Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität

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1 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Kurzstudie im Auftrag des Deutschen Verbandes Flüssiggas e. V. (DVFG) Hinrich Helms, Christoph Heidt und Jan Kräck Heidelberg, September 2015 ifeu Wilckensstraße 3 D Heidelberg Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) ifeu@ifeu.de

2 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Kurzstudie im Auftrag des Deutschen Verbandes Flüssiggas e. V. (DVFG) Hinrich Helms, Christoph Heidt und Jan Kräck Heidelberg, September 2015

3 Inhalt Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 5 Zusammenfassung 6 1 Einleitung 8 2 Beitrag mobiler Maschinen zu Emissionen und Immissionen in Deutschland Aktuelle Luftqualitätssituation in Deutschland Emissionsbeitrag mobiler Maschinen Immissionsbeitrag mobiler Maschinen Beitrag zur Feinstaubbelastung Beitrag zur NO 2 -Belastung 13 3 Emissionsbilanz von LPG- im Vergleich mit Benzin- und Dieselmaschinen Emissionsgrenzwerte für Motoren in mobilen Maschinen Grenzwerte für Dieselmotoren Grenzwerte für Benzin- und Gasmotoren Emissionsfaktoren von LPG-Motoren in mobilen Maschinen Diskussion der Datenlage Emissionsfaktoren für LPG-Geräte Vergleich von LPG- zu Benzin- und Dieselgeräten 23 4 Anwendungsmöglichkeiten von LPG im Bereich mobiler Maschinen Anwendungsmöglichkeiten Otto-Motoren Industrielle Anwendungen Bau- und Landwirtschaft Grünpflege und Sportboote Perspektiven für weitere Anwendungen Anwendungsmöglichkeiten in Dieselmotoren Technisches Prinzip und Emissionsverhalten Anwendungsbeispiele Treiber und Hemmnisse 31 5 Potenziale eines verstärkten Flüssiggaseinsatzes in Deutschland Energetische Potenziale für den Einsatz von LPG in mobilen Maschinen Potenziale für LPG in Ottomotoren 34

4 Inhalt Potenziale für LPG in Dieselmotoren Umweltentlastungspotenzial des Einsatzes von LPG in mobilen Maschinen 37 6 Erste Schlussfolgerungen 39 Quellenverzeichnis 40

5 4 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Vergleich der NO X - und Partikelemissionen des Straßenverkehrs und mobiler Maschinen (Deutschland 2010) 11 Abbildung 2: Anteil des Kfz-Verkehrs, mobiler Maschinen und sonstiger Quellen an der PM 10 -Belastung (JMW) im städtischen Hintergrund 12 Abbildung 3: Anteil des Kfz-Verkehrs, mobiler Maschinen und sonstiger Quellen an der NO 2 -Belastung (JMW) im städtischen Hintergrund 14 Abbildung 4: PM-Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen mit Selbstzündungs(CI)-motoren nach EU-Richtlinie 97/68/EG 17 Abbildung 5: NO X -Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen mit Selbstzündungs(CI)-motoren nach EU-Richtlinie 97/68/EG 18 Abbildung 6: Übersicht der in verschiedenen Modellen verwendeten Emissionsfaktoren für LPG-Geräte >19 kw. 22 Abbildung 7: Vergleich der NO X - und PM- Emissionen von Dieselmaschinen mit LPG-Maschinen nach Leistungsklassen 24 Abbildung 8: Vergleich der HC- und NO X - Emissionen von Benzin- und Dieselmaschinen mit LPG-Maschinen nach Leistungsklassen 24 Abbildung 9: Einsatzpfade für LPG im Bereich mobiler Maschinen 25 Abbildung 10: Anteil der Kraftstoffarten am Verbrauch mobiler Maschinen in Deutschland heute 33 Abbildung 11: Theoretische Kraftstoffpotenziale für ausgewählte LPG-Anwendungen in Diesel (CI)-Motoren in Deutschland 37 Abbildung 12: Vergleich der zukünftigen Emissionsminderung bei PM durch den Einsatz von LPG-Maschinen mit neuen Dieselgeräten 38 Abbildung 13: Vergleich der zukünftigen Emissionsminderung bei NO X durch den Einsatz von LPG-Maschinen mit neuen Dieselgeräten 38

6 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 5 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Überschreitungen der Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid und Feinstaub in Deutschland 10 Tabelle 2: US-Emissionsgrenzwerte für LPG-Maschinen >19 kw ( large SI engines, General Duty-Cycle ) 19 Tabelle 3: Chancen und Herausforderungen von LPG-Geräten mit Ottoantrieb 29 Tabelle 4: Chancen und Herausforderungen des Diesel-LPG-Mischbetriebs 32 Tabelle 5: Theoretische Kraftstoffpotenziale für LPG-Anwendungen in Otto (SI)- Motoren in Deutschland 35

7 6 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Zusammenfassung Mobile Maschinen tragen in Deutschland überproportional zu den Schadstoffemissionen bei. Obwohl ihr Kraftstoffverbrauch nur ca. 10 % des im Straßenverkehr verbrauchten Kraftstoffs beträgt, liegen die Partikelemissionen etwa in gleicher Höhe und die NO X - Emissionen betragen immerhin 25 % der Emissionen des Straßenverkehrs. Verursacht werden die Emissionen vor allem von Dieselmotoren, welche derzeit den Großteil der mobilen Maschinen antreiben. Diese Studie analysiert daher, wieweit der Einsatz von LPG in mobilen Maschinen zu einer Emissionsreduktion beitragen kann. Betrachtet wurden die Anwendungsmöglichkeiten für LPG im Bereich mobiler Maschinen, die Schadstoffemissionen von mit LPG betriebenen Maschinen im Vergleich mit Ottound Dieselmaschinen und die Potenziale zur Emissionsminderung für einen verbreiteten Einsatz von LPG im Bereich mobiler Maschinen. Heute haben Dieselgeräte mit über 90 % den größten Anteil am Kraftstoffverbrauch im Bereich mobiler Maschinen, daneben gibt es vor allem im Garten- und Freizeitbereich sowie in kleineren Baugeräten auch viele Geräte mit Otto-Motor. Die größte Verwendung von LPG in mobilen Maschinen findet derzeit in Gabelstaplern statt, für welche eine große Auswahl an Herstellern und Modellen besteht. Technisch gesehen kann LPG auch in den meisten anderen Geräten mit Otto-Motor bei nur geringem Umrüstungsaufwand eingesetzt werden. So wird LPG im Bereich mobiler Maschinen international auch in Stromerzeugungsaggregaten, Ladegeräten (z.b. Flughafengepäckfahrzeuge), Kehrmaschinen, Kompressoren und Pumpen, Sportbooten sowie zur Grünpflege und vereinzelt auch in Traktoren eingesetzt. Die Studie konnte dabei die folgenden Vorteile des Einsatzes von LPG aufzeigen: LPG-Geräte weisen gegenüber Benzingeräten deutlich geringere HC- und CO- Emissionen auf und sind damit für den Einsatz in Innenbereichen und Gräben besonders geeignet, da hier Verordnungen und Technische Regeln des Arbeitsschutzes (insbesondere TRGS 900 und TRGS 554) die Nutzung von Benzin- und Dieselmotoren schwierig machen. LPG-Geräte können gegenüber kleineren Dieselgeräten (vor allem <37 kw) Vorteile hinsichtlich der NO X - und PM-Emissionen und bei Dieselmaschinen mit kw immer noch hinsichtlich der NO X -Emissionen haben. Zukünftig bei Verschärfung der Abgasgrenzwerte mit der geplanten Stufe V könnten diese Emissionsvorteile zwar entfallen, wofür bei Dieselmaschinen jedoch wahrscheinlich der Einsatz eines Partikelfilter erforderlich sein wird. Hierdurch kann ein deutlicher Kostenvorteil für LPG-Maschinen entstehen. Über die etablierten Otto-Anwendungen hinaus kann LPG auch in heute von Dieselmaschinen dominierten Einsatzgebieten genutzt werden. Hierfür bestehen verschiedene Möglichkeiten:

