Luftgüteziele und Emissionsentwicklung bei Kraftfahrzeugen Wunschvorstellung oder reale Zielvorgaben?

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1 P e/p ] ra _ W/k ) /h g([ x ON _ rate d n _norm nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüteziele und Emissionsentwicklung bei Kraftfahrzeugen Wunschvorstellung oder reale Zielvorgaben? a.o.univ.-prof. Dr. Peter Sturm a.o.univ.-prof. Dr. Stefan Hausberger PHEM Passenger car and Heavy duty Emission Model Driving resistances & transmission losses Transient engine engine maps maps r e wopdet Gearshift model Transient correction functions Engine load, Fuel consumption, Emissions Cold start module The rm a l b eh a vi o u r o f engine & catalysts SC R - module 1 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Einleitung Aufgrund medizinischer Erkenntnisse wurden und werden Grenzwerte für Schadstoffe in der Luft verschärft. Derzeit werden in der EU Grenzwerte für PM10 und NO 2 überschritten sowie Zielwerte für Treibhausgasemissionen verfehlt. m Gegensatz zu früheren Jahren haben Überschreitungen dieser Grenzwerte rechtliche Folgen. Das führt dazu, dass technische Maßnahmen notwendig sind, um die Emissionen zu reduzieren. Auf den KFZ-Verkehr bezogen, waren bzw. sind Vorgaben für die Luftgüte treibende Kraft auf die Entwicklung der Emissionsgrenzwerte. Die Ziele für die Luftgüte und die aus der Emissionsgesetzgebung zu erwartenden Trends erscheinen jedoch nicht abgestimmt. 3 1

2 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüteziele Luftgüteziele sind in der EU Tochterrichtlinie vorgegeben und im G-L für Österreich umgesetzt. Stickstoffdioxid (NO2) EU ( EG) G-L Jahresmittelwert 40 µg/m³ 30 µg/m³ (ab ) 35 µg/m³ ( )* Kurzzeitmittelwert 200 µg/m³ (1h-Mittelwert) 18 Überschreitungen zulässig 200 µg/m³ (0,5 h Mittelwert) Keine Überschreitung zulässig * G-L Novelle 2010 Evaluierung der Toleranzmarge von 5 µg/m³ im Jahr nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte NO2 Status 2011 Jahresmittelwert (2011) Halbstundenmittelwert (2011) EU ( EG) GW 40 µg/m³ Überschreitungen an 7 Messstellen Maximum: 56 µg/m³ (A1 Parkplatz Enns/Kristein) GW 200 µg/m³ als Stundenmittelwert 15 Überschreitungen zulässig 1 Überschreitung (Linz) G-L GW 35 µg/m³ bzw. 30 µg/m³ Überschreitungen an 27 bzw. 40 Messtellen GW 200 µg/m³ Überschreitungen an 15 Messstellen Klagenfurt Sterneckstr. 336 µg/m³ (1Ü) Linz Römerberg 264 µg/m³(19 Ü) 5 2

3 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüteziele Luftgüteziele sind in der EU Tochterrichtlinie vorgegeben und im G-L für Österreich umgesetzt. Feinstaub (PM10) EU ( EG) G-L Jahresmittelwert 40 µg/m³ 40 µg/m³ Kurzzeitmittelwert 50 µg/m³ (Tagesmittelwert) 35 Überschreitungen zulässig 50 µg/m³ (Tagesmittelwert) 25 Überschreitungen zulässig 6 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte PM10 Status 2011 Jahresmittelwert (2011) GW 40 µg/m³ Tagesmittelwert (2011) GW 50 µg/m³ EU ( EG) Überschreitungen an keiner Messstelle 35 ÜT zulässig Überschreitungen an 43 Messstellen (von 140) G-L Überschreitungen an keiner Messstelle Maximum: 38,5 µg/m³ (Graz Don Bosco) 25 ÜT zulässig Überschreitungen an 80 von 140 Messstellen Maximum: 78 ÜT Don Bosco 76 ÜT Leibnitz 7 3

4 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte NO2 Status nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte PM10 TMW Status

5 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte PM10 JMW 10 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte NOx JMW 11 5

6 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Luftgüte NO2 JMW 12 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Nichteinhaltung von Luftgütezielen Folgen der Grenzwertüberschreitungen: Statuserhebung notwendig (wer ist für was verantwortlich) Festlegung von Sanierungsgebieten (wo sind Maßnahmen zu setzen) Definition von Maßnahmenplänen (was ist zu tun, damit Grenzwertüberschreitungen langfristig gesehen unterbleiben) 13 6

