Lothar Keck, Markus Pesch, Friedhelm Schneider, Frank Tettich Kontakt:

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1 Freisetzung feiner und ultrafeiner Partikel durch Bremsanlagen bei Kraftfahrzeugen - wo stehen wir? - Herausforderung an Bremsen- und Messgerätehersteller Lothar Keck, Markus Pesch, Friedhelm Schneider, Frank Tettich Kontakt: fs@grimm-aerosol.com

2 Emissionen aus Bremsanlagen PM 10 einatembar = Gesundheit Bevölkerung = Verkehr mehr Autos = mehr Bremsen Minderungstechnik = Kosten 2

3 Emissionen aus Bremsanlagen PM 10 einatembar = Gesundheit Emissionen aus Bremsanlagen sind einatembar und haben auf Grund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein gesundheitliches Gefährdungspotenzial. Toxidität durch Metalle, redox-aktive organische Substanzen [Amato et al., 2014] Oxidativer Stress und Entzündugsreaktionen an Lungenzellen [Gasser et al., 2008] 3

4 Emissionen aus Bremsanlagen Bevölkerung = Verkehr Die Emissionen treten in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte auf, da innerstädtischer Kfz-Individualverkehr und öffentlicher Verkehr stark mit der Abnutzung von Bremsen verbunden ist % PM 10 in Städten stammt nicht aus Abgasen (an Autobahnen 3 %) [Europäische Kommission (2014)] Aufwirbelung Straßenstaub, Reifen, Fahrbahn und Bremsen [Kuhlbusch et al.,2004] Straßenverkehr, überproportional schweren Nutzfahrzeuge (Lkw, Busse) [UBA, 2009] 4

5 Emissionen aus Bremsanlagen mehr Autos = mehr Bremsen Der Beitrag der PM10-Emissionen aus Bremsanlagen nimmt mittelfristig zu, da die Anzahl an Kraftfahrzeugen zunimmt und Maßnahmen zur Minderung bei anderen Emissionsquellen, speziell bei Partikeln aus dem Abgas, wie Dieselpartikelfilter (DPF), greifen. Anteil durch Fahrbahn, Reifen- und Bremsenabrieb ist steigend [Pregger und Friedrich, 2003] Zulassungen und zugelassene Pkw & Lkw steigend [Umweltbundesamt, 2014] 5

6 Emissionen aus Bremsanlagen mehr Autos = mehr Bremsen Der Beitrag der PM10-Emissionen aus Bremsanlagen nimmt mittelfristig zu, da die Anzahl an Kraftfahrzeugen zunimmt und Maßnahmen zur Minderung bei anderen Emissionsquellen, speziell bei Partikeln aus dem Abgas, wie Dieselpartikelfilter (DPF), greifen. Anteil durch Fahrbahn, Reifen- und Bremsenabrieb ist steigend [Pregger und Friedrich, 2003] Zulassungen und zugelassene Pkw & Lkw steigend [Umweltbundesamt, 2014] 6

7 Emissionen aus Bremsanlagen Minderungstechnik = Kosten Die Entwicklung und Umsetzung technischer Verbesserungen zur Verringerung der Emissionen aus Bremsanlagen ist technisch anspruchsvoll und mit Kosten verbunden und müssten gegen Lobbyinteressen und individuelles Nutzerverhalten durchgesetzt werden. Diese Emissionsquelle wird daher mittelfristig relevant bleiben. Dieselpartikelfilter (DPF)-Technologie und EURO-Normen reduzieren Partikelemissionen aus dem Abgas [Bergmann, 2008], Maßnahmen zur Verkehrsverflüssigung [z.b. Diekmann, 2017, BAST Kolloquium] 7

8 Bremsbeläge und Bremsscheiben Metallisch überwiegend metallisch, Stahlfasern, Kupferfasern, etc. Halbmetallisch Mischung aus Metallen und organischen Bindern Asbestfrei (non-asbestos organic NOA) Überwiegend organisch, Mineralfasern, Gummi, Graphit, etc. [Chan und Stachowiak, 2004] 8