8 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 7 a.) Nutzung von Otto-Motoren anstelle von Dieselmotoren, wie z.b. bereits im Bereich der LPG-Gabelstapler praktiziert. LPG kann dann als Reinkraftstoff eingesetzt werden und die oben beschriebenen Emissionsvorteile gegenüber Diesel aufweisen. b.) Einsatz von LPG als Beimischung in Dieselmotoren. Die Energieeffizienz und Performance von Dieselmotoren kann damit erhalten oder sogar gesteigert werden. Auch kann die Beimischung zumindest im Volllastbetrieb zu einer Reduktion der NO X -, HC- und PM-Emissionen führen. Herausforderungen für den weiteren Einsatz von LPG in mobilen Maschinen bleiben zusätzliche Anschaffungs- bzw. Umrüstkosten, der Informations- und Erfahrungsrückstand vieler Nutzer und das geringere Modellangebot gegenüber Geräten mit konventionellen Antrieben. Im Bereich der Land- und Bauwirtschaft werden zudem heute fast ausschließlich Maschinen mit Dieselmotoren angeboten. Hier ist zwar eine Beimischung von LPG möglich und kann mit Umwelt- und Kostenvorteilen verbunden sein, dem stehen heute jedoch noch verschiedene rechtliche und technische Hemmnisse entgegen. Mögliche nächste Schritte, um das Potenzial für den Einsatz von LPG in den Dieselmotoren mobiler Maschinen zu erschließen, wären detaillierte Analysen zur technischen und rechtlichen Machbarkeit, der ökonomischen Rentabilität sowie Fragen der Infrastruktur und Nutzerakzeptanz. Insgesamt konnten jedoch relevante Potenziale des Einsatzes von LPG und damit auch einer zusätzlichen Emissionsreduktion identifiziert werden. Zwar sinken die jährlichen PM- Emissionen mobiler Maschinen in Deutschland allein durch den sukzessiven Austausch des Bestandes mit Dieselmaschinen der heute aktuellsten Abgasstufe von etwa 10 Kilotonnen (Stand 2010) auf zukünftig etwa 2,3 Kilotonnen. Der konsequente Einsatz von LPG-Maschinen in Bereichen, in denen heute bereits LPG-Anwendungen verfügbar sind, z.b. Stapler, Ladegeräte, Generatoren, würde jedoch zu einer zusätzlichen Reduktion der jährlichen PM-Emissionen um 0,7 Kilotonnen auf 1,6 Kilotonnen führen. Ein ähnliches Reduktionspotenzial besteht auch bei den NO X -Emissionen: Mit neuen Dieselmaschinen nach heutiger Gesetzgebung können die jährlichen NO X -Emissionen der mobilen Maschinen in Deutschland von heute 99 auf 30 Kilotonnen sinken, mit LPG-Maschinen dagegen auf ca. 24 Kilotonnen. LPG-Antriebe könnten damit ergänzend zu einer weiteren Verschärfung der Emissionsgrenzwerte bei Dieselmaschinen einen Beitrag zur Schadstoffreduktion leisten und gleichzeitig Kosten für aufwändige Abgasnachbehandlungssysteme, wie z.b. Partikelfilter, sparen.

9 8 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität 1 Einleitung Mobile Maschinen und Geräte haben nach Untersuchungen des IFEU einen relevanten Anteil an den NO X - und Abgaspartikelemissionen in Deutschland. Die hohen Emissionen sind insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Abgasgrenzwerte mobiler Maschinen bisher weniger streng sind als im Straßenverkehr und noch viele ältere Dieselmaschinen eingesetzt werden. Zugleich besteht großer Handlungsbedarf auf kommunaler Ebene zur Minderung gerade dieser Emissionen, da die EU-Luftqualitätsgrenzwerte für PM 10 und NO 2 an hoch belasteten Stellen in Deutschland überschritten werden. Nach aktuellen IFEU-Untersuchungen können mobile Maschinen hier vor allem lokal zu Grenzwertüberschreitung beitragen [IFEU, 2014]. Derzeit wird zur Reduktion der Emissionen mobiler Maschinen u.a. die Einführung strengerer Abgasgrenzwerte von Neugeräten von der Europäischen Kommission in die Wege geleitet. Für eine kurzfristige Verbesserung der Luftqualität werden seit einiger Zeit - sowohl auf städtischer als auch auf Landes- und Bundesebene - auch die Nachrüstung der Bestandsmaschinen mit Abgasreinigungstechnik (z.b. Dieselpartikelfilter (DPF) und selektive katalytische Reduktion (engl. Selective Catalytic Reduction (SCR)) und die bevorzugte Verwendung von Neumaschinen diskutiert. Zudem besteht jedoch auch die Möglichkeit des Einsatzes alternativer Antriebstechnologien, wie z.b. Flüssiggas (engl. Liquefied Petroleum Gas (LPG)). Im Automobilbereich stellt LPG derzeit die verbreitetste alternative Antriebsart (z.b. vor Erdgas- und Elektrofahrzeugen) in Deutschland dar. Bis 2018 gilt für LPG als Kraftstoff eine reduzierte Energiesteuer. Die Bundesregierung hat sich bisher mehrfach für eine Verlängerung der steuerlichen Besserstellung im Zusammenhang mit einer Reduktion der Treibhausgase ausgesprochen (siehe z.b. Koalitionsvertrag der Bundesregierung von 2013 [Bundesregierung, 2013] sowie Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 [BMUB, 2014]). Eine umfassende Untersuchung zu den Möglichkeiten und Umweltwirkungen des Einsatzes von Flüssiggas im Bereich mobiler Maschinen liegt jedoch bisher für Deutschland nicht vor. Hier stellen sich folgende Fragen, die im Rahmen dieser Kurzstudie diskutiert werden: Welchen Einfluss haben mobile Maschinen auf die Emissionen und Luftqualität? Wie sieht die Emissions- und Energiebilanz von mit LPG betriebenen Maschinen im Vergleich mit Otto- und Dieselmaschinen aus? Welche Anwendungsmöglichkeiten gibt es für LPG im Bereich mobiler Maschinen? Welche Potenziale zur Emissionsminderung für einen verbreiteten Einsatz von LPG im Bereich mobiler Maschinen sind zu erwarten?