7 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Emittentenzuordnung Österreich NOx 14 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NOx Zielvorgaben Emissionen 15 7

8 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Emittentenzuordnung Österreich PM 16 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Emittentenzuordnung Österreich PM 17 8

9 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Anteil des Verkehrs an der Luftgütesituation Maßnahmen und Wirksamkeit NOx: Verkehrsanteil dominierend emissionsseitige Maßnahmen bei Fahrzeugen für langfristige Reduktion lokale zusätzliche Maßnahmen zur Reduktion der Aktivität (= Anzahl der gefahrenen km) Hohe Wirksamkeit zu erwarten PM10: Verkehrsanteil 20 bis 25% emissionsseitige Maßnahmen bei Fahrzeugen für langfristige Reduktion vor allem der kleinen Partikel (<1 µm) lokale zusätzliche Maßnahmen zur Reduktion der Aktivität (= Anzahl der gefahrenen km) Bezogen auf PM10 und PM2.5 eher geringe(re) Wirksamkeit zu erwarten 18 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Summe HC + NOx [g/km] Fahrzeugemissionen - Erfolge Emissionsgrenzwerte HC+NOx-Otto % -90% -90% 0g/km Verbesserte Verbrennung ECUs + Abgasnachbehandlung +Systemoptimierungen 19 9

10 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Testzyklen für PKW Rollenprüfstand NEDC Real World 100 km/h Time [s] Real World = CADC (Common ARTEMS Driving Cycle) 20 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Fahrzeugemissionen - Erfolge HC Emissionen 1420 PKW Otto im NEDC und im real world Zyklus CADC HC PKW-Otto NEDC CADC 1/3-Mix [g/km] PreEURO 1 EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO

11 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Fahrzeugemissionen HC Emissionen des Verkehrs in Österreich HC [1000t/Jahr] % Summe Off-Road Motorräder Mofas Summe SNF LNF Verdunstung PKW Diesel PKW Otto ohne Kat PKW Otto mit Kat Jahr 22 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik g/kwh NO x Dieselfahrzeuge Emissionsgrenzwerte Diesel NOx PKW NOx SNF NFZ-Test: ECE R49 ESC ESC+ETC WHTC EU EU EU EU EU6-60% -40% bis -80% -50 bis -80% ECU Verbesserte Verbrennung + Abgasnachbehandlung (SNF ab EURO V) ECUs 0g/km? +Systemoptimierungen 23 11

12 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NOx [g/km] Fahrzeugemissionen partielle Probleme NOx Emissionen SNF im realen Betrieb (Bsp. 40t Lastzug, 50% beladen) EURO 0 EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 AGR EURO 4 SCR EURO 5 AGR EURO 5 SCR -70% NO NO2 EURO 6 24 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Fahrzeugemissionen - Probleme NO x von 154 Diesel-PKW im NEDC und im CADC real world Zyklus NEDC CADC 1/3-Mix NOx [g/km] PreEURO 1 EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 NO 2 NO

13 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Ergebnisse PKW NOx Status= EU 5 Diesel: 16 PKW EU 6 Diesel: 5 PKW EU 5 Otto: 8 PKW (meistens nur ERMES-Zyklus) Balken = 95% Konfidenzintervall für Mittelwert Resümee PKW-Diesel: EURO 5 / EURO 4 ~ +20% NOx im realen Betrieb (je nach Verkehrssituation) EURO 6 / EURO 4 ~ -50% bis -60%. Achtung: PKW-Samlpe nicht repräsentativ für Flotte! 28 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Ergebnisse PKW Partikel Status= EU 5 Diesel: 16 PKW EU 6 Diesel: 5 PKW EU 5 Otto: 8 PKW (meistens nur ERMES-Zyklus) Balken = 95% Konfidenzintervall für Mittelwert Resümee: Diesel EURO 5 / EURO 4 ~ -85% PM im realen Betrieb (je nach DPF Durchdringung in EU4) Diesel EURO 6 / EURO 4 ~ -95% Achtung: PKW-Sample nicht repräsentativ für Flotte! Otto zeigt steigende Tendenz Richtung EURO5 aber auf niederem Niveau 29 13

