Schadstoffemissionen und Belastungsbeitrag mobiler Maschinen in Baden-Württemberg

Transkript

1 ifeu Institut für Energieund Umweltforschung Heidelberg GmbH Schadstoffemissionen und Belastungsbeitrag mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Endbericht im Auftrag des Ministeriums für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg Heidelberg, Juli 2014

2

3 ifeu Institut für Energieund Umweltforschung Heidelberg GmbH Schadstoffemissionen und Belastungsbeitrag mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Endbericht im Auftrag des Ministeriums für Verkehr und Infrastruktur Baden-Württemberg Autoren: Hinrich Helms & Christoph Heidt, IFEU mit Beiträgen von Yvonne Breitenbach & Volker Diegmann, IVU Umwelt Heidelberg, Juli 2014

4

5 Seite 5 Zusammenfassung In den letzten Jahren gab es an zahlreichen Messstationen in Deutschland Überschreitungen der Luftqualitätsgrenzwerte für NO2 und PM10. Unter anderem werden diese durch Abgasemissionen des Straßenverkehrs verursacht. Nach aktuellen Studien tragen jedoch auch mobile Maschinen (NRMM) erheblich zu den abgasbedingten Emissionen von Luftschadstoffen bei. So emittierten im Jahr 2010 Maschinen der Sektoren Land-, Forst- und Bauwirtschaft, Industrie, Garten und Hobby deutschlandweit etwa die gleiche Menge an Abgaspartikeln wie der gesamte Straßenverkehr. Bei den Stickstoffoxiden (NOx) entsprachen die Emissionen der mobilen Maschinen 2010 etwa einem Viertel derer des Straßenverkehrs [IFEU, 2014]. Auch im Bundesland Baden-Württemberg sind verschiedene Kommunen von Überschreitungen der Luftqualitätsgrenzwerte betroffen. In der vorliegenden Studie wird daher der Emissions- und Immissionsbeitrag mobiler Maschinen für Baden-Württemberg ermittelt. Auf dieser Grundlage werden mögliche Maßnahmen und deren Minderungspotenzial für Baden-Württemberg analysiert. Während beim Straßenverkehr umfangreiche statistische Daten vorliegen, sind die Datengrundlagen für mobile Maschinen jedoch lückenhaft. Die Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg wurden daher mit dem differenzierten Bestands- und Emissionsmodell für Mobile Maschinen TREMOD-MM ermittelt, welches im Auftrag des Umweltbundesamtes entwickelt und im Jahr 2013 umfassend aktualisiert wurde. Für die emissionsrelevanten Sektoren Land- und Bauwirtschaft wurde nun die Flottenstruktur der Maschinen in Baden-Württemberg im Detail analysiert. Für die Luftbelastung sind vor allem die Emissionen in Innenstädten relevant, in denen insbesondere Baumaschinen eingesetzt werden. Um die Belastungssituation zu untersuchen, wurden Ausbreitungsrechnungen für die Schadstoffe PM10, Ruß (EC) und NO2 nahe einer bespielhaften Baustelle durchgeführt und mit dem Beitrag des Straßenverkehrs verglichen. Dabei wurden die meteorologischen Gegebenheiten der Städte Stuttgart und Karlsruhe untersucht. Im Jahr 2010 betrug der Kraftstoffverbrauch der mobilen Maschinen in Baden-Württemberg ca. 13 % des deutschlandweiten Kraftstoffverbrauchs dieser Gruppe. Den größten Anteil in Baden-Württemberg haben Geräte aus der Land- und Bauwirtschaft sowie der Industrie. Diese Sektoren sind auch größtenteils für den Dieselverbrauch verantwortlich und emittieren somit % der NOx- und Partikelemissionen der mobilen Maschinen. Gegenüber Gesamtdeutschland sind die spezifischen Emissionen (mg/mj) der Land- und Bauwirtschaft in Baden-Württemberg um bis zu 10 % höher, da tendenziell kleinere und in der Landwirtschaft auch ältere Geräte eingesetzt werden. Die NOx-Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg liegen somit bei ca. 30 % der NOx-Emissionen des Straßenverkehrs, bei den abgasbedingten PM-Emissionen verursachen NRMM ca. 110 % der Emissionen des Straßenverkehrs. Unter Berücksichtigung der aktuellen Grenzwertgesetzgebung für mobile Maschinen nehmen die Emissionen durch die Umschichtung des Bestands mit neueren Maschinen bis zum Jahr 2030 um ca. 60 % (NOx) bis 70 % (PM) ab. In der Bauwirtschaft sind dann vor allem kleinere Maschinen der Leistungsklasse kleiner 37 kw und der Abgasstufe IIIA für einen Großteil der PM-Emissionen verantwortlich. Bei den innerstädtischen Fallbeispielen lag die Zusatzbelastung mit Abgaspartikeln neben einer stark befahrenen Straße (ca Kfz/d) durch den Einfluss einer Baustelle bis um das 7-fache höher als durch den angrenzenden Straßenverkehr. Bei ungünstigen