10 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 9 2 Beitrag mobiler Maschinen zu Emissionen und Immissionen in Deutschland Mobile Maschinen und Geräte haben nach bisherigen Untersuchungen des IFEU ([IFEU, 2014]) einen hohen Anteil an den NO X - und Dieselpartikelemissionen in Deutschland. Die hohen Emissionen sind darauf zurückzuführen, dass die bisherigen Abgasgrenzwerte weniger streng sind als im Straßenverkehr und teilweise auch noch viele ältere Dieselmaschinen eingesetzt werden. Gleichzeitig gibt es für diese Maschinen bisher keine Einsatzbeschränkungen in Umweltzonen, obwohl die Luftqualitätsgrenzwerte für PM 10 und NO 2 an vielen hoch belasteten Gebieten in Deutschland überschritten werden. 2.1 Aktuelle Luftqualitätssituation in Deutschland In den letzten Jahren kam es nach Daten des Umweltbundesamtes [UBA, n.d.] hinsichtlich der zulässigen PM 10 - und NO 2 -Konzentration in Deutschland an vielen Messstationen zu Überschreitungen des Grenzwertes nach Richtlinie 2008/50/EG. Zu unterscheiden sind dabei die zulässigen Jahresmittelwerte von jeweils 40 μg/m 3 bei NO 2 und PM 10 von den zulässigen Stunden- bzw. Tagesmittelwerten. So darf der zulässige NO 2 -Stundenmittelwert von 200 μg/m 3 nur an 18 Tagen je Jahr und der zulässige PM 10 -Tagesmittelwert von 50 μg/m 3 nur an 35 Tagen je Jahr überschritten werden. Während es bei NO 2 an etwa einem Drittel der Messstellen zu Überschreitungen des Jahresmittelwertes kommt, werden bei der Feinstaubbelastung die Jahresmittelwerte weitgehend eingehalten (Tabelle 1). Jedoch wurde die zulässige Anzahl an Überschreitungen des PM 10 -Tagesgrenzwertes noch 2011 bei bis zu 20 % der Messstellen verletzt. Die Daten des Umweltbundesamtes zeigen auch, dass die Überschreitungshäufigkeiten bei dem zulässigen NO 2 -Jahresmittelwert in den letzten Jahren nahezu unverändert hoch waren. Die gemessenen Feinstaub-Werte (PM 10 ) unterliegen dagegen größeren Schwankungen, die vor allem meteorologisch bedingt sind. In über 95 % aller Fälle treten die Überschreitungen in städtischen Gebieten auf, oft in der Nähe von stark befahrenen Straßen. Der Straßenverkehr wird daher in vielen Luftreinhalteplänen als Hauptquelle für die städtische Schadstoffbelastung gesehen 1. Eine konsequente Luftreinhaltungsstrategie erfordert jedoch, dass auch andere Quellen, darunter mobile Maschinen, hinsichtlich ihres Minderungspotenzials untersucht und gegebenenfalls in die Maßnahmenplanung einbezogen werden. 1 Eine Auswertung von Luftreinhalte- und Aktionsplänen aus ganz Deutschland (insgesamt 132 Dokumente) ergab, dass sich ca. 80 % aller Maßnahmen auf den Kfz-Verkehr bezogen [IVU Umwelt GmbH, 2009]

11 10 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Schad Grenzwertart Grenzwert Stationen mit stoff Überschreitungen NO 2 Jahresmittelwert 40 μg/m 3 Anzahl Anteil gesamt 34% 35% 34% 32% 26% Stundenmittelwert 200 μg/m 3 * Anzahl Anteil gesamt 2% 2% 1% 1% 1% PM 10 Jahresmittelwert 40 μg/m 3 Anzahl Anteil gesamt 0,5% 0,2% Tagesmittelwert 50 μg/m 3 ** Anzahl Anteil gesamt 15% 20% 3% 3% 3% Erläuterung: *an max. 16 Tagen pro Jahr; ** an max. 35 Tagen pro Jahr. Quelle: eigene Auswertung nach [UBA, n.d.] Tabelle 1: Überschreitungen der Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid und Feinstaub in Deutschland 2.2 Emissionsbeitrag mobiler Maschinen Mobile Maschinen und Geräte werden in verschiedenen Sektoren, darunter in der Landund Bau- und Forstwirtschaft, in der Industrie sowie in Haushalten und bei Freizeitaktivitäten eingesetzt. Viele dieser Geräte besitzen Verbrennungsmotoren und stoßen damit Schadstoffemissionen aus. Zwar werden diese über die EU-Richtlinie 97/68/EG begrenzt, die Emissionsgrenzwerte wurden aber wesentlich später als beispielsweise im Straßenverkehr eingeführt. Mit dem Emissionsmodell TREMOD-MM werden die Bestände, die Betriebszeiten und spezifischen Emissionsfaktoren von mobilen Maschinen in Deutschland erfasst, um somit ein bundesweites Emissionsinventar zu erstellen [IFEU, 2014]. Aktuelle Berechnungen zeigen, dass mobile Maschinen deutschlandweit insgesamt etwa ein Viertel der NO X -Emissionen des Straßenverkehrs verursachen, bei den Partikelemissionen (PM) liegt der Beitrag der mobilen Maschinen beinahe genauso hoch wie der des Straßenverkehrs (siehe Abbildung 1) entsprach dies deutschlandweit einer Menge von 123,6 Kilotonnen NO X und 13,5 Kilotonnen abgasbedingtem Feinstaub (sowohl PM 10 als auch PM 2,5 ).

12 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 11 NO X-Emissionen Partikel-Emissionen Straßenverkehr 80% Mobile Maschinen 20% Landwirtschaft 10% Bauwirtschaft 6% Sonstige 4% Straßenverkehr 52% Mobile Maschinen 48% Landwirtschaft 34% Bauwirtschaft 10% Sonstige 4% Quellen: Berechnungen mit dem Modell TREMOD- und TREMOD-MM [IFEU, 2014] Abbildung 1: Vergleich der NO X- und Partikelemissionen des Straßenverkehrs und mobiler Maschinen (Deutschland 2010) Demgegenüber liegt der Energieverbrauch mobiler Maschinen mit 193 Petajoule (PJ) bei weniger als 10 % des Straßenverkehrs. Dieser überproportional hohe Emissionsbeitrag wird vorwiegend von Dieselmaschinen in der Landwirtschaft und Bauwirtschaft verursacht. Letztere werden, wie Straßenfahrzeuge, oft auch in städtischen Gebieten eingesetzt und haben damit direkten Einfluss auf die lokale Luftqualität. 2.3 Immissionsbeitrag mobiler Maschinen Beitrag zur Feinstaubbelastung Die Herkunft von Feinstaubpartikeln lässt sich nur mit aufwendigen Methoden quantifizieren. Verschiedenste natürliche und anthropogene Quellen führen zur Partikelbildung, darunter mechanische Abriebe, Aerosole und Verbrennungsprozesse. Auch bei den abgasbedingten Partikelemissionen muss zwischen direkten Partikeln (z.b. Ruß) und sekundären Partikel unterschieden werden. Letztere können sich aus gasförmigen Stoffen wie Schwefeldioxid, Stickoxiden und Ammoniak bilden und vor allem zum Ferntransport von Partikeln beitragen. Aus einer Vielzahl räumlicher Quellanalysen zeigt sich, dass im Durchschnitt 55 % der lokalen PM 10 -Belastungen aus dem regionalen Hintergrund stammen, also durch außerstädtische Quellen oder Ferntransport zustande kommen und damit durch die kommunale Luftreinhaltung nicht beeinflusst werden. Im Durchschnitt stammen nur 20 % des Feinstaubs aus dem städtischen Hintergrund und 26 % aus lokalen Quellen [IVU Umwelt GmbH, 2009].

