Mobile Maschinen im städtischen Umfeld

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1 Mobile Maschinen im städtischen Umfeld Fachtagung Emissionsminderung bei Baumaschinen in Luftreinhalteplangebieten Literaturhaus Stuttgart, 17. Juli 2014 & Christoph Heidt 1

2 Gliederung 1 Hintergrund 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW 3 Beitrag mobiler Maschinen zur Luftbelastung in Städten 4 Maßnahmen und Minderungspotenziale 5 Fazit 2

3 1 Hintergrund Luftqualitätsstandards und Situation in Deutschland Bei NO 2 Überschreitungen der Jahresmittelwerte Bei PM10 Überschreitungen der Tagesmittelwerte Quelle: [UBA 2013] und eigene Auswertungen 3

4 1 Hintergrund Emissionsgrenzwertgesetzgebung NRMM Motoren in Neumaschinen über Richtlinie 97/68/EG geregelt -> Übersetzung in deutsche BImSchV Geregelt sind Partikel (PM), Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonooxid (CO) 4

5 1 Hintergrund Herausforderungen der Grenzwertgesetzgebung Grenzwerte traten wesentlich später in Kraft als bei Straßenfahrzeugen (z.b. Pkw/Lkw Euro I seit 1992) Maschinen erreichen oft ein hohes Lebens-/Nutzungsalter -> daher verzögerte Minderungswirkung der Grenzwerte Grenzwerte für NRMM weniger streng als für Straßenfahrzeuge Geringere Anforderungen bezüglich Off-Cycle Testing und OBD Leistungsklassen <37 kw entsprechen veralteten Standards bezüglich der PM- und NOx-Emissionen Bisher existiert kein Partikelanzahlgrenzwert: Einhaltung der Grenzwertgesetzgebung erfordert keinen DPF 5

6 1 Hintergrund Einsatz von Partikelfiltern Stand der Technik Geschlossene DPF reduzieren den Partikelausstoß hinsichtlich Masse und Anzahl um über 90% Zertifizierungen wie VERT, FAD oder REC gewährleisten Funktionalität bei nachgerüsteten Systemen Marktdurchdringung in Deutschland Nachrüstungen bisher nur vereinzelt (laut DUH ca Geräte) Bei zukünftigen Neumaschinen nur geringer Anteil erwartet: < 37 kw: kaum DPF zu erwarten > 37 kw: Nur bei 15-40% der Maschinen ist jetzt schon eine DPF-Ausstattung absehbar Quellen: DUH, Integer Research, KBA, Off-Highway Research und eigene Annahmen 6

7 1 Hintergrund Minderungsmaßnahmen über 97/68/EG hinaus Einzelne Länder und Akteure fordern bereits strengere Standards für den Maschinenbestand (v.a. Baumaschinen) Wichtiger Bestandteil der Regulierungen ist eine Ausstattung mit zertifizierten Dieselpartikelfiltern (DPF) In Österreich, Berlin sowie bei DB-Projekten optional Nutzung von Maschinen mit neueren Emissionsstandards In der Schweiz und bei Stuttgart 21 sind DPF (bzw. die Einhaltung eines PN-Grenzwertes) obligatorisch Eine Ausweitung für Deutschland wird derzeit im Rahmen der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz (LAI) diskutiert 7

8 1 Hintergrund Hintergrund und Ziel der Studie Forschungsvorhaben für das Ministerium für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg (MVI) Quantifizierung der Umweltbelastung (Luftreinhaltung) mobiler Maschinen Ermittlung des Emissionsbeitrags mobiler Maschinen Exemplarische Ermittlung des Immissionsbeitrags (Fallbeispiele) Darstellung möglicher Maßnahmen und ihrer Potenziale 9

9 Wie hoch sind die Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg? 10

10 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Emissionsmodellierung mit TREMOD-MM Entwickelt für das Umweltbundesamt (UBA) seit Jahr 2004 Berechnung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen mobiler Maschinen und Geräte Deutschland (1980 bis 2030 => Szenarien) Bau- Land- und Industrie Garten Forstwirtschaft Hobby 11