6 Seite 6 Ausbreitungsbedingungen wie in Stuttgart können im Baustellenumfeld (Umkreis von ca. 20m) auch sehr hohe Stundenmittelwerte der Rußkonzentrationen (über 20 µg/m³) durch die Abgase der Baumaschinen entstehen. Die Rußpartikel tragen - verglichen mit mineralischem Staub - zwar weniger zur Grenzwertüberschreitung von PM10 bei, gelten jedoch als besonders gesundheitsgefährdend. Die NO2-Gesamtbelastung liegt in den Fallbeispielen auf der Baustelle in einer ähnlichen Größenordnung wie im Straßenzentrum. Somit sind Passanten oder Arbeiter potenziell auch von einer erhöhten NO2-Belastung betroffen. Für die Planung und Durchführung von Minderungsmaßnahmen lassen sich auf Basis der Ergebnisse folgende Schlüsse ziehen: Mobile Maschinen tragen auch in Baden-Württemberg - im Vergleich zu ihrem Energieverbrauch - überproportional zur Feinstaubbelastung und auch relevant zur NO2-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. Sie mindern nicht nur die ausgestoßene Partikelmasse, sondern vor allem auch die Partikelanzahl und damit den Ausstoß von gesundheitlich besonders relevanten Feinstpartikeln. Die weitreichende Ausstattung von Maschinen (insbesondere im Innenstadtbereich) sollte daher primär verfolgt werden. Die bestehende Grenzwertgesetzgebung führt nicht notwendigerweise zu einer umfassenden Ausstattung von Neumaschinen mit Partikelfiltern. Derzeit verfolgen nur drei große Hersteller diesen Technologiepfad konsequent für Maschinen der Stufe IIIB oder IV. Die Einführung einer neuen Grenzwertstufe mit Partikelanzahlgrenzwert auf EU-Ebene wird zwar diskutiert, würde dann aber erst ab 2025 zu einer deutlichen Emissionsminderung im Bestand führen. Die Ausstattung mit Partikelfiltern kann zu einer Erhöhung des Anteils direkter NO2-Emissionen am NOx-Ausstoß führen. Dies ist besonders bei der Nachrüstung älterer Maschinen mit einem insgesamt hohen NOx-Ausstoß relevant. Der Effekt kann aber durch den Einsatz zertifizierter Filter (z.b. VERT, REC, FAD) begrenzt werden. Eine kurzfristige Minderung der Partikelbelastung kann über nationale, regionale oder lokale Maßnahmen erreicht werden, die eine Ausstattung von Maschinen mit Partikelfiltern fordern. Zentrale Akteure hierfür sind in Baden-Württemberg die Landesregierung, die Kommunen sowie Bauherren und Maschinenbetreiber. Die Landesregierung kann einerseits politische Ansätze auf EU- und Bundesebene mitgestalten und befördern. Andererseits gilt es, den untergeordneten Ebenen Wege zur Durchsetzung lokaler Maßnahmen zu eröffnen. Kommunal kann hier die Einrichtung von Umweltzonen auch für Baumaschinen sinnvoll sein, andererseits können aber auch baustellenspezifische Lösungen zum Einsatz kommen. Dabei sollte jedoch die Entstehung eines Flickenteppichs unterschiedlicher Einzelanforderungen nach Möglichkeit vermieden werden. Konkret ist die Umsetzung der folgenden abgestuften Maßnahmen geeignet, eine kosteneffiziente Minderung zu erreichen: a) Gegenstand einer Minderungsstrategie könnten zu allererst Baumaschinen im Leistungsbereich >37 kw sein. Aufgrund höherer Einsatzzeiten ist eine Nachrüstung hier kosteneffizienter als bei kleineren Geräten. Auch könnten ältere Maschinen vorzeitig durch Neumaschinen mit Dieselpartikelfilter (DPF) ab Werk ersetzt werden, die in diesem Leistungsbereich teilweise angeboten werden. Die Diesel