13 12 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Anteil PM10-Belastung im städtischen Hintergrund 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 9% 10% 79% 1% 0,7% 2% 10% 88% 91% 0,2% 6% 3% 17% 21% 60% Berlin (2009) Köln (2008) Hamburg (2008) Stuttgart (2010) 2% Mobile Maschinen* Kfz-Verkehr Sonstige Quellen Reg. Hintergrund Stadt und Bezugsjahr * FürBerlin/Stuttgart über direkte PM 10-Emissionen abgeschätzt, da Anteile für mobile Maschinen in Berlin innerhalb sonstiger Quellen, in Stuttgart zusammen mit Biogene, Sonstige ausgewiesen werden. Sekundärpartikel wurden hierbei nicht berücksichtigt. Quelle: [IFEU, 2014] Abbildung 2: Anteil des Kfz-Verkehrs, mobiler Maschinen und sonstiger Quellen an der PM 10-Belastung (JMW) im städtischen Hintergrund In der Fachliteratur wird der Beitrag mobiler Maschinen zur PM 10 -Belastung meist nur hinsichtlich der städtischen Hintergrundbelastung abgeschätzt. Luftreinhalteplänen der Städte Berlin, Hamburg, Köln und Stuttgart zufolge tragen die Abgasemissionen mobiler Maschinen im Stadtgebiet daher nur zu etwa 0,2 % bis etwa 2 % zur PM 10 - Konzentration bei (Abbildung 2). Ein Großteil des städtisch verursachten Anteils entfällt auf sonstige Quellen (z.b. Industrie und Kleinfeuerung) und den Straßenverkehr. Gerade bei letzterem machen jedoch auch Reifen-, Bremsabrieb und Aufwirbelungsemissionen einen hohen Beitrag aus. In Stuttgart machen Kfz-Abgasemissionen z.b. nur ca. 4 % von insgesamt 17 % aus. Die städtische Hintergrundbelastung durch mobile Maschinen kann durch motorische Minderungsmaßnahmen also nur begrenzt beeinflusst werden. Auch beim Straßenverkehr ist die mögliche Minderungswirkung motorischer Maßnahmen begrenzt. Grenzwertüberschreitungen sind häufig lokale Phänomene und werden stark von den lokalen Quellen beeinflusst. Hier spielt der Straßenverkehr eine besondere Rolle, zusätzlich wurde der mögliche Beitrag von Baustellen zur lokalen Feinstaubbelastung in [IFEU, 2014] als Fallbeispiele modelliert. Die untersuchten Beispielbaustellen in Berlin wurden in direkter Nähe zu realen straßennahen Verkehrsmessstation platziert. Eine kleinere Baustelle wurde an der Frankfurter Allee untersucht, deren Straßenschlucht eine West-Ost-Ausrichtung aufweist. Eine größere Baustelle wurde im Nord-Süd ausgerichteten Mariendorfer Damm auf einem nahegelegenen Parkplatz untersucht.

14 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 13 Die Beispiele zeigten dabei eine starke lokale Zusatzbelastung durch die Baustellen. So steigt die Partikelbelastung durch die kleinere Baustelle in der Frankfurter Allee (auf dem Mittelstreifen der Straße) um bis zu 4 μg/m 3, beim Beispiel Mariendorfer Damm um bis zu 7 μg/m 3. Die Zusatzbelastung durch Kfz-Abgase erreicht dagegen nur 3-4 μg/m Beitrag zur NO 2 -Belastung Stärker noch als bei der Feinstaubbelastung steht die NO 2 -Belastung im Zusammenhang mit dem Straßenverkehr: Nahezu alle (2010: 99 % gegenüber 82 % bei PM 10 ) der Grenzwertüberschreitungen treten an Verkehrsmessstationen auf. Auch Untersuchungen in Luftreinhalteplänen untermauern die Rolle des lokalen Kfz-Verkehrs: Bei der durchschnittlichen räumlichen Zuordnung entfällt demnach 55 % der NO 2 -Belastung auf lokale Quellen, unterschieden nach Verursachern entfällt 69 % auf den städtischen Kfz-Verkehr [IVU Umwelt GmbH, 2009]. Weitere Beiträge stammen u.a. aus Industrie- und Kleinfeuerungsanlagen. Die NO 2 -Konzentration an einer Luftmessstation muss dabei jedoch im Zusammenhang mit der gesamten Konzentration von Stickstoffoxiden (NO X = NO+NO 2 ) analysiert werden. An stark verkehrsbeeinflussten Stationen kommt der überwiegende Teil der NOund NO 2 -Konzentrationen direkt von den Emissionen des lokalen Verkehrs (= lokale Zusatzbelastung). Die NO 2 -Zusatzbelastung hat dabei jedoch zwei Hauptursachen: NO 2 -Direktemissionen aus dem Auspuff: Im Straßenverkehr ist der Anteil von NO 2 an den gesamten (regulierten) NO X -Emissionen moderner Diesel-Pkw mit Oxidationskatalysatoren stark erhöht. Trotz sinkender NO X -Emissionen steigen daher in den letzten Jahren die direkten NO 2 -Emissionen im Straßenverkehr an. Auch bei der Ausstattung von Baumaschinen mit Partikelfiltern kann es zu einer Erhöhung der direkten NO 2 - Emissionen kommen. Luftchemische NO 2 -Bildung, in dem das lokal emittierte NO mit Ozon unter Bildung von NO 2 reagiert (NO + O 3 <=> NO 2 + O 2 ). Im Falle einer Zunahme der verfügbaren Ozonmenge erhöht sich die NO 2 -Bildung durch den Ozonabbau. Während der luftchemische NO 2 -Beitrag vom Reaktionsgleichgewicht (u.a. der Verweilzeit und Reaktionsgeschwindigkeit) abhängt, tragen direkte NO 2 - Emissionen sofort zur lokalen NO 2 -Belastung bei. Nach Abschätzungen, die auf den Angaben in Luftreinhalteplänen basieren, kann für mobile Maschinen von einem Beitrag von 1-9 % zur städtischen Hintergrundbelastung ausgegangen werden (Abbildung 7). Der NO 2 -Beitrag mobiler Maschinen beträgt damit trotzdem nur einen Bruchteil des Beitrags durch den Kfz-Verkehr. In Einzelfällen wie Berlin und Stuttgart ergibt sich aber absolut ein relevanter Anteil gegenüber den sonstigen Quellen. Verwertbare Informationen über die lokale NO 2 -Zusatzbelastung durch mobile Maschinen liegen aufgrund der komplexen Bildungsmechanismen bisher kaum vor. Anhand der bundesweiten Emissionen (vgl. Kap. 4.1) lässt sich ableiten, dass mobile Maschinen bei NO 2 eine geringere Relevanz als bei Partikeln einnehmen. Ein weiterer Grund für die dünne Datenlage könnte aber auch darin liegen, dass Grenzwertüberschreitungen bei NO 2 vornehmlich den Jahresmittelwert betreffen. Dadurch fallen temporäre Einflüsse beispielsweise durch den Maschinenbetrieb auf Baustellen weniger ins Gewicht als bei PM 10. Auch der lokale Zusatzbeitrag durch eine Bausteile liegt nach [IFEU, 2014] deutlich unter dem Straßenverkehr.