11 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Die Bestandsmethode Emission = Anzahl x Leistung x Betriebsstunden x Emissionsfaktor Alle Daten in hoher Differenzierung! Sektor Maschinenkategorie Größenklasse Altersverteilung Emissionsstandard Bauwirtschaft Radlader < 18 kw Neuzugang Stufe IIIB Bagger kw kw 1 Jahr Ausführliche Stufe IIIA Informationen und 2 Jahr Stufe II Berichte zu TREMOD-MM auf 12

12 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Vorgehen für Baden-Württemberg Bestandsmethode für die Land- und Bauwirtschaft KBA-Statistik für Zugmaschinen Anpassung des Baumaschinenbestands (teils KBA, teils Gebrauchtbörsen-Daten) Damit wichtigste Sektoren abgedeckt Emissionen weiterer Sektoren als Top-Down Abschätzung über Allokationsfaktoren ermittelt Sektor Indikator Einheit Bezugsjahr Anteil BW an DE Quelle Industrie Geleistete Arbeitsstunden ,8% [DESTATIS, 2011b] Forstwirtschaft Holzeinschlag m³ ,2% [DESTATIS, 2012] Garten und Hobby Fläche von Grünanlagen km² ,7% [DESTATIS, 2013b] Sport- und Passagierboote Leistung Fahrgastschiffe, Fähren und Personenbarkassen kw ,6% [ELVIS, 2012] 13

13 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Datenquellen für die Bottom-up-Bilanzierung Anpassung für BW Übernahme von TREMOD-MM- Daten Sektor Bestände Betriebsstunden Emissionsfaktoren Landwirtschaft Forstwirtschaft Bauwirtschaft Industrie/Sonstige Sport-und Passagierboote Haushalt und Garten, Grünpflege KBA-Daten für Zugmaschinen Angaben des KWF (Kuratorium für Wald- und Forsttechnik) Bis 1996 offizielle Statistiken (DESTATIS); danach Angaben aus Marktstudien; Größen- und Altersklassen nach Industriedaten und Gebrauchtbörsen abgeleitet Verkaufszahlen, Produktionsstatistiken; Industriedaten Offizielle Statistiken der Wasserund Schifffahrtsverwaltung (Passagierschiffe); Verkaufszahlen (Sportboote) Verkaufszahlen Literatur- und Gebrauchtbörsendaten Literatur- und Gebrauchtbörsendaten Literaturdaten; Gebrauchtbörsendaten; Industriedaten Literaturdaten; Gebrauchtbörsendaten; Industriedaten Literaturdaten Literatur- und Industriedaten Sektor unabhängige Faktoren nach Größenklasse und Antriebsart: Dieselmotoren: Bis Stufe II Messdaten und Literatur Stufe IIIA-IV auf Basis von Expertenabschätzungen/ Emissionsgrenzwerten Ottomotoren (Benzin 2-/ 4-Takter, Gas): Bis Stufe 1 Messdaten und Literatur Für Stufe 1-2 Grenzwertvorschläge und Zertifizierungsdaten EPA 14

14 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Ergebnisse für die Emissionen in BW ( ) 2010 verursachen NRMM ca. 16 kt NOx und 1,8 kt Abgaspartikel Das entspricht ca. 30% der NOx-Emissionen und ca. 110% der PM- Emissionen des Straßenverkehrs in Baden-Württemberg Daher Fokus auf Partikelemissionen: Dieselmaschinen der Sektoren Land-/Bauwirtschaft und Industrie mit größtem Beitrag Langfristig reduzieren sich die Emissionen um über 50% Quelle: TREMOD-MM 15

15 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Emissionsbeiträge in dicht besiedelten Räumen? Flächendeckend höchste Emissionen aus der Landwirtschaft In Ballungsräumen sind jedoch vor allem Baumaschinen relevant Quelle: TREMOD-MM & weitere Annahmen 16

16 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Dieselpartikel-Emissionen der Bauwirtschaft in BW Leistungsklassen Deutlicher Rückgang bei großen Leistungsklassen (> 37 kw) Kleine Leistungsklassen (18-36 kw) zukünftig für den Großteil der Emissionen verantwortlich Quelle: TREMOD-MM 17