7 Seite 7 rußemissionen des Bausektors in Baden-Württemberg könnten durch vollständige Ausstattung dieser Maschinen mit DPF 2020 um bis zu 55 % gesenkt werden. b) Darüber hinaus ist auch eine Einbeziehung von Maschinen mit kw in die Maßnahmenstrategie geboten, da diese mangels strengerer Grenzwerte zukünftig für einen Großteil der Emissionen verantwortlich sein werden. Zum heutigen Zeitpunkt steht hierbei noch die Nachrüstung im Vordergrund, mittelfristig können jedoch - z.b. mit Ankündigung eines EU-Grenzwertes zur Regulierung der Partikelanzahl - auch verstärkt Neumaschinen mit Partikelfilter in dieser Leistungsklasse verfügbar werden können die Dieselrußemissionen somit zusätzlich um bis zu 37% (bzw. insgesamt um über 90 %) gesenkt werden.

8 Seite 8 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung... 5 Inhaltsverzeichnis... 8 Tabellenverzeichnis...10 Abbildungsverzeichnis Einleitung Hintergrund zum Thema mobile Maschinen und Luftreinhaltung Europäische Emissionsgrenzwertgesetzgebung Weitere Maßnahmen zur Minderung der Emissionen Technische Hintergründe Erwartete Marktdurchdringung in Deutschland...17 Kraftstoffverbrauch und Emissionen in Baden-Württemberg Vergleich zu Deutschland insgesamt Relevanz der Emissionen im städtischen Raum Vergleich zum Emissionskataster der LUBW...26 Emissionsszenarien bis Entwicklung der Sektoren Entwicklung in der Bauwirtschaft...31 Belastungsbeitrag durch Baumaschinen in Städten Ergebnisse für das Jahr Emissionsberechnungsmethoden und das Modell TREMOD-MM...19 Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Einsatz von Dieselpartikelfiltern (DPF) Überblick zur bestehenden Gesetzgebung und zu Einzelmaßnahmen...14 Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung PM10-Belastung Dieselruß-Belastung NO2-Belastung...36 Minderungsmaßnahmen zur Senkung der Emissionen in Baden-Württemberg Erörterung des Handlungsbedarfes und Definition von Maßnahmen Emissionsminderungspotenziale für Baumaschinen in Baden-Württemberg Minderung der Emission und Immission im lokalen Fallbeispiel Schlussfolgerungen für eine mögliche Umsetzung...44 Anhang Berechnung der Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Allgemeines Vorgehen...46

9 7 Seite Anpassung für die Landwirtschaft Anpassung für die Bauwirtschaft Allokation übriger Sektoren in BW Ergebnistabellen Grobabschätzung der Emissionsrelevanz nach Sektoren in städtischen Gebieten Modellierung der Immissionen im Fallbeispiel Gebäudegeometrie und Meteorologie Ausbreitungsmodell MISKAM und Emissionsdaten des Straßenverkehrs Definition der Baustelle und Berechnung der Emissionen Ergebnisse der nicht motorischen PM10 - Immissionen Emissionsberechnung für die Minderungsszenarien...64 Literaturverzeichnis...65

