Zur Herkunft der NO 2 -Konzentrationen an einer BAB-Messstelle Erste Ergebnisse zu Innerortsmesswerten

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1 Startfolie Unerwartet geringe Abnahme bzw. Zunahme der NO2-Belastung Fachgespräch im Bundesumweltministerium am 15. September 25 in Bonn Zur Herkunft der -Konzentrationen an einer BAB-Messstelle Erste Ergebnisse zu Innerortsmesswerten Dr. Ulrich Höpfner, Frank Dünnebeil und Udo Lambrecht ifeu Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Internet: -1-

2 Stickoxid-Emissionen des Straßenverkehrs kt/ Jahr Stickoxid-Innerortsemissionen Busse SNF LNF Pkw Diesel Pkw Otto Zwischen 198 und heute: Rückgang der berechneten NOx- Emissionen des innerörtlichen Straßenverkehrs (Deutschland, Durchschnitt) um rund 55 %, 199 zu heute um rund 5 % Ursache: Sehr geringe spezifische Stickoxid- Emissionen der neuen Otto-Pkw mit geregeltem Katalysator -2- Quelle: IFEU mit TREMOD, Mai 25

3 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen 25 Stickoxid-Innerortsimmissionen Verkehrsmessstellen in NRW NO Immissionsentwicklung an verkehrsreichen Straßen in Deutschland (innerorts) zwischen 199 und heute: Jahresmittelwert in NO2 µg/m³ NO NOx-Immissionen: Rückgang um etwa die Hälfte NO-Immissionen: starker Rückgang -Immissionen: kein Rückgang. in NRW -3- Quelle: IFEU nach Daten LUA-NRW 24

4 Stickstoffdioxid-Immissionen in Innerortsstraßen 9 8 Stickstoffdioxid-Innerortsimmissionen Immissionsentwicklung an verkehrsreichen Straßen in Deutschland (innerorts) zwischen 199 und heute: Jahresmittelwert in µg/m³ Grenzwert 21 Berlin - Straße NRW - Straße Stuttgart-Mitte Str. Karlsruhe - Straße NOx-Immissionen: Rückgang um etwa die Hälfte NO-Immissionen: starker Rückgang. -Immissionen: kein Rückgang. in NRW. und an anderen Messstellen. oder auch: deutliche Zunahme (Stuttgart) -4- Quelle: IFEU nach Daten Berlin, NRW, BaWü

5 Ursachen hoher -Immissionen Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit 25 Stickoxid-Innerortsimmissionen Verkehrsmessstellen in NRW NO Plausible Erklärungen für das zunehmende /NOx-Verhältnis an verkehrsreichen Straßen können sein: Jahresmittelwert in NO2 µg/m³ NO Verändertes chemisches Gleichgewicht von NO, und Ozon ( Trend der Schadstoffkonzentrationen zu ländlichen Bedingungen ) 2. Höherer Anteil von in den Abgasemissionen der Kfz und damit höhere direkte Emissionen -5- Quelle: IFEU nach Daten LUA-NRW 24

6 -Emissionen der Kfz -6-

7 Spezifische NOx-Innerortsemissionen von Pkw Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit,8,7,6 Spezifische NOx-Innerortsemissionen NO NO2 Spezifische NOx- und - Emissionen von Pkw Diesel-Pkw haben höhere spezifische NOx-Emissionen als Otto-Pkw. g/km,5,4,3,2,1, Euro 1 kein Kat Euro 2 Oxi-Kat Diesel-Pkw Euro 3 Oxi-Kat Euro 4 Oxi-Kat Euro 2 G-Kat Euro 3 G-Kat Otto-Pkw Euro 4 G-Kat und zudem deutlich höhere -Anteile. Die spezifischen -Emissionen der Diesel-Pkw in den ausgewerteten Untersuchungen lagen 6- bis 5-fach höher als beim vergleichbaren Otto-Pkw Ursache: Verwendung von Oxidationskatalysatoren ab Ende Euro 1 (ca. 1993) -7- Quelle: IFEU im Auftrag des UVM Baden-Württemberg, 24