15 14 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität 100% 3% 1,3% 3% Anteil NO2-Belastung im städtischen Hintergrund 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 13% 8% 19% 10% 49% 58% 79% 35% 23% 6% 45% 23% 25% Berlin (2009) Köln (2008) Hamburg (2008) Stuttgart (2010) Mobile Maschinen* Kfz-Verkehr Sonstige Quellen Reg. Hintergrund Stadt und Bezugsjahr * FürBerlin/Stuttgart über NO X-Emissionen abgeschätzt, da Anteile für mobile Maschinen in Berlin innerhalb sonstiger Quellen, in Stuttgart zusammen mit Industrie ausgewiesen werden Quelle: [IFEU, 2014] Abbildung 3: Anteil des Kfz-Verkehrs, mobiler Maschinen und sonstiger Quellen an der NO 2 -Belastung (JMW) im städtischen Hintergrund

16 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 15 3 Emissionsbilanz von LPG- im Vergleich mit Benzin- und Dieselmaschinen Bei der Nutzung von Kraftstoffen in Motoren entstehen verschiedene Emissionen. Für die Luftreinhaltung sind vor allem die direkten Emissionen am Auspuff relevant. Diese werden bei Fahrzeugen und mobilen Maschinen als tank-to-wheel Emissionen (TTW) bezeichnet. Durch die stufenweise Einführung von Emissionsgrenzwerten für mobile Maschinen konnten diese Emissionen in den letzten Jahren deutlich reduziert werden. Betroffen von der Regulierung sind die Emissionen an Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxiden (NO X ) und der Partikelmasse (PM). Gegenwärtig wird eine Erweiterung auf die Partikelanzahl (PN) von der EU-Kommission erwogen, wie es schon bei Pkw und schweren Nutzfahrzeugen der Fall ist. Es entstehen jedoch auch bei der Bereitstellung der Kraftstoffe Emissionen, bedingt durch Prozesse bei der Produktion, beim Transport und der Verteilung. Diese werden als well-totank (WTT) Emissionen bezeichnet (siehe Kasten für weitere Informationen). Well-to-tank Emissionen von LPG Die well-to-tank Emissionen für LPG hängen von der sogenannten Kraftstoffbereitstellungs- oder Vorkette ab. Als wichtigste Pfade für die Bereitstellung in der EU wird LPG als Nebenprodukt in der Erdöl- und Erdgasförderung bzw. -verarbeitung genannt [JEC, 2014]. Bei der Bereitstellung aus Erdgas wird LPG an den Gasfeldern aufbereitet, gereinigt und verflüssigt, per LPG-Tanker in die EU importiert und per Tanklaster verteilt. Die Treibhausgasemissionen WTT werden für diesen Prozess im Mittel mit 8 g CO 2 -Äquivalenten (CO 2, CH4 und N2O) pro Megajoule (MJ) angegeben, während bei der Verbrennung von 1 MJ LPG 65,7 g CO 2 -Äquivalente entstehen [JEC, 2014]. Höhere WTT-Emissionen entstehen bei der Bereitstellung von LPG aus Erdöl [MKS, 2013]. Tendenziell überwiegen auch hier - wie bei den meisten fossilen Kraftstoffen - die Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung, also dem tank-to-wheel Anteil. Bei erneuerbaren Quellen, z.b. Bio-LPG, werden diese CO 2 -Emissionen nicht bilanziert, da ein Gleichgewicht zwischen dem in die Atmosphäre abgegebenen und durch Biomasse gebundenen CO 2 angenommen wird. Die Schadstoffemissionen WTT stehen mehr im Fokus der Ökobilanzierung als der Luftreinhaltungsplanung. Je nach Abgastechnik des Fahrzeugs können diese einen relevanten Anteil an der WTW-Bilanz ausmachen. Bei modernen LPG-Pkw mit Euro 5 bzw. Euro 6 Standards sind die direkten Schadstoffemissionen vernachlässigbar, so dass die WTT- Emissionen hier überwiegen. Bei den Schwefeldioxid (SO2)-Emissionen stammen diese sogar fast ausschließlich aus der Bereitstellung des Kraftstoffs [MKS, 2013]. Jedoch sind die Unsicherheiten der WTT-Schadstoffemissionen innerhalb der gesamten Prozesskette vergleichsweise hoch, da die technischen Eigenschaften aller Prozesse und Anlagen selten bekannt sind. Die well-to-tank und tank-to-wheel Emissionen bilden zusammen die well-to-wheel (WTW) Emissionen. Diese Betrachtung wird vor allem bei der Bilanzierung von Treibhausgasen angewendet, da deren Umweltwirkung global und damit unabhängig vom Entstehungsort

17 16 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität stattfindet. Wie in Kapitel 2.2 ausgeführt wurde, haben die mobilen Maschinen in Deutschland jedoch nur etwa 10 % des Kraftstoffverbrauches der Straßenfahrzeuge und damit einen weniger relevanten Beitrag zu den Treibhausgasemissionen. Bei den NO X - und den Partikel-Emissionen liegt der Anteil mobiler Maschinen an den Gesamtemissionen hingegen deutlich höher bzw. annähernd gleich hoch wie durch den Straßenverkehr. Im folgenden Kapitel werden daher nur die direkten Schadstoffemissionen (TTW) betrachtet. Während die CO 2 -Emissionen proportional zum Kraftstoffverbrauch sind, wird die Zusammensetzung und Höhe der Schadstoffemissionen wesentlich durch motortechnische Eigenschaften bestimmt. Für die regulierten Schadstoffe bilden die Emissionsgrenzwerte einen wichtigen Indikator für das reale Emissionsverhalten mobiler Maschinen (3.1). Die Emissionsgrenzwertgesetzgebung für mobile Maschinen umfasst jedoch nicht alle Antriebe und Größenklassen. Auch können bei regulierten Motoren die Grenzwerte im Realbetrieb sowohl unter- als auch überschritten werden, weswegen eine Betrachtung der Emissionen über die Grenzwerte hinaus erforderlich ist (3.2). Basierend auf den sogenannten Realemissionen lassen sich die Emissionen von LPG, Benzin- und Dieselgeräten vergleichen und Aussagen zu möglichen Umweltvorteilen ableiten (3.3). 3.1 Emissionsgrenzwerte für Motoren in mobilen Maschinen In Deutschland gelten die Emissionsgrenzwerte der EU-Richtlinie 97/68/EG für mobile Maschinen und Geräte. Ähnliche Verordnungen existieren in den USA, Japan sowie zahlreichen anderen Ländern. Die Grenzwerte werden nach Einsatzzwecken, Größenklassen sowie zwischen Selbst- und Fremdzündungsmotoren unterschieden. Die Einheit sind Gramm pro Kilowattstunde (g/kwh). Seit ihrer Verabschiedung im Jahr 1997 wurde die Richtlinie mehrfach überarbeitet und zuletzt im September 2014 um einen Vorschlag für eine neue Grenzwertstufe V ergänzt Grenzwerte für Dieselmotoren Eine Übersicht über die NO X - und Partikelmassegrenzwerte für mobile Maschinen mit Dieselantrieb geben Abbildung 4 und Abbildung 5. Partikelgrenzwerte existieren derzeit nur für Selbstzündungs- bzw. Dieselmotoren (Abbildung 4). Bei Einführung der Stufe I lagen die Grenzwerte zwischen 0,54-0,85 g/kwh. Seit der Einführung der Stufe IIIB in 2011 dürfen Motoren mit kw den Grenzwert von 0,025 g/kwh nicht überschreiten. Motoren mit weniger als 37 kw Nennleistung müssen derzeit mit 0,6 g/kw bei der Klasse kw hingegen weniger strenge bzw. <19 kw keine Grenzwerte erfüllen. Diese sollen erst ab dem Jahr 2019 mit Einführung einer neuen Stufe V verschärft werden. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Stufe V ist die Einführung eines Grenzwertes für die Partikelanzahl wie bei aktuellen Dieselmotoren für Pkw und schwere Nutzfahrzeuge. Technisch waren die Emissionsgrenzwerte bis zur Stufe IIIA rein innermotorisch einhaltbar. Seit Einführung der Stufe IIIB verfolgen die Motoren- und Maschinenhersteller verschiedene Strategien. Während viele Hersteller, insbesondere im Leistungsbereich <130 kw, weiterhin auf die innermotorische Einhaltung abzielen, baut ein Teil der Hersteller auch geschlossene Dieselpartikelfilter (DPF) ein. Die Einhaltung des Partikelanzahlgrenzwertes der geplanten Stufe V von 1x10^12 erfordert bei Dieselmotoren nach heutigen Kenntnissen hingegen explizit den Einbau von DPF. In der Schweiz gilt bereits seit 2010 ein PN- Grenzwert für Neumaschinen, so dass hier nur Neumaschinen mit Partikelfilter in Verkehr gebracht werden können.