17 2 Emissionen mobiler Maschinen in BW Dieselpartikel-Emissionen der Bauwirtschaft in BW Leistungsklassen Emissionsstandards Bereits heute großer Emissionsbeitrag von Maschinen der Stufe IIIA Zukünftig sind diese Maschinen für den Großteil der Emissionen verantwortlich Quelle: TREMOD-MM 18

18 Welchen Immissionsbeitrag haben Baustellen in belasteten Innenstädten?? Innenstadtbereich 19

19 3 Beitrag von Baumaschinen zur Luftbelastung Ausbreitungsrechnungen durch IVU Umwelt GmbH Ausbreitungsmodell MISKAM dreidimensionales, nicht-hydrostatisches numerisches Strömungs- und Ausbreitungsmodell (Detailmodell) Kleinräumige Berechnung von Windverteilung & Immissionskonzentration in bebauten Gebieten Input-Daten: Bebauungs- geometrie Emissionen Verkehr & Baustelle Meteorologie für Stuttgart und Karlsruhe DTV: ~ Kfz/d slkw: 3% Beispielbaustelle mit 5 Maschinen Insgesamt 335kW Insgesamt 16h/d Quelle: IVU Umwelt GmbH, eigene Annahmen 20

20 3 Beitrag von Baumaschinen zur Luftbelastung NO 2 -Gesamtbelastung Stuttgart (Jahresmittel) Vorbelastung+Verkehr Zusätzliche Baustelle Hintergrundkonzentrationen Stuttgart > 40 μg/m 3 Innerhalb der Straßenschlucht bis zu über 60 μg/m 3 NO 2 -Konzentration im Nahbereich der Baustelle ist vergleichbar mit Nahbereich Straßenverkehr Quelle: IVU Umwelt GmbH, eigene Annahmen 21

21 3 Beitrag von Baumaschinen zur Luftbelastung PM10-Gesamtbelastung Stuttgart (Jahresmittel) Vorbelastung+Verkehr Zusätzliche Baustelle Grenzwertüberschreitungen des Jahresmittelwertes (40 μg/m 3 ) im Nahbereich der Baustelle Ebenfalls Überschreitungen des Tagesgrenzwertes zu erwarten Zusatzbelastung jedoch vor allem durch nichtmotorische PM10-Emissionen (Baustaub) Quelle: IVU Umwelt GmbH, eigene Annahmen 22

22 3 Beitrag von Baumaschinen zur Luftbelastung Dieselruß-Zusatzbelastung Stuttgart (Jahresmittel) Verkehr Baustelle Dieselruß von besonderer gesundheitlicher Relevanz Zusatzbelastung Verkehr im Nahbereich < 3 μg/m 3 Zusatzbelastung der Baustelle im Nahbereich > 5 μg/m 3 Stundenwerte von bis zu 50 μg/m 3 Konzentration von 20 μg/m 3 an 5% der Arbeitsstunden erreicht Quelle: IVU Umwelt GmbH, eigene Annahmen 23

23 3 Beitrag von Baumaschinen zur Luftbelastung Bewertung der Emissions- und Immissionssituation Es besteht Handlungsbedarf zur Senkung der Partikelemissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg, da die landesweiten Gesamtemissionen etwa denen des Straßenverkehrs entsprechen - bei nur ~10% dessen Energieverbrauchs Baustellen lokal eine größere Zusatzbelastung verursachen können als eine vielbefahrene Straße Überschreitungen sind vor allem bezüglich der PM10- Tagesgrenzwerte möglich hier auch Baustaub relevant Gesundheitlich relevant sind dagegen vor allem feine Rußpartikel, denen Arbeiter, Anwohner und Passanten ausgesetzt sind Priorität haben daher Maßnahmen zur Minderung des motorischen Partikelausstoßes 24