8 Spezifische NOx-Innerortsemissionen von Pkw und Bussen Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit -8- g/km 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Euro 1 kein Kat Spezifische NOx-Innerortsemissionen Euro 2 Oxi-Kat Euro 3 Oxi-Kat Euro 4 Oxi-Kat Euro 2 G-Kat Euro 3 G-Kat Euro 4 G-Kat Euro 2 Euro 2 CRT Diesel-Pkw Otto-Pkw Bus Quelle: IFEU im Auftrag des UVM Baden-Württemberg, 24 Euro 3 NO NO2 Euro 3 CRT Spezifische NOx- und - Emissionen von Pkw und Bussen Busse haben viel höhere spezifische NOx-Emissionen als Pkw. Durch die hohen -Anteile beim CRT-Filter führt das zu einem Vielfachen an -Emissionen. 1 moderner Bus mit CRT-Filter emittiert so viel wie ca. 3 Diesel- Pkw oder mehr als 1. Otto-Pkw Im normalen Stadtverkehr könnten Diesel-Pkw zu hohen - Immissionen beitragen. An Innerortsstraßen mit starkem Busverkehr könnten Busse mit CRT-Filter zusätzlich zur - Immission beitragen

9 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 (Schematische Darstellung) -9-

10 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit µg/m NO x -Konzentration an einer Autobahn Stickstoffmonoxid - NO Stickstoffdioxid Jahr Erklärungsschema für die Analyse, ob die hohen -Immissionen neben der Reaktion mit Ozon auch durch höhere -Emissionen mit dem Abgas der Kfz verursacht werden Grafische Darstellung (vergrößert): über den Zeitraum : Reduktion der NO-Immission Konstanz/Anstieg -Immission -1- Quelle: IFEU im Auftrag des BMU 25

11 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit µg/m NO x -Konzentration an einer Autobahn Annahme 1: 7% der NOx-Emissionen werden als emittiert Annahme 2: Vollständige Umwandlung des Hintergrundozons am Mittelstreifen (NO + O 3 => + O 2 ) Folgerung: Zunahme durch Erhöhung der direkten -Emissionen Jahr Annahme 1: Bei konstantem -Anteil im Abgas müsste mit Rückgang der NOx- Immission auch die -Immission in gleichem Ausmaß absinken, wenn es nicht äußere Faktoren gäbe Annahme 2: -Bildung durch Reaktion von NO mit dem von außen einströmenden Ozon (konservative Annahme einer vollständigen Umwandlung) Folgerung: Wenn mehr gemessen wird, dann ist dieses durch höhere direkte -Emissionen erklärbar -11- Quelle: IFEU im Auftrag des BMU 25

12 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 (Messwerte nur bei Wind in Süd-Nord-Richtung, ohne den NO- und -Hintergrund) -12-

13 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit 9 Konzentration von NO x, und Ozon 1.2 Beobachtung an der BAB A 4 (Messstelle der BASt in Bensberg) 8 7 NO 1. Messwerte NO- und - Immission am Mittelstreifen (JMW) NO-Reduktion um ca. 6 % -13- µg/m 3 (, Ozon) Ozon Jahr Quelle: IFEU im Auftrag des BMU 25; Daten BASt/BMVBW µg/m 3 (NO x ) Ozon (anströmender Hintergrund): Zunahme Faktor 2-3; ab 1999 Erhöhung ca. 2 % verändert sich bis ca kaum steigt jedoch ab etwa 1998 bis 24 auf das Doppelte Somit sehr große Plausibilität für die These: Erhöhte - Emissionen der Kfz Ursache für erhöhte -Immissionen

14 Analyse der -Immissionen an der BAB A4 Bisherige Entwicklung Immissionsanalyse Emissionsanalyse Fazit Konzentration von NO x, und Ozon -Anteile aus Ozon und Rest (Abgas) % Nicht durch die Ozonchemie erklärbarer NO2-Anteil Maximaler NO2-Anteil aus der Ozonchemie % 6 8 µg/m 3 (, Ozon) Jahr µg/m 3 (NO x ) 1% 5% % * ** 22** Quelle: IFEU im Auftrag des BMU 25; Daten BASt/BMVBW