14 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Ergebnisse PKW Partikelanzahl Status= EU 5 Diesel: 16 PKW EU 6 Diesel: 5 PKW EU 5 Otto: 8 PKW (meistens nur ERMES-Zyklus) Gemischt GD und Saugrohreinspritzung Balken = 95% Konfidenzintervall für Mittelwert Resümee: Diesel: PN sinkt gegenüber EURO 4 deutlich (EU 5: -90%, EU 6: -99%) Otto: PN steigt deutlich stärker als PM allerdings auch auf niedrigem Niveau (~20% von Diesel EU4) eventuell bei EURO 4 und 5 noch Messartefakte 30 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Ergebnisse PKW HC Status= EU 5 Diesel: 16 PKW EU 6 Diesel: 5 PKW EU 5 Otto: 8 PKW (meistens nur ERMES-Zyklus) Resümee: HC-Emissionen generell nieder, bei Diesel zu EURO 6 steigend. Balken = 95% Konfidenzintervall für Mittelwert 31 14

15 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Ergebnisse Schwere Nutzfahrzeuge NOx Vergleich Messung erstes EU V Sattelzugfahrzeug versus HBEFA 3.1 Resümee: Gemessenes EURO V Zugfahrzeug liegt auf Niveau wie für HBEFA 3.1 angenommen EURO V mit AGR-Technologie liegt etwas höher als für HBEFA 3.1 angenommen 32 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NOx Fahrzeugemissionen NOx Emissionen des Verkehrs in Österreich 120 NOx [1000t/Jahr] Jahr Summe Off-Road Motorräder Mofas Summe SNF LNF PKW Diesel PKW Otto ohne Kat PKW Otto mit Kat 35 15

16 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NO 2 Fahrzeugemissionen NO 2 Emissionen des Verkehrs in Österreich NO2 [1000t/Jahr] Jahr +130% Summe Off-Road Motorräder Mofas Summe SNF LNF PKW Diesel PKW Otto ohne Kat PKW Otto mit Kat 36 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Fahrzeugemissionen - PM Abgas Partikelemissionen des Verkehrs in Österreich Abgas Partikel [1000t/Jahr] % Summe Off-Road Motorräder Mofas Summe SNF LNF PKW Diesel PKW Otto ohne Kat PKW Otto mit Kat 1 0 Bestand Diesel PKW ver30-facht Jahr 37 16

17 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NO 2 Problemschadstoff trotz NOx Emissionsreduktion Trend Berlin (Quelle: M. Lutz Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz) µg/m³ G-L GW 2012* * dzt µg/m³, Evaluierung nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NOx Wien gesamt 39 17

18 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NOx Wien 40 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NOx Wien 41 18

19 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NO2 Wien 42 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik 60 Validierung 2005 JMW NO2 Wien Simulation Szenario y = 0.99x R 2 = 0.91 Hietzinger Kai (2009) P. Sturm, Messung S. Hausberger; 2005November

20 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NO2 Wien Verkehr Hintergund stat. NÖ reg. Taborstraße NÖ 1% 8% 1% Hintergund reg. 19% Kaiserebersdorf Haushalte Wien 7% +G+F Wien 13% Verkehr NÖ 8% Verkehr Wien 46% Verkehr Wien 70% stat. NÖ 16% Haushalte Wien 2% +G+F Wien 9% stat. NÖ 1% Haushalte Wien 4% +G+F Wien 5% Verkehr Hintergund NÖ reg. 1% 9% Hitzinger Kai Verkehr NÖ 2% stat. NÖ 2% Hintergund reg. 14% Stephansplatz Haushalte Wien 8% Verkehr Wien 51% +G+F Verkehr Wien Wien 23% 80% 44 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NOx Wien 45 20

21 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2020 JMW NOx Wien 46 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2005 JMW NO2 Wien 47 21

22 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2020 JMW NO2 Wien 48 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario % Diesel PKW JMW NO2 Wien 49 22

23 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Szenario 2020 JMW NO2 Wien Differenz zu BAU 50 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik PM10 JMW (2006), Graz Graz Emissionen Graz aber meteorologische Situation Wien Quelle: D. Öttl 51 23

24 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik PM 10 Jänner-Mittelwert nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik PM 10 Jänner-Mittelwert

25 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik PM 10 Jänner-Mittelwert nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik PM 10 Jänner-Mittelwert

26 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Vergleich Primär-/Sekundäraerosol Mittelwert Jänner 2010 Domain 01 Domain 02 Domain 03 Domain 04 (Leibnitz/Marb.) (Europa) (Ostalpen) (Klagenfurt) PM 10 [µg/m³] Sekundär [µg/m³] Sekundär/PM 10 [%] nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Nicht-technische Maßnahmen zur Emissionsreduktion (Straßenverkehr) VBA-Umwelt Festlegung der höchstzulässigen Fahrgeschwindigkeit Erste Anlage A2 Süd im Bereich Gleisdorf Lärm Anlagen nun in T, OÖ, S, NO2 Problem JMW St, K ` PM10 Überschreitungstage Hohe Maßnahmenwirksamkeit bei CO2 und NOx Relativ geringe Maßnahmenwirksamkeit bei PM10, vor allem im Bereich der Anzahl der Überschreitungstage 57 26

