstrategien, je nach aktueller Verkehrs- und Umweltsituation, räumlich und insbesondere auch zeitlich differenziert eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass Maßnahmen im Sinne eines Aktionsplans lediglich dann zu aktivieren sind, wenn bereits kritische Verkehrs- und/oder Umweltsituationen vorliegen, eine Grenzwertüberschreitung zu erwarten ist oder durch die Aktivierung der umweltorientierten Steuerung sehr wahrscheinlich eine Einhaltung der Stunden- und Tagesgrenzwerte erzielt werden kann.

Für die anderen Thüringer Städte mit Grenzwertüberschreitung sind ebenfalls Konzepte zur Luftreinhaltung entwickelt worden, die mit einem Förderprogramm des Landes - ebenso wie die Maßnahmen in Erfurt - zur Umsetzung kommen werden.⁸⁾

⁸⁾  Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und Naturschutz, Richtlinie des Freistaates Thüringen zur Förderung CO₂-armer Mobilität – Umweltorientiertes Verkehrsmanagement Thüringen (UVMT)  

Ausblick

Die fortdauernde Verschärfung der Abgasnormen für Kraftfahrzeuge (aktuell Euro VI) wird die Emissionsbelastungen durch den Verkehr weiter reduzieren. Durch die kontinuierliche Durchdringung der Fahrzeugflotte mit emissionsärmeren Fahrzeugen ist zu erwarten, dass die heute gültigen Grenzwerte in naher Zukunft eingehalten werden können. Mit der Einführung der Abgasnorm Euro VI bei den Lastkraftwagen werden die Grenzwerte bei Partikeln um etwa 67 Prozent und bei Stickstoffoxiden sogar um 80 Prozent gegenüber Euro V gesenkt ⁹⁾. Der Austausch älterer Lastkraftwagen mit modernen Euro VI Fahrzeugen wird die Emissionen deutlich reduzieren.

⁹⁾ Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/themen/verkehrlaerm/emissionsstandards/schwere-nutzfahrzeuge, aufgerufen am 9.1.2017

Auf der anderen Seite ist zu erwarten, dass die Gesetzgebung die Immissions-Grenzwerte verschärfen wird, um Forderungen z. B. der WHO nachzukommen, die die Grenzwerte zum Schutz der Menschen und der Umwelt als nicht ausreichend betrachtet.

In einem in Kürze beginnenden Forschungsvorhaben FaMoS wird unter Beteiligung der Autoren erstmals die Entwicklung und prototypische Umsetzung eines übertragbaren Lösungsansatzes für die Fahrzeugnavigation auf Basis multimodaler strategiekonformer Mobilitäts- und Situationsinformationen im Verkehrsmanagement erarbeitet.

Bild 1: Zukünftige ITS-Architektur Erfurt
Bild 2: Pilotvorhaben Bergstraße
Bild 3: Aktionsplan (Beispiel)
Bild 4: Ergebnisdarstellung (Beispiel)