10 Seite 10 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Tabelle 2: Tabelle 3: Tabelle 4: Tabelle 5: Tabelle 6: Tabelle 7: Tabelle 8: Tabelle 9: Tabelle 10: Tabelle 11: Tabelle 12: Tabelle 13: Tabelle 14: Tabelle 15: Tabelle 16: Tabelle 17: Tabelle 18: Tabelle 19: Tabelle 20: Tabelle 21: Entwicklung der Emissionsfaktoren/Grenzwerte bei PM und NOx (in g/kwh)...14 Beispiele für Emissionsminderungsmaßnahmen bei mobilen Maschinen über die EU-Emissionsgrenzwertgesetzgebung hinaus...16 Geplanter Einsatz von DPF für St. IIIB/IV nach Maschinen/Motorenhersteller...18 Zukünftig erwarteter Anteil an Maschinen mit kw mit/ohne DPF...19 Übersicht der verwendeten Datenquellen in TREMOD-MM...22 Kraftstoffverbrauch mobiler Maschinen in Baden-Württemberg im Jahr 2010 in Tonnen...23 Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg im Jahr 2010 in Tonnen...24 Spezifische Emissionen von NRMM in mg pro MJ Kraftstoffverbrauch in Baden-Württemberg und Deutschland insgesamt...25 Vergleich der Abgasemissionen mobiler Maschinen im Jahr 2010 mit dem Emissionskataster der LUBW...27 Schadstoffbelastung am Auswertungspunkt mit der Meteorologie Stuttgarts in den jeweiligen Szenarien...44 Allokationsfaktoren für Baden-Württemberg im Sektor Landwirtschaft...49 Allokationsfaktoren für Baden-Württemberg im Sektor Bauwirtschaft...50 Korrektur der Bestandsanteile je Kategorie für BW gegenüber TREMOD-MM...51 Korrektur der Bestandsanteile je kw-klasse für BW gegenüber TREMOD-MM...55 Allokationsfaktoren für Baden-Württemberg in den Sektoren Industrie, Forstwirtschaft, Garten und Hobby sowie Sport- und Passagierbooten...56 Kraftstoffverbrauch mobiler Maschinen in BW von 2010 bis Schadstoffemissionen mobiler Maschinen in BW von 2010 bis Hintergrundkonzentrationen an NOx, NO2 und O3 in Karlsruhe und Stuttgart...61 Maschinenpark, Einsatzzeiten und Lastfaktoren der Beispielbaustelle...61 Emissionsstandards der Minderungsszenarien für die Beispielbaustelle...64 Zusätzliche Annahmen zu den Emissionsfaktoren für DPF...64

11 Seite 11 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Differenzierung der Eingangsdaten in TREMOD-MM und Zuordnung zu den Emissionsfaktoren...21 Abbildung 2: Relativer Anteil mobiler Maschinen des jeweiligen Sektors in BadenWürttemberg am Kraftstoffverbrauch des jeweiligen Sektors in Deutschland...24 Abbildung 3: Grobabschätzung der Emissionsanteile je Sektor in BadenWürttemberg und in einem mittleren Stadtgebiet...26 Abbildung 4: Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs in BW im BAU-Szenario bis Abbildung 5: Entwicklung der NOx- und PM-Emissionen in BW im BAU-Szenario bis Abbildung 6: Entwicklung der CO- und HC-Emissionen in BW im BAU-Szenario bis Abbildung 7: Entwicklung der NOx- und PM Emissionen der Bauwirtschaft in BW im BAU-Szenario nach Größenklassen...31 Abbildung 8: Entwicklung der NOx- und PM Emissionen der Bauwirtschaft in BW im BAU-Szenario nach Emissionsstandards...32 Abbildung 9: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Gesamtbelastung aus Abgas, Abrieb und Aufwirbelung mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...33 Abbildung 10: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Zusatzbelastung aus Abgas von Kfz mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...34 Abbildung 11: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Zusatzbelastung aus Abgas durch Abbildung 12: Abbildung 13: Abbildung 14: Abbildung 15: Abbildung 16: Abbildung 17: die Beispielbaustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...35 Jahresmittelwert der lokalen Ruß- Zusatzbelastung von Kfz mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...35 Jahresmittelwert der lokalen Ruß- Zusatzbelastung durch die Beispielbaustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...36 Jahresmittelwert der NO2- Gesamtbelastung aus Vorbelastung und Verkehr mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...37 Jahresmittelwert der NO2- Gesamtbelastung aus Vorbelastung, Verkehr und Baustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)...37 Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch die Nachrüstung von Baumaschinen mit DPF...40 Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch den vorgezogenen Einsatz von Baumaschinen der jeweils aktuellsten Abgasstufe...41 Abbildung 18: Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch Neumaschinen mit Einführung einer Stufe V im Jahr