9 Bremsbeläge und Bremsscheiben Bremsbeläge bestehen aus 5 Komponenten: Fasern (mechanische Stabilität, 6 35 %) unterschiedliche Metalle, Kohlenstoff, Glasfasern oder Kevlar, seltener sind Mineralfasern oder keramische Fasern Schleifmittel (Reibung, bis 10 %) z.b. Aluminiumoxid, Eisen, Eisenoxide, Quarz (Siliziumoxid), Zirkonium, Zirkonium-Silikat Gleitmittel (Reibungseigenschaften, 5 29 %) Graphit, Metalle, Sulfate (Antimon-Trisulfid) Füllstoffe (Verarbeitung und Qualität %) Baryt (BaSO 4 ), Calcit (CaCO 3 ), Glimmer Binder (Lebensdauer, %) Kunstharze, COPNA (condensed polynuclear aromatic), Phenolbasis, Cyanat-, Epoxy-, silikonmodifiziert, thermoplastische Polyamide Bremsscheiben bestehen aus Grauguss oder Keramik [Chan und Stachowiak, 2004] 9

10 Partikelemissionen aus Bremsen Chemische Zusammensetzung im Bremsstaub Fe, Zn [Stechmann,1993] Fe, Cr, Mg [Heinrichs & Brumsack, 1997 ] Sb (Antimon) [Rauterberg-Wulff, 1998] Fe, Cu, Ba [Sanders et al (2003) ] Fe 1 bis 60%, Cu 11 mg 25% [Kennedy und Gadd, 2003] Paper nur über Sb [Varrica et al, 2003] Cu, Ni, Cr, Pd, anorganisches Material [Düring et al (2004)] Cu, Cr, Ni, Pb, Zn, Sb [Boulter, 2006] und Mn, Ti, Hg, Ba, Al Cu, Sb [Thrope und Harrison, 2008] Wahlström, 2011 Kukutschová et al Grigoratos und Martini, 2015 [Thorpe und Harrison, 2008] Alkane, organischen Säuren, PAHs, polycyclischen Aromaten, Benzaldehyde und andere [Rogge et al. 1993, Boulter, 2006 ] 10

11 Partikelemissionen aus Bremsen Chemische Zusammensetzung an Einzelpartikeln Links: 5000 Vergrößerung (A): Coarse-Partikel mit Cu und Fe. (B): Fein- Partikel mit Cu und Fe. (C): Coarse-Partikel mit Sn und S. (D): Coarse-Partikel mit Fe, Si, und Al. Rechts: Vergrößerung (A): koaguliertes Fein-Partikel, (B): Ultrafeine Partikel kleiner 100 nm, [aus Wahlström, 2011] 11

12 Partikelemissionen aus Bremsen Emissionsfaktoren Laut Literatur liegen Emissionsfaktoren für Bremsabrieb am PM 10 für LDV (low-duty vehicles) bei 2,0 bis 8,8 mg pro km und Fahrzeug. Emissionsfaktoren für Reifenabrieb am PM 10 für LDV liegen im selben Bereich mit 3,5 bis 9,0 mg pro km und Fahrzeug haben aber andere Tracerelemente. Emissionsfaktoren für HDV (heavy-duty vehicles) sind um das zehnfache höher! Die allermeisten Quellen nennen 6 bis 7 mg pro km und Fahrzeug für beide Quellen, was praktisch dem Emissionsfaktor eines modernen (Euro 5/6) Diesel-Pkws entspricht. [Grigoratos und Martini, 2015] 12