27 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Aktuelles Beispiel zu nicht-technischen Maßnahmen 1.0 VBA Umwelt PM10 Beiträge 0.9 Auswirkung auf den JMW PM10 in µg/m³ % % % % Tempolimit ganzjährig % flexibles Tempolimit mit 0.5 Schwellenwert = 2,8 µg/m³ 50% Maßnahmenwirksamkeit % % % Maßnahmenwirksamkeit Auswirkung auf den JMW PM10 in µg/m³ Tempolimit ganzjährig 0.6 flexibles Tempolimit mit 0.5 Schwellenwert = 2,8 µg/m³ Maßnahmenwirksamkeit Entfernung von Straßenachse in m 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Maßnahmenwirksamkeit % 0.0 0% Entfernung von Straßenachse in m 58 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Nicht-technische Maßnahmen zur Emissionsreduktion (Straßenverkehr) Reduktion der Fahrleistung Effektive Zugangsbeschränkungen zu bestimmten Bereichen für ALLE KFZ hohe Maßnahmenwirkung CO2 sowie gasf. Schadstoffe (und PM) Zugangsbeschränkungen verbunden mit City Maut reine Frage der Höhe der Maut Umweltzonen Z.b. Zufahrtbeschränkung für Diesel PKW ohne DPF und Otto EURO 0 Haupteffekt ist beschleunigte Flottenerneuerung, dh. vorgezogener Fahrzeugneukauf Nachrüstaktionen sind in der Regel kaum dauerhaft emissionswirksam 59 27

28 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Beispiel zu nicht-technischen Maßnahmen Umweltzone als Maßnahme Reduktion PM 10 Z.b. Zufahrtbeschränkung für Diesel bis EURO3 und Otto EURO 0 simuliert. Haupteffekt ist beschleunigte Flottenerneuerung. Effekt auf NO 2 -Emissionen gering, da EURO 5 kaum geringeres NO 2 produziert als EURO 1 bis EURO 3. Bei zusätzlichem Anreiz für Filternachrüstungen kann NO 2 sogar zunehmen. Change against BAU [%] 5% 0% -5% -10% -15% -20% -25% -30% -35% -40% -15% -4% -5% 1% within EZ total Graz PM exhaust PM10 traffic NOx NO2 direct 60 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Beispiel zu nicht-technischen Maßnahmen Umweltzone als Maßnahme Reduktion PM 10 Auswirkungen auf Luftgütesituation Messstelle Graz Nord: JMW und TMW kaum nachweisbar Messstellen Graz Mitte, West, Ost: leichte Erhöhung möglich < 1 ÜT Messstelle Graz Süd: JMW minus 1,0 bis 1,5 µg/m³ TMW minus 4 bis 7 ÜT 61 28

29 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Aktuelles Beispiel zu nicht-technischen Maßnahmen 1200 PM10 Graz Süd [µg/m³] /04 04/05 05/06 06/07 07/08 08/09 09/10 10/ : Datum 00:00 00:00 00:00 00:00 Zeit 00:00 00:00 00:00 00:00 62 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Zusammenfassung Kfz-Emissionen nehmen bei HC, CO, PM, SO 2 deutlich ab. Unzureichende Typprüf-Testverfahren und Trade Off NO x -Verbrauch führen zu geringen NO x -Reduktionen abseits des Typprüfzyklus. Typprüf-Testverfahren müssen ggf. bei PKW und LNF regelmäßiger an Stand der Technik angepasst werden. Wirkung EURO 6 auf NO x nur sehr unsicher abschätzbar. NO x und CO 2 werden die nächsten Entwicklungsziele prägen. NO x ist durch Abgasnachbehandlung und Systemoptimierung lösbar, CO2 ausschließlich durch Änderung des Verbraucherverhaltens. Prognostizierte Emissionsreduktionen bei den Fahrzeugen erfolgen etliche Jahre zu spät, um die vorgegebenen Luftgüteziele vor allem bei NO2 zu erreichen. Nachhaltige Verbesserung der Luftgüte im urbanen Gebiet durch: alternative Antriebe? (Energieerzeugung ist nicht emissionslos!) Reduktion der Fahrleistung 63 29

30 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Effiziente Nutzung der Transportsysteme Danke für hre Aufmerksamkeit! 64 30

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