18 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 17 Inkrafttreten für Neumaschinen Abbildung 4: PM-Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen mit Selbstzündungs(CI)-motoren nach EU-Richtlinie 97/68/EG Vergleichbare Reduktionen wie bei PM wurden auch bei den Emissionsgrenzwerten für NO X umgesetzt (Abbildung 5). Seit 2014 müssen Motoren mit kw mit der Stufe IV einen Grenzwert von 0,4 g/kwh einhalten und sind damit auf demselben Standard wie die aktuellen Lkw-Motoren mit Euro VI. Schwächere Grenzwerte gelten auch hier für kleinere Motoren. Auch hier konnten die Emissionsgrenzwerte bis zur Stufe IIIA innermotorisch eingehalten werden. Neuere Motoren verfügen in der Regel über zusätzliche Abgasminderungssysteme wie Abgasrückführung (AGR) oder selektive katalytische Reduktion (SRC).

19 18 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Inkrafttreten für Neumaschinen Abbildung 5: NO X-Emissionsgrenzwerte für mobile Maschinen mit Selbstzündungs(CI)-motoren nach EU-Richtlinie 97/68/EG Grenzwerte für Benzin- und Gasmotoren Die Emissionsgrenzwerte in der EU für Benzinmotoren unterscheiden sich deutlich von denen der Dieselmotoren. Erstere fallen in den Bereich der Fremdzündungsmotoren, für welche aktuell nur Grenzwerte für Nennleistungen <19 kw definiert sind. Mit der Stufe V müssten ab dem Jahr 2019 auch Geräte bis 56 kw einbezogen werden. Der NO X -Grenzwert für Fremdzündungsmotoren liegt seit der Stufe II, welche abhängig von der Hubraumklasse zwischen 2004 und 2010 gilt, bei 10 g/kwh und damit nur geringfügig höher als bei den Dieselgeräten mit kw. Zusätzlich gilt abhängig von der Größenklasse ein Summengrenzwert für die NO X +HC-Emissionen zwischen 12,1-72 g/kwh [IFEU, 2004a]. Im Gegensatz zu den Dieselmotoren treten spezifische hohe Emissionen bei Fremdzündungsmotoren vor allem bei HC und CO auf, weshalb für diese Schadstoffe Grenzwerte gelten. Durch etablierte Abgasminderungstechnologien, vor allem den 3-Wege-Katalysator, können diese Emissionen jedoch deutlich reduziert werden. Partikelgrenzwerte existieren nicht. Zwar können insbesondere 2-Taktmotoren und neuere direkteinspritzende Motoren ähnlich hohe Partikelemissionen wie Dieselmotoren verursachen. Diese werden in mobilen Maschinen jedoch nur vereinzelt eingesetzt, weswegen die EU-Kommission bisher auf die Einführung eines Grenzwert wegen mangelnder Kosteneffizienz verzichtet hat [JRC, 2008]. Flüssiggasmotoren sind in der EU-Richtlinie 97/68/EG nicht differenziert. In der Regel fallen diese zwar in den Bereich der Fremdzündungs- bzw. Ottomotoren. Als Bezugskraftstoff für die Typprüfung wird allerdings nur Benzin definiert. Auch ist bei Kennzeichnung der Motorenfamilie nur Diesel oder Benzin unter Kraftstofftyp konkret anzugeben [COM, 2011]. Hinzukommend liegt die Nennleistung bei bisherigen LPG-Anwendungen, wie im Bereich der Gabelstapler, meist über 19 kw, für welche selbst Benzinmotoren derzeit ohne Regulierung sind.

20 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 19 Die derzeit in Deutschland eingesetzten LPG-Geräte müssen daher bisher keine Emissionsgrenzwerte erfüllen. Einige Hersteller bieten aber unabhängig von der aktuellen Emissionsgrenzwertverordnung optional Geräte mit 3-Wege-Katalysator oder mit nach US- Regulierung zertifizierten Motoren an. Bei letzterer werden im Gegensatz zur EU schon heute Gasmotoren (sowohl LPG als auch CNG) in der Grenzwertgesetzgebung differenziert. Weiterhin sind auch für Fremdzündungsmotoren >19 kw (sog. Large SI engines ) eingeschlossen. Jahr HC+NO X CO ,0 50 Nach ,7 4,4 (max. 20,6*) Anmerkung: * Für die CO-Emissionen sind höhere Werte zulässig, wenn die Formel: (HC+NO X) x CO 0,784 8,57 erfüllt ist. Quelle: EPA Tabelle 2: US-Emissionsgrenzwerte für LPG-Maschinen >19 kw ( large SI engines, General Duty-Cycle ) Im aktuellen Kommissionvorschlag zur Einführung der Stufe V werden hingegen auch gasförmige Kraftstoffe, darunter LPG, differenziert und Bezugskraftstoffe definiert [EU, 2014]. Weiterhin sollen die Größenklassen auf alle Leistungsbereiche, also auch Fremdzündungsmotoren über 19 kw ausgedehnt werden. Die jeweiligen Emissionsgrenzwerte werden dabei im Wesentlichen an die heutigen US-Standards angeglichen. Somit würde bei Inkrafttreten der Stufe V gewährleistet, dass in Europa nur noch LPG-Geräte nach dem Stand der Technik, eingesetzt werden. Ein indirekter gesetzlicher Treiber für die Emissionsreduktion von heutigen LPG-Geräten sind die Arbeitsschutzbestimmungen zum Immissionsschutz, insbesondere in Innenbereichen. Diese begünstigt für bestimmte Anwendungen, dass unabhängig von der Emissionsgesetzgebung technische Maßnahmen zur Schadstoffreduktion, z.b. Einbau von Katalysatoren, getroffen werden. Emissionsarme LPG-Anwendungen in Innenbereichen Prinzipiell gelten für die Anwendung von mobilen Maschinen und Geräten in Deutschland auch die Verordnungen für den Arbeitsschutz. Die Technischen Regeln für Gefahrstoffe geben maximal zulässige Arbeitsplatzgrenzwerte vor (TRGS 900). Für den Einsatz von Otto-Motoren ist hierbei insbesondere der Grenzwert für CO (35 mg/m³) relevant. LPG-Geräte können hierbei geringere Emissionen als Benzingeräte aufweisen. Durch den Einsatz von etablierten Katalysator-Technologien (Oxikat oder Drei-Wege-Kat) können die Emissionen weiter reduziert werden (siehe Kapitel 3.2). Für den Arbeitsschutz gegenüber den Abgasen von Dieselmotoren (TRGS 554) existieren zusätzliche Anforderungen. Die Konzentration an Dieselruß, gemessen als elementarer Kohlenstoff (EC), darf beim Tunnel- und Bergbau nicht 0,3 mg/m³ und bei anderen Anwendungen nicht 0,1 mg/m³ überschreiten. Für den Einsatz von Dieselgeräten in geschlossen Bereichen wird daher der Einsatz von Dieselpartikelfilter (DPF) gefordert. Die TRGS nennen hierbei LPG als möglichen Alternativkraftstoff. Zum Einsatz von Flurförderfahrzeugen in ganz oder teilweise geschlossenen Arbeitsbereichen müssen Arbeitgeber demnach vor einer Neuanschaffung prüfen, ob auf Dieselfahrzeuge zugunsten von anderen Technologien verzichtet werden kann (siehe Anlage 4-1, TRGS 554).