12 Seite 12 Abbildung 19: Emissionen der Beispielbaustelle nach Maßnahmenszenarien...43 Abbildung 20: NOx- und PM-Emissionen durch NRMM für Deutschland in Abbildung 21: Bestand der vom KBA erfassten Traktoren nach Bundesland und Motorleistung im Jahr Abbildung 22: Anpassung des Mengengerüstes für Baumaschinen in BadenWürttemberg...50 Abbildung 23: Gegenüberstellung der KBA- und Gebrauchtbörsendaten zu TREMODMM...53 Abbildung 24: Bestand der vom KBA erfassten Bagger und Lader nach Bundesland und Motorleistung im Jahr Abbildung 25: Anteil Bagger nach Motorleistungsklassen aus Gebrauchtbörsendaten nach Verkaufsstandort...54 Abbildung 26: Flächennutzungsanteile im Jahr 2010 für Baden-Württemberg insgesamt und die kreisfreien Städte Stuttgart, Karlsruhe, Mannheim...58 Abbildung 27: Gebäudefertigstellungen pro Hektar im Jahr 2010 für BadenWürttemberg insgesamt und die kreisfreien Städte Stuttgart, Karlsruhe, Mannheim...58 Abbildung 28: Lage und Umgebung der untersuchten Beispielbaustelle am Mariendorfer Damm...59 Abbildung 29: Windrose für die Station Karlsruhe Straße (links) und Stuttgart ArnulfKlett-Platz (rechts)...60 Abbildung 30: Jahresmittelwert der PM10-Zusatzbelastung durch Abrieb- und Aufwirbelungsemissionen des Straßenverkehrs (Meteorologie Stuttgart)..63 Abbildung 31: Jahresmittelwert der PM10-Zusatzbelastung durch Abrieb- und Aufwirbelungsemissionen der Beispeilbaustelle (Meteorologie Stuttgart)..63

13 1 Seite 13 Einleitung Mobile Maschinen und Geräte haben nach bisherigen Untersuchungen des IFEU einen hohen Anteil an den NOx- und Dieselpartikelemissionen in Deutschland [IFEU, 2014]. Die hohen Emissionen sind darauf zurückzuführen, dass die bisherigen Abgasgrenzwerte mobiler Maschinen 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 Luftqualitätsgrenzwerte für PM10 und NO2 an vielen hoch belasteten Stellen in Deutschland überschritten werden. Die tatsächliche Belastungssituation vor Ort ist jedoch stark abhängig von den lokalen Gegebenheiten, z.b. Meteorologie, Topographie und Maschinenpark. Die Analyse der Schadstoffemissionen und des Belastungsbeitrags sollte daher lokale Gegebenheiten sowohl hinsichtlich des Maschinenparks als auch der Meteorologie berücksichtigen. Im Rahmen des Projektes wurden daher die Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg und der Belastungsbeitrag für typische Stadtsituation in Baden-Württemberg ermittelt und die Auswirkungen verschiedener Minderungsmaßnahmen berechnet. Fokus der Betrachtung sind dabei die Partikel- und Rußemissionen sowie die daraus hervorgehenden Belastungen. Zusätzlich werden die Schadstoffe NOx und NO2 betrachtet, insbesondere hinsichtlich möglicher Wechselwirkungen, die beispielsweise durch Nachrüstung von Partikelfiltern hervorgerufen werden können. Die Aufgabenstellung gliedert sich dabei in die folgenden Bereiche: 1. Ermittlung der Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg 2. Ermittlung der lokalen Zusatzbelastung einer innenstädtischen Modellbaustelle 3. Berechnung des Emissions- und Immissionsminderungspotenzials von verschiedenen Maßnahmen Zur Emissionsberechnung wird seitens des es das Modell TREMOD-MM (Transport Emission Model - Mobile Machinery1) eingesetzt. Dieses von IFEU im Auftrag des Umweltbundesamtes entwickelte Modell ermöglicht eine detaillierte nationale Berechnung der Emissionen von mobilen Geräten und Maschinen in der Landwirtschaft, Bauwirtschaft, Industrie, Grünpflege und Forstwirtschaft sowie der Sport- und Fahrgastschifffahrt. Dabei werden differenzierte Annahmen zur Altersstruktur, zur Nutzung und zu den Emissionen berücksichtigt. Zur Ermittlung der lokalen Zusatzbelastung durch die Beispielbaustellen wurden zusätzlich Ausbreitungsrechnungen durch die IVU Umwelt GmbH durchgeführt. Diese beruhen dabei auf einer konkreten städtischen Situation und berücksichtigen die Hintergrundbelastung und Meteorologie von zwei Standorten in Baden-Württemberg, Stuttgart und Karlsruhe. In dieser Studie werden nach Ausführungen zu den Rahmenbedingungen (Kapitel 2) zunächst die Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg (siehe Kapitel 3) und der Belastungsbeitrag durch Baumaschinen in Städten (siehe Kapitel 4) dargestellt und diskutiert. Abschließend wird dann die Wirkung von Minderungsmaßnahmen auf Emissionen und die beispielhafte Immissionssituation dargestellt und diskutiert (siehe Kapitel 5). 1 Siehe:

14 Seite 14 2 Hintergrund zum Thema mobile Maschinen und Luftreinhaltung 2.1 Überblick zur bestehenden Gesetzgebung und zu Einzelmaßnahmen Europäische Emissionsgrenzwertgesetzgebung Die Emissionsgrenzwerte für das Inverkehrbringen von Motoren in mobilen Maschinen und Geräten werden von der EU-Kommission erarbeitet und vorgegeben2 und durch die Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) in deutsches Recht überführt. Diese sind bei Dieselmotoren nach Leistungsklassen, bei Ottomotoren nach Hubraumklassen und Einsatzart differenziert. Die Klasseneinteilung der Motoren in TREMOD MM wurde auf Basis der Grenzwertgesetzgebung vorgenommen. Grenzwerte für Dieselmotoren wurden erstmals ab dem Jahr 1999 (Stufe I) durch die EU-Richtlinie 97/68/EG festgelegt, wobei das Einführungsdatum nach Leistungsklassen differenziert ist. Für Traktoren in der Forst- und Landwirtschaft gelten die gleichen Grenzwerte (Richtlinie 2000/25/EG). Die Einführungsdaten für diese Geräte unterscheiden sich aber gegenüber den von der Direktive 97/68/EC erfassten Maschinen. Emissionen von Sportbooten werden von der Richtlinie 2003/44/EC geregelt. Für Ottomotoren in mobilen Maschinen mit weniger als 19 kw liegt seit dem 9. Dezember 2002 die Richtlinie 2002/88/EG zur Begrenzung der Emissionen von Benzin-Motoren in mobilen Geräten und Maschinen vor. Die Richtlinie 97/68/EG wurde seither mehrfach geändert und erweitert, indem die Grenzwerte stufenweise verschärft wurden. Ab dem Jahr 2014 müssen mobile Maschinen über 56 kw die Abgasstufe IV erfüllen, deren spezifische Emissionen um über 95 % niedriger liegen als bei Maschinen der Stufe I. Damit nähert sich die Emissionsgrenzwertgesetzgebung mobiler Maschinen bezüglich PM und NOx bei größeren Leistungsklassen weitgehend den Euro VI-Standards für Lkw an. Tabelle 1: Entwicklung der Emissionsfaktoren/Grenzwerte bei PM und NOx (in g/kwh) Schadstoff NRMM ( kw) Stufe I (1999) Schwere Nutzfahrzeuge (<85kW) Stufe IV (2014) Stufe IV zu Stufe I Euro I (1992) Euro VI (2013) Euro VI zu Euro I Euro VI zu Stufe IV PM 0,7 0, % 0,36 0,01-97% - 60 % NOx 9,2 0,4-96 % 8,0 0,4-95% - Quellen: Richtlinie 97/68/EG, Richtlinie 595/2009 IFEU 2014 Sowohl Euro VI als auch Stufe IV verlangen die Einhaltung der Grenzwerte in einem transienten Zyklus, um den Einsatz im Realbetrieb besser abbilden zu können. Für Nutzfahrzeuge gilt dieser Zyklus jedoch schon seit dem Jahr 2000, für NRMM erst seit der Stufe IIIB im Jahr Weitere wichtige Unterschiede sind, dass bei NRMM für kleinere Leistungsklassen in der Regel wesentlich schwächere Grenzwerte gelten als für größere Maschinen. Auch besteht bei der Stufe IV im Gegensatz zu EURO VI kein Emissionsgrenzwert für die Partikelanzahl (PN), welcher eine Minderung von Feinstpartikeln bewirken soll. Eine diesbezügliche Anpassung der Anforderungen für mobile Maschinen im Rahmen einer Stufe V wird aktuell von der EU-Kommission diskutiert [COM, 2013]. 2 Vergleichbare Standards existieren auch für die USA, Japan und weitere Länder, auf welche im Rahmen dieser Studie aber nicht vertieft eingegangen werden soll.