15 Erstes Fazit Was wir wissen: Der -Grenzwert für 21 wird derzeit an vielen Messstellen überschritten. Die -Konzentrationen an Hauptverkehrsstraßen stagnieren oder steigen an. Ursachen können geänderte NO/Ozon-Verhältnisse und/oder zunehmende -Emissionen aus den Kfz sein. An der AUTOBAHN kann die Ozonsituation den Anstieg der -Konzentrationen in den letzten Jahren nur zum Teil erklären. Eine sehr plausible Erklärung für den größeren Teil der -Zunahme ist ein Anstieg der direkten -Emissionen der Kfz. Diverse Emissionsmessungen für Pkw und Schwere Nutzfahrzeuge (insb. Busse mit CRT-Filter) zeigen eine solche Zunahme. -15-

16 Aussagen aus aktuellen Studien zu den Ursachen hoher -Immissionen -16-

17 Aktuelle Modellrechnungen hoch belastete Straßen NO2 Konzentration [µg/m³] Modellvergleich zum Einfluss der NO2 Direktemissionen auf die NO2 Immission 5% 15% 5% Diesel und 5% Benzin 12,7% Diesel und,6% Benzin 5% 24% JMW (2) JMW (1999) TMW ( ) Frankfurt, Friedberger Landstraße (IVU Umw elt GmbH) London, Marylebone road (Carslaw und Beevers) Summe NO2 aus Hintergrund und Ozonchemie Karlsruhe, B1 (Aviso) NO2 Direktemission Drei im Sommer 25 verfügbare Studien (IVU Umwelt; Aviso; Carslaw/GB) mit demselben Ergebnis: -Immissionen sind nur mit einer erhöhten -Emission modellierbar! Die Standardannahme (NOx-Emission enthält 5 % ) muss deutlich erhöht werden, um die gemessenen - Immissionen modellieren zu können. Modellergebnisse sind unterschiedlich: Bei Aviso und IVU Umwelt führt eine erhöhte -Emission zu einer höheren direkten und höheren Ozonchemie-bedingten -Immission. Bei Carslaw führt eine erhöhte - Emission zu einer höheren direkten und niedrigeren Ozonchemiebedingten -Immission Quelle: IFEU nach Carslaw, 25; IVU, 25 und Aviso, 25; i.a. UM BaWü

18 Aktuelle Modellrechnungen hoch belastete Straßen -18- NO2 Konzentration [µg/m³] 12 1 Einfluss veränderter NO2 Direktemissionen auf die Höhe der NO2 Immission % 5% Diesel und 5% Benzin 12,7% Diesel und,6% Benzin London, Marylebone road (Carslaw und Beevers) NO2 Hintergrund NO2 Ozonchemie NO2 Direktemission Quelle: IFEU nach Carslaw und Beevers, 25; i.a. UM BaWü Carslaw teilt die -Immission auf: - -Hintergrund (gemessen) - über Ozonreaktion (modelliert) - über direkte Emission (modell.) Begründung für die Abnahme des (Ozonreaktion) mit zunehmendem -Anteil der Emission: Die geringere NO-Direktemission verschiebt das photostationäre Gleichgewicht auf die Seite von NO und Ozon mit der Folge niedrigerer -Bildung aus der Ozonchemie und steigenden Ozonwerten. Nach Carslaw ist das, das aus der direkten NO-Emission über die lokale Ozonreaktion gebildet wird, mittlerweile geringer als das direkt emittierte

19 Erste Erkenntnisse aus aktuellen Analysen von Luftmessdaten aus Baden-Württemberg (IFEU im Auftrag des UM BaWü) -19-

20 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen Stuttgart-Straßenmessstation (Hauptbahnhof) Halbstundenwerte 24 Mit steigenden NOx-Konzentrationen steigen i.a. auch die - Konzentrationen an. Die Halbstundenwerte von NOx und weisen insgesamt eine relativ große Streuung auf. Der gleitende Durchschnitt (gebildet jeweils aus 48 benachbarten NOx- -Paaren) zeigt einen starken Anstieg der /NOx-Verhältnisse bei steigenden NOx-Niveaus -2- Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25

21 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen Stuttgart-Straßenmessstation (Hauptbahnhof) Vergleich der /NOx-Verhältnisse Bei vergleichbaren NOx- Halbstundenwerten stieg das /NOx-Verhältnis an der Straßenmessstation von Jahr zu Jahr an Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25