13 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Massenverteilung Autor Versuchsaufbau Unterschungsobjekt, Bremsbelagstyp Methode Massenverteilung Garg et al Sanders et al v.uexküll et al Iijima et al Iijima et al Wahlström 2011 Kukutschová et al Harison et al Bremsenprüfstand Bremsenprüfstand Bremsenprüfstand halbmetallisch und asbestfrei metallarm, halbmetallisch und asbestfrei Bremsbeläge und Trommelbremsen von Lkws MOUDI (>0,1 µm) MOUDI und ELPI (>0,1 µm und 7 nm-10 µm) OPC (>0,3-20 µm) Bremsenprüfstand asbestfrei APS (>0,5 µm) Bremsenprüfstand asbestfrei APS (>0,5µm) Bremsenprüfstand metallarm und Freilandmessung OPC (0,25-32 µm) DustTrak PTrak einmodal (0,01 1,0 µm) einmodal (4-5 µm) einmodal (2-3 µm) einmodal (3-6 µm) einmodal (2,0 µm) bimodal 0,3 0,6 µm 3 6 µm Bremsenprüfstand metallarm APS, SMPS, BLPI einmodal (2-4 µm) Freilandmessung & Feinstaub von Straßen MOUDI einmodal Modellierung (non exhaust emission) (>0,1 µm) (2-3 µm) Kwak et al Freilandmessung Feinstaub von Straßen (non exhaust emission) APS (> 0,5 µm) [Europäische Kommission (2015), Grigoratos und Martini (2015) und Wahlström (2011)] einmodal (1-10 µm) 13

14 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Massenverteilung MOUDI = Moudi-Niederdruck-Impaktor ELPI = Elektrischer Niederdruck Impaktor (Dekati) OPC = Optischer Partikel Counter (GRIMM) APS = Aerodynamischer Partikel Sizer (TSI) DustTrak = Nephelometer (TSI) PTrak = tragbarer Kondensationspartikelzähler (TSI) BLPI = Berner low pesssure impaktor [Europäische Kommission (2015), Grigoratos und Martini (2015) und Wahlström (2011)] 14

15 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Massenverteilung Größenaufgelöste Metallkonzentrationen für Kupfer (Cu) und Antimon (Sb), gesammelt mit 11-stufigem MOUDI-Impaktor und analysiert mit ICP-MS. [Schauer, et al, 2006] 15

16 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Anzahl vs. Masse Anzahl- (links) und Massenverteilung (rechts) 0,5 bis 9 µm für drei Bremsbelagstypen (metallarm, halbmetallisch und asbestfrei) gemessen mit ELPI (elektrischer Niederdruckimpaktor) [Sanders et al, 2003] Andere: [Europäische Kommission (2015), Grigoratos und Martini (2015) und Wahlström (2011)] 16

17 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Anzahl Autor Versuchsaufbau Unterschungsobjekt, Bremsbelagstyp Methode Bremsenprüfstand metallarm, halbmetallisch ELPI und asbestfrei (30 nm-10 µm) Bremsenprüfstand Halbmetallisch, Lkw Laser Scattering Bremsen Analyzer Bremsenprüfstand Bremsbeläge und OPC Trommelbremsen von Lkws (>0,3-20 µm) Bremsenprüfstand asbestfrei APS (>0,5 µm) Bremsenprüfstand Verschiedene Fahrzeuge (full TEM stop und Normal-bremsung) Bremsenprüfstand asbestfrei APS (>0,5µm) Sanders et al Molesh et al, 2004 v.uexküll et al Iijima et al Riediker et al Iijima et al Massenverteilung einmodal (1,0 µm) bimodal (350 nm & 2,0 µm) einmodal (0,5 1,0 µm) einmodal (1,0 2,0 µm) bimodal 80 nm & 400 nm einmodal (0,8 1,0 µm) Wahlström et al Wahlström et al. 2010a Mathissen et al Kukutschová et al Bremsenprüfstand metallarm und asbestfrei OPC (0,25-32 µm) bimodal 280 nm & 350 nm Bremsenprüfstand metallarm und asbestfrei OPC multimodal (0,25-32 µm) 100, 280, 350 & SMPS 550 nm ( nm) Freilandmessung ein Fahrzeug mit EEPS bimodal verschiedenen Bedingungen (<0,56µm) 10 nm & 40 nm) Bremsenprüfstand metallarm APS, SMPS bimodal (100 nm &-300 µm) [Europäische Kommission (2015),] 17