15 Seite 15 Aufgrund der derzeitig noch lückenhaften Datenlage zu den Partikelanzahlemissionen kann diese in der vorliegenden Studie nicht quantitativ bewertet werden. Zahlreiche Messdaten für Straßenfahrzeuge (z.b. im HBEFA [INFRAS, 2010]) sowie vereinzelt für mobile Maschinen (z.b. [AECC / RICARDO, 2010]) zeigen jedoch, dass eine deutliche Reduktion die Partikelanzahlemission nach heutigem Stand der Technik nur mit geschlossenen Partikelfiltern möglich ist Weitere Maßnahmen zur Minderung der Emissionen Während die Emissionsgrenzwertgesetzgebung auf europäischer Ebene nur die Zulassung von Motoren in Neumaschinen regelt, existieren auch verschiedene Maßnahmen zur Emissionsminderung auf nationaler oder kommunaler Ebene sowie von Einzelakteuren. Gegenstand solcher Maßnahmen ist oft auch die Minderung der Emissionen im Maschinenbestand. Prominentestes und frühestes Beispiel für die Einführung einer Partikelfilterpflicht ist die Luftreinhalteverordnung (LRV) in der Schweiz. Hier müssen seit dem Jahr 2010 auf allen Baustellen Neumaschinen >19 kw einen Partikelanzahlgrenzwert von 1*1012 pro kwh einhalten, der praktisch den Einsatz eines Partikelfilters erfordert. Ältere Maschinen im Bestand 37 kw müssen mit LRV-konformen Partikelfiltersystemen ausgestattet sein. Die Schweizer Umweltbehörde verfolgt dabei einen Ansatz der Zusammenarbeit mit den Maschinenherstellern. So werden in die Schweiz verkaufte Neumaschinen grundsätzlich mit Partikelfiltern angeboten [D Urbano, 2012]. Eine weitere nationale Bestandsmaßnahme für mobile Maschinen existiert seit dem in Österreich, nach der in belasteten Gebieten ( IG-L-Sanierungsgebieten ) nur typgenehmigte Maschinen nach Richtlinie 97/68/EG oder mit einem Partikelfilter nachgerüstete Maschinen eingesetzt werden dürfen. Hierfür werden unterschiedliche Anforderungen an die Größenklassen gestellt, welche zeitlich gestaffelt verschärft werden. Die Regulierung erfolgt allerdings nur im Winterhalbjahr, da hier in der Regel höhere Feinstaubkonzentrationen auftreten. In Deutschland müssen bisher nur im Tunnel- und Untertagebau Maschinen mit Partikelfiltern ausgestattet sein. Hierbei gelten die Auflagen nach den Technische Regeln für Gefahrstoffe (TRGS 554 und TRGS 900). In den letzten Jahren setzen sich aber auch vermehrt einzelne Akteure für saubere Maschinen auf Baustellen ein, darunter zum Beispiel die Stadt Berlin oder die Deutsche Bahn. In Baden-Württemberg wurde eine Partikelfilterpflicht nach einem Rechtsstreit der Deutschen Bahn mit der Deutschen Umwelthilfe (DUH) für die Großbaustelle Stuttgart 21 erwirkt. Eine Übersicht über die genannten Aktivitäten gibt Tabelle 2.