22 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen Stuttgart-Straßenmessstation (Hauptbahnhof) im Vergleich mit anderen Stationen in Stuttgart Ein Vergleich der Straßenmessstation mit anderen Stuttgarter Stationen für das Jahr 24 zeigt für zunehmenden Verkehrseinfluss (= zunehmender Einfluss der direkten Emission) auch einen Anstieg der /NOx- Relationen für ähnliche NOx-Niveaus -22- Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25

23 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen -23- Ozon (in µg/m³) Ozon-Wochengang in Stuttgart Mai-Aug. 24 Stuttgart Bad-Cannstatt Stuttgart Zuffenhausen Wochentag-Stunde Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25 Tages- und Wochengang der Ozonkonzentrationen in Stuttgart im Mai bis August 24 In den Sommermonaten ist die tägliche Ozonbildung deutlich stärker als im übrigen Jahr. Tages- und Wochengang von Ozon im Sommer 24 in Stuttgart zeigen sehr starke Schwankungen zwischen Tag und Nacht. Die Ozonkonzentrationen in S- Zuffenhausen und S-Bad-Cannstatt sind im Tages- und Wochengang vergleichbar trotz höherer Verkehrsbelastung in Zuffenhausen. Indiz für relativ einheitlichen städtischen Ozon-Hintergrund

24 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen -24- Ozon (in µg/m³) Ozon-Wochengang in Stuttgart Mai-Aug. 24 Stuttgart Bad-Cannstatt Stuttgart Zuffenhausen Stunden mit viel Ozon ca Uhr Stunden mit wenig Ozon ca. -8 Uhr Wochentag-Stunde Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25 Auswahl von Stunden mit viel/wenig Ozon Zur Einschätzung des Einflusses verschiedener Ozon-Hintergrundkonzentrationen auf das /NOx- Verhältnis werden Stunden mit starken Konzentrationsunterschieden verglichen: Stunden mit viel Ozon: Uhr Stunden mit wenig Ozon: - 8 Uhr Beide Zeitfenster enthalten auch Stunden höherer Verkehrsbelastung (Berufsverkehr am Morgen bzw. am Nachmittag); Evtl. Einflüsse unterschiedlicher Tag- Nacht-Reaktivitäten vernachlässigt

25 Stickoxid-Immissionen in Innerortsstraßen -25- Quelle: unveröffentlichte Arbeiten des IFEU nach Daten LfU/UMEG Baden-Württemberg im Auftrag des UM BaWü; 9.25 Stuttgart-Straßenmessstation (Hauptbahnhof) Vergleich der /NOx-Verhältnisse bei Stunden mit stark unterschiedlichem Ozon Die /NOx-Verhältnisse vergleichbarer NOx-Niveaus sind in Stunden hoher Ozonkonzentrationen (im städtischen Hintergrund!) höher als in Stunden mit niedrigem Ozon. Der Unterschied ist deutlich geringer als der Unterschied zwischen Stationen mit unterschiedlichem Verkehrseinfluss der Unterschied der /NOx- Verhältnisse an der Straßenmessstation in verschiedenen Jahren. Hinweis auf Ozonlimitierung?

26 Fazit -26-

27 Fazit Was wir wissen: Heutige Immissionswerte an der Autobahn können zum Teil mit der Ozonreaktion, zum größeren Teil mit gestiegenen direkten -Emissionen der Kfz erklärt werden. Immissionswerte an (städtischen) Hauptverkehrsstraßen lassen sich mit Modellrechnungen nur unter der Modellierung gestiegener direkter -Emissionen nachvollziehen. Dabei auch Unterschiede in der Modellierung. Nach Carslaw resultiert mittlerweile mehr als die Hälfte der -Zusatzbelastung aus dem direkt emittierten. Immissionsdaten aus Stuttgart zeigen für Straßenmessstellen: eine drastische Zunahme des /NOx-Verhältnisses im vergangenen Jahrzehnt, eine Zunahme mit der Annäherung an die Hauptverkehrsstraße, aber eine relativ geringe Zunahme mit der Konzentration des Hintergrund-Ozons. Daraus folgt: sehr hoher Einfluss der direkten -Emission und geringer Einfluss der -Bildung über die Ozon-Reaktion auf die Immission Stuttgart Straße. -27-