21 20 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität 3.2 Emissionsfaktoren von LPG-Motoren in mobilen Maschinen Zu den Emissionen von LPG-Anwendungen in mobilen Maschinen existieren bisher verglichen mit Straßenfahrzeugen nur wenige Informationen. Eine systematische Ableitung von Emissionsfaktoren nach Maschinentyp, Kraftstoff, Leistungsklasse, Alter bzw. Emissionsstandard wird in der Regel nur in Emissionsbilanzierungsmodellen, u.a. auch in TREMOD- MM, durchgeführt. Hierbei sollen weiterhin die Emissionen im Realbetrieb, d.h. unter dynamischen Bedingungen, abgebildet werden. Im Modell TREMOD-MM werden aktuell nur Emissionsfaktoren mit LPG-betriebenen Gabelstaplern berücksichtigt, welche jedoch als näherungsweise repräsentativ für LPG-Geräte mit Ottomotoren und einer Leistung über 19 kw angesehen werden können. Diese werden im Folgenden beschrieben und mit Emissionsfaktoren zweier weiterer Modelle, der Schweizer Offroad-Datenbank [BAFU, 2008] und dem NONROAD-Modell der US EPA [EPA, 2013] verglichen Diskussion der Datenlage Messdaten für LPG-Geräte in Deutschland existieren nur sehr vereinzelt. Im Modell TRE- MOD-MM wurden hierfür Daten zu drei Gabelstaplern aus [Miersch / Sachse, 1999] verwendet. Die Messdaten wurden in den offiziellen Typprüfzyklen ISO 8178-C2 und ISO D2 für die Schadstoffe CO, HC und NO X ermittelt. Dem NONROAD-Modell der US EPA liegen vergleichbare Daten für Gabelstapler zugrunde, die für Geräte ohne Abgasnorm verwendet werden. Da in den USA im Gegensatz zu Europa für neuere LPG-Geräte Emissionsgrenzwerte gelten (siehe 3.1.2), können diese Daten auch ohne Messungen abgeschätzt werden. Im EPA-Modell werden auch Emissionsfaktoren für PM angegeben, deren Messgrundlage bei der Recherche mangels Dokumentation nicht nachvollzogen werden konnte. Die EPA veröffentlichte in der Vergangenheit auch Typzulassungswerte für neu auf den Markt gebrachte LPG-Motoren. Diese umfassen allerdings entsprechend den Emissionsgrenzwerten meist nur den Wert für CO und den Summenwert für NO X +HC. Die Emissionsfaktoren des Schweizer Modells stützen sich auf eine Veröffentlichung von [Mayer et al., 2005]. Die Emissionsfaktoren sind nach Abgastechnologie differenziert, die empirische Grundlage konnte im Rahmen der Recherche jedoch nicht geprüft werden. Die Analyse der aufgeführten Quellen verdeutlicht, dass die empirische Datenbasis zur Ableitung vergleichbarer Emissionsfaktoren für LPG-Maschinen vergleichsweise gering ist. Um die sich hieraus ergebenden Unsicherheiten zu reduzieren, wären folgende Schritte erforderlich: Durchführung von PM-Messungen zur empririschen Absicherung der Emissionsfaktoren für PM Emissionsmessungen an aktuelleren LPG-Motoren und unter realitätsnahen Einsatzbedingungen (bisherige Messungen stützen sich auf stationäre Messzyklen ISO C2 und ISO 8178 D2)

22 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 21 Erweiterung der Datenbasis für Leistungsklassen <19 und >75 kw, um neben LPG- Gabelstaplern auch weitere Maschinentypen gut abbilden zu können Dual-Fuel Geräte, welche LPG in Dieselmotoren nutzen, werden bisher in keinem der hier genannten Modellen berücksichtigt. Die Ableitung von vergleichbaren Emissionsfaktoren gestaltet sich dabei noch schwieriger als bei den etablierten Otto-Motoren mit LPG. Die bisherigen Erkenntnisse zu solchen Anwendungen werden daher nur informativ im Kapitel aufgeführt, aber nicht in dem Emissionsvergleich zu reinen Benzin- oder Dieselgeräten berücksichtigt Emissionsfaktoren für LPG-Geräte Abbildung 6 zeigt die in den Modellen zugrunde gelegten Emissionsfaktoren 1 für LPG-Geräte >19 kw für die Schadstoffe HC, CO, NO X und PM. Die in [BAFU, 2008] und [EPA, 2010a] angegebenen Faktoren unterscheiden unregulierte Geräte bzw. solche ohne Abgasnachminderungstechnik und Geräte mit Katalystor (Oxidations- oder Drei-Wege-Katalysator) bzw. mit Erfüllung des US Emissionsstandards Phase 1 und Phase 2. In [BAFU, 2008] wurden ferner Annahmen zu den Anteilen der Abgasminderungstechnologien im Gabelstaplerbestand pro Bezugsjahr in der Schweiz getroffen. Eine Übertragbarkeit dieser Annahmen auf Deutschland wird jedoch nicht als plausibel angesehen, weswegen im Folgenden nur die Einzeltechnologien dieser Quelle aufgeführt sind. 1 Die in den jeweiligen Quellen angegebenen Anpassungsfaktoren für den dynamischen Betrieb wurden hierbei berücksichtigt.