18 Partikelemissionen aus Bremsen Physikalische Charakterisierung Anzahl SMPS = Scanning Mobility Particle Sizer (GRIMM oder TSI) EEPS = Motorenabgas-Partikelgrößenspektrometer (TSI) Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ca. 90% der Anzahlkonzentration von Emissionen aus Bremsabrieb in der feinen Fraktion des Feinstaubs liegt und die Verteilung meist bimodal ist. 18

19 Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele Literatur non-exhaust emissions Abrieb von Reifen, Kupplung, Bremsen, Asphalt und Wiederaufwirbelung. Pand und Harrison (2013) physikalischen Eigenschaften der Partikel [Thorpe und Harrison, 2008] toxikologische Effekte (nur Reifenabrieb) [Wik und Dave, 2009] chemische Zusammensetzung von Bremsklötzen [Chan & Stachowiak, 2004 ] Berechnung von Emissionsfaktoren [Franco et al., 2013] Nanopartikelemissionen von non-exhaust Quellen [Kumar et. al., 2013] [Chan und Stachowiak, 2004] 19

20 Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele Herstelleraktivitäten bremsstaubreduzierte Bremsbeläge z.b. EBC BRAKES und andere verbesserte Ästhetik für den Autobesitzer Materialien, die bei hohen Bremstemperaturen verkohlen und zu Nanopartikeln zerfallen Kein Schmutz auf den Felgen andere Aktivitäten Brembo in Italien Bremsenhersteller Federal Mogul Automobilzulieferer Bertrant Firma Link (USA), bzw. Link Europe in Limburg Tests von Automobilherstellern zusammen mit dem Institut für Energieund Umwelttechnik e. V. (IUTA) in Duisburg 20

21 Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele koordinierte europäische Aktivitäten Studien Studie der Europäischen Kommission (2014) und die erweiterte Arbeit von Grigoratos und Martini (2015) enthalten zu Emissionen aus Bremsenabrieb (und Reifenabrieb) umfangreiche Quellenangaben und Aussagen zu Emissionsfaktoren chemischer Zusammensetzung Gefährdungspotenzial, Ergebnisse aus Tier- bzw. in-vitro-studien Entwicklung eines Bremsenprüfstandes konkrete Hinweise zu offenen Punkten und Handlungsbedarf 21

22 Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele koordinierte europäische Aktivitäten Studien Studie der Europäischen Kommission (2014) und die erweiterte Arbeit von Grigoratos und Martini (2015) enthalten zu Emissionen aus Bremsenabrieb (und Reifenabrieb) umfangreiche Quellenangaben und Aussagen zu Emissionsfaktoren chemischer Zusammensetzung Gefährdungspotenzial, Ergebnisse aus Tier- bzw. in-vitro-studien Entwicklung eines Bremsenprüfstandes konkrete Hinweise zu offenen Punkten und Handlungsbedarf 22

23 Bisherige Projekte, aktuelle Forschungen und Ziele Handlungsbedarf bzw. unbefriedigende Lösungen Studie der Europäischen Kommission (2014) Fehlende wirksame Regulierungen bezüglich Emissionen aus Bremsanlagen Zukünftige Regularien und standardisierte Testverfahren und Test- Cyclen sowie Partikel-Messgeräte, die für solche Tests geeignet sind Verlässliche Testergebnisse mit hoher Sammel-, bzw. Nachweiseffizienz 23

24 Fazit: Es werden daher mit Sicherheit weitere Aktivitäten und Projekte im Bereich Emissionen aus Bremsanlagen stattfinden, um gemeinsame Lösungen und Verbesserungen zu erarbeiten. Dabei kommt zählenden Messverfahren, die die Anzahl und Größe von Aerosolpartikeln zwischen 10 nm und 10 µm erfassen und der Kombination von Messverfahren weiterhin eine große Bedeutung zu. Kontakt und Literatur unter: 24