24 Welche Maßnahmenoptionen und Minderungspotenziale gibt es? 25

25 4 Maßnahmen und Minderungspotenziale Maßnahmenbedarf Maßnahmenbedarf bei hochemittierenden Maschinen in belasteten Gebieten Ältere Baumaschinen: Besonders hohe spezifische Emissionen Geräte unter 37 kw: Schwächere Emissionsstandards Generell Maschinen ohne DPF! Verschiedene Maßnahmenoptionen Nachrüstung von bestehenden Maschinen mit einem DPF Verwendung von Maschinen der aktuellsten Grenzwertstufe die bereits ab Werk mit DPF ausgerüstet sind Differenzierte Analyse der Minderungspotenziale Berücksichtigung der Leistungsklassen Berücksichtigung des Einführungszeitraums 26

26 4 Maßnahmen und Minderungspotenziale Minderung der Dieselruß-Emissionen Option 1: Nachrüstung mit DPF Je schneller eine Nachrüstung erfolgt, desto höher die Rußminderung Ein langfristig großes Potenzial zur Nachrüstung besteht bei Geräten <37 kw 27

27 4 Minderungspotenziale Kosteneffizienz einer DPF-Nachrüstung? Fragestellung: Bei welchen Maschinen kann eine hohe Emissionsminderung zu niedrigen Kosten erreicht werden? Ansatz: Vergleich der Kosten in pro kg PM nach kw- Klassen und Emissionsstandard Berücksichtige Filterkosten Anschaffung, inkl. Montage (nach kw-klassen) Jährliche Wartungskosten Einflussfaktoren der Flottenstruktur Spezifische PM-Emissionen (g/kwh) Jährliche Betriebszeiten Alter und Restlebenszeit 28

28 4 Minderungspotenziale Nachrüstungskosten pro vermiedener PM-Emission Vorläufige Ergebnisse Nachrüstung bei größeren Maschinen kosteneffizienter als bei kleineren Bei sehr alten Geräten ist eine Nachrüstung wegen der geringen (Rest)Nutzung wesentlich teurer In diesem Fall können Neuanschaffung u.u. kosteneffizienter sein Quelle: TREMOD-MM, eigene Berechnungen 29

29 4 Minderung der Dieselruß-Emissionen Option 2: Einsatz der neusten verfügbaren Maschinen Neumaschinen 37 kw können die Rußemissionen kurzfristig deutlich senken Für kleinere Geräte fehlen in Deutschland ist eine Nachrüstung notwendig 30

30 5 Fazit Fazit Handlungsbedarf Mobile Maschinen tragen in Baden-Württemberg - im Vergleich zu ihrem Energieverbrauch - überproportional zur Feinstaubbelastung und auch relevant zur NO 2 -Belastung bei Lokal können Baustellen zu einer erheblichen Zusatzbelastung beitragen, die bei Rußpartikeln sogar über dem Beitrag einer vielbefahrenen Straße liegen kann Dieselpartikelfilter sind der anerkannte Stand der Technik zur Minderung von Partikelemissionen. Die weitreichende Ausstattung von Maschinen (insbesondere im Innenstadtbereich) sollte daher primär verfolgt werden. Die bestehende Grenzwertgesetzgebung führt jedoch nicht zu einer umfassenden Ausstattung von Neumaschinen mit Partikelfiltern => Lokaler/Regionaler Handlungsbedarf 31

31 5 Fazit Kurzfristige Minderungspotenziale >= 37 kw kw Heute große Emissionsanteile Steigende Emissionsanteile Emissionsarme Neumaschinen (tlws. mit DPF) verfügbar Emissionsarme Neumaschinen nur vereinzelt verfügbar Minderungspotenzial Dieselruß bis % Minderungspotenzial Dieselruß bis % Baldmöglichst Maßnahmen für große Maschinen notwendig Ohne Einbezug kleiner Maschinen wird gesamtes Minderungspotenzial (> 90%) aber nicht voll ausgeschöpft 32

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Wilckensstraße Heidelberg Fon: +49 (0) 6221 / Fax: +49 (0) 6221 / hinrich.helms@ifeu.de Christoph Heidt ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH Wilckensstraße Heidelberg Fon: +49 (0) 6221 / Fax: +49 (0) 6221 / chistoph.heidt@ifeu.de 33