23 22 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Quellen: [1]: [IFEU, 2004b], [2]: [BAFU, 2008], [3]: [EPA, 2010a], eigene Berechnungen. Anmerkung: Emissionsfaktoren im Realbetrieb (transiente Anpassungsfaktoren für Gabelstapler berücksichtigt). Abbildung 6: Übersicht der in verschiedenen Modellen verwendeten Emissionsfaktoren für LPG-Geräte >19 kw. Die aufgeführten Quellen verdeutlichen, dass die Bandbreite bei den Emissionsfaktoren, insbesondere bei den HC- und CO-Emissionen, sehr groß ist. Hieraus ergeben sich gewisse Unsicherheiten bei der Verwendung von mittleren Emissionsfaktoren, insbesondere bei unregulierten Motoren, bei denen z.b. die Motoreinstellung entscheidend ist. Signifikanter auf die Unterschiede wirken sich jedoch die eingesetzten Abgasminderungstechnologien aus. Die Faktoren aus [BAFU, 2008] verdeutlichen hierbei, dass Oxidationskatalysatoren die HC- und CO-Emissionen reduzieren, während Drei-Wege-Katalysatoren zuätzlich die NO X -Emissionen reduzieren. Diese Effekte werden auch in anderen Analysen für mobile Maschinen beschrieben (vgl. [CARB, 1999; Miersch / Sachse, 1999]). Die Daten des EPA-Modells wiederum orientieren sich vorrangig an den Grenzwerten, was vor allem die hohen CO-Emissionen bei Phase 1 und Phase 2 erklärt. Real dürften die Grenzwerte meist jedoch deutlich unterschritten werden. So lag der Mittelwert der CO-Emissionen aus den Zertifizierungsdaten von LPG-Motoren >19kW im Jahr 2008 und 2009, also mit dem Standard Phase 2, bei ca. 1 g/kwh 1 [EPA, n.d.] und ähnelt daher dem Wert für Geräte mit Oxi- bzw. Drei-Wege-Kat nach [BAFU, 2008]. Zu den PM-Emissionen liegen leider keine Grenzwerte bzw. Typprüfdaten vor. Die angenommen Faktoren verdeutlichen, dass 1 Mittelwert aus 22 Motoren, fuel : Propane oder LPG, fuel system type One Fuel

24 Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität ifeu 23 hier je nach Quelle eher pauschale Werte angesetzt werden, die nicht oder kaum durch den Einsatz von Katalysatoren beeinflusst sind. LPG-Geräte <19 kw werden in keinem der Modelle berücksichtigt. Da solche Anwendungen jedoch potenziell auch möglich und insbesondere für den Vergleich mit Benzingeräten relevant sind, werden hier nur die Daten der EPA-Typprüfungen einbezogen 1 [EPA, n.d.]. 3.3 Vergleich von LPG- zu Benzin- und Dieselgeräten Im Folgenden werden die Emissionsfaktoren von LPG-Geräten denen von Diesel- und Benzingeräten aus dem Modell TREMOD-MM gegenübergestellt. Vereinfacht werden Benzingeräte nur beim Vergleich der CO- und HC-Emissionen berücksichtigt, da die NO X - und PM-Emissionen bei Benzingeräten nach derzeitigen Informationen sehr gering sind 2. Die Emissionen werden für Neugeräte verglichen. Bei den Diesel- und Benzingeräten werden die Faktoren nach Größenklassen unterschieden, um die jeweils aktuelle Abgasstufe (inklusive der aktuell vorgeschlagenen Stufe V) zu berücksichtigen. Da bei den LPG-Geräten in Deutschland noch keine solchen Grenzwerte existieren und konkrete Informationen zu den eingesetzten Abgastechnologien fehlen, wird vereinfacht die Bandbreite der Emissionsfaktoren aus Kapitel für alle Größenklassen > 19 kw angenommen. Auch werden Alterungsfaktoren (z.b. durch Abnutzung des Motoren bzw. Katalysators) somit nicht berücksichtigt. Die Ergebnisse des Vergleichs zeigen die folgenden Abbildungen. Bei den NO X - und PM-Emissionen (Abbildung 7) haben LPG-Geräte potenziell einen Vorteil gegenüber kleineren Dieselgeräten, insbesondere <37 kw. Bei Geräten mit kw können mit LPG niedrigere NO X -Emissionen erzielt werden. Gegenüber Geräten, welche mindestens die Stufe IIIB einhalten, sind die PM-Emissionen in einer ähnlichen Größenordnung. Bei Geräten mit der Stufe IV trifft dasselbe für die NO X -Emissionen zu. Der Vorteil deutlich geringerer Partikelemissionen von LPG in der Klasse kw könnte zukünftig entfallen, wenn die geplante Abgasstufe V für diese Geräte in Kraft tritt. Dies dürfte bei Dieselmaschinen jedoch nur durch den Einsatz geschlossener Partikelfilter umzusetzen sein 3. In der Nachrüstung kosten solche Filter typischerweise zwischen (19-37 kw) und ( kw). Für Neumaschinen der Stufe IIIB wurden nach Angaben des VDMA (Verband deutscher Maschinen und Anlagenbau) Produktionsmehrkosten von % gegenüber der Stufe IIIA angenommen. [IFEU, 2014]. Für die Stufe IV sind zusätzliche Systeme wie SCR-Anlagen nötig, welche die Kosten weiter steigern. Diese Mehrkosten könnten für Maschinenhersteller ein Anreiz für die Entwicklung von Gasmotoren sein, sofern damit eine weniger teure Abgasnachbehandlung verbunden und ein Marktpotenzial absehbar ist. 1 Mittelwerte aus 50 Motoren, Jahr 2006 (vorwiegend Phase 2 ) test fuel : LPGl 2 Insbesondere 2-Takt Geräte können jedoch ähnlich hohe PM-Emissionen wie ältere Dieselgeräte haben (siehe [IFEU, 2004b]) 3 Insbesondere wegen des in der Stufe V vorgesehenen Partikelanzahl (PN)- Grenzwertes

25 24 ifeu Einsatzmöglichkeiten von LPG in mobilen Maschinen und Auswirkungen auf die Luftqualität Erläuterung: * Grenzwertvorschlag nach [EU, 2014]. CI: compression ignition. Transiente Anpassungsfaktoren wurden für den mittleren Lastbereich (25-45% der Nennleistung) angewendet. Abbildung 7: Vergleich der NO X- und PM- Emissionen von Dieselmaschinen mit LPG-Maschinen nach Leistungsklassen Den Emissionsvergleich bei den HC- und CO-Emissionen zeigt Abbildung 8, bei welchem zusätzlich Benzingeräte mit weniger als 19 kw berücksichtigt sind. Hier wird deutlich, dass bei Dieselgeräten die HC- und CO-Emissionen bereits auf einem sehr niedrigen Niveau sind, welches dem von LPG-Antrieben mit Katalysator ähnelt. Bei den Benzingeräten sind die Emissionen wie auch die zulässigen Emissionsgrenzwerte - jedoch um ein Vielfaches höher. Hier bieten LPG-Geräte potenziell deutliche Emissionsvorteile. Die zugrundeliegenden Mittelwerte aus den EPA-Zertifikationsdaten für Geräte < 19 kw (s. voriges Kapitel) sollten hierbei eher als untere Bandbreite interpretiert werden. Die aktuellen US-Standards der Phase 3 werden jedoch deutlich unterschritten und auch die Emissionsfaktoren für LPG- Geräte >19 kw ohne Abgasminderung liegen deutlich unter den Werten für Benzinmotoren. Die Vorteile dürften insbesondere für den Arbeitsschutz, z.b. bei Anwendungen von Baumaschinen in Gräben oder Geräten im Innenbereich, relevant sein. Erläuterungen: * Grenzwertvorschlag nach [EU, 2014]. CI: compression ignition, SI: spark ignition, 2T: 2-Takter, im Beispiel <20 ccm für handgehalte Geräte. 4T: 4-Takter, im Beispiel > 225 ccm. Transiente Anpassungsfaktoren wurden für den mittleren Lastbereich (25-45% der Nennleistung) angewendet. Abbildung 8: Vergleich der HC- und NO X- Emissionen von Benzin- und Dieselmaschinen mit LPG-Maschinen nach Leistungsklassen