16 Seite 16 Tabelle 2: Ebene Beispiele für Emissionsminderungsmaßnahmen bei mobilen Maschinen über die EU-Emissionsgrenzwertgesetzgebung hinaus Akteur Schweiz Gegenstand Alle genehmigungsbedürftigen Baustellen (keine Steinbrüche, Kiesgruben) National Österreich Deutschland National/ Projekt Deutsche Bahn Kommunal Stadt Berlin IG-L-Sanierungsgebiete Bauarbeiten unter Tage Bauausschreibungen in Innenstädten Öffentlich Bauausschreibungen im Hoch- und Abrissbau Maßnahme Neumaschinen ( 19 kw): Einhaltung eines PN-Grenzwertes von 1*1012 #/kwh Bestand ( 37 kw): Vorhandensein eines LRV-konformen Partikelfilters Typgenehmigung nach R. 97/68/EG 18 bis <37 kw und 75 bis 560 kw 37 bis <75 kw Stufe II nach R. 97/68/EG 130 bis 560 kw 37 bis <130 kw Stufe IIIA nach R. 97/68/EG 130 bis 560 kw 19 bis <130 kw oder Vorhandensein eines BGBlkonformen Partikelfilters Vorhandensein eines Partikelfilters (VERT oder FAD-konform) Erfüllung der aktuelle Emissionsgrenzwertes nach R. 97/68/EG oder Vorhandensein eines Partikelfilters Erfüllung des PMEmissionsgrenzwertes der Stufe IIIB nach R. 97/68/EG oder Vorhandensein eines Partikelfilters Umsetzung Besonderheiten Regelung gilt nur in den der Zeit vom bis zum eines Jahres Ausnaheregelung für bestimmte Maschinentypen, z.b. Teleskopstapler Partikelfilterpflicht bei Stuttgart IFEU Einsatz von Dieselpartikelfiltern (DPF) Technische Hintergründe Dieselpartikelfilter (DPF) werden schon seit mehreren Jahren in mobilen Maschinen eingesetzt. Wie im vorigen Kapitel erläutert, wurden DPF bisher vor allem im Tunnel- und Untertagebau sowie vereinzelt auf Baustellen eingesetzt. Mittlerweile gibt es eine große Zahl von Filterherstellern mit verschiedenen Systemen und Materialien. Prinzipiell kann zwischen sog. offenen (Nebenstrom-) und geschlossenen Filtern (Wandstromfiltern) unterschieden werden. Mit Nebenstromfiltern kann nach Angaben verschiedener Quellen eine Reduktion der PM-Emissionen zwischen 30-75% erreicht werden, mit geschlossenen DPF wird eine Reduktion von mindestens 90% erreicht [MECA, 2009]. Für die Partikelanzahl werden bei geschlossenen DPF sogar Abscheideraten von über 99% angegeben [AECC, 2013]. Die Minderung feiner Partikel ist demnach besonders effektiv. Im Rahmen der aktuellen europäischen Emissionsgrenzwertgesetzgebung für mobile Maschinen ist der Einsatz von Partikelfiltern nicht vorgeschrieben. Zwar fordern die aktuellen Abgasstufen IIIB und IV eine Reduktion der ausgestoßenen Partikelmasse um ca. 90% gegenüber der vorigen Stufe IIIA. Dies kann jedoch auch durch innermotorische Maßnahmen erreicht werden. Im Gegensatz zu einer Minderung mittels DPF werden durch eine innermotorische Optimierung jedoch eher größere und damit weniger gesundheitsgefährdende - Partikel eliminiert. Dies äußert sich messtechnisch in einer nahezu unveränderten Partikelanzahl trotz Reduktion der Partikelmasse.

17 Seite 17 Bei geschlossenen DPF verstopft der sogenannte Filterkuchen, der aus angesammeltem Ruß besteht, mit der Zeit den Filter, wodurch sich der Abgasgegendruck erhöht. Daher muss in regelmäßigem Abstand eine Regeneration des Filters, in der Regel durch Abbrennen der Rußpartikel, erfolgen. Filterhersteller lösen das Problem durch eine kontinuierliche Oxidation mittels Katalysatoren (passive Systeme), mit Kraftstoffadditiven oder eine Regeneration mittels Brenner (aktive Systeme). Die Art der Regeneration muss in der Regel mit dem Einsatzprofil der Maschine abgestimmt sein. Passive Systeme benötigen eine Mindestabgastemperatur, die vom Lastprofil des Geräts abhängt. Aktive Filter ermöglichen unabhängig davon eine sichere Regeneration, sind aber in der Regel teurer in der Anschaffung. Zusätzlich kommen teilweise auch Wechselfilter zum Einsatz, die für die Regeneration aus dem Gerät ausgebaut werden. Die komplexen Filtersysteme erfordern eine Überwachungssensorik und regelmäßige Wartung, da defekte Systeme zu schweren Motorschäden führen können. Zur Gewährleistung der Funktionalität der Katalysatoren muss schwefelarmer Kraftstoff verwendet werden, was in Europa jedoch üblich ist. Durch Erhöhung des Abgasgegendruckes und durch die aktive Regeneration mittels Brenner kann sich der Treibstoffverbrauch erhöhen. Nach einer Schweizer Studie wird dieser mit 3% angenommen [BAFU, 2008], welches auch den erlaubten Höchstwert nach VERT darstellt (s.u.). Die Nutzung von DPF kann je nach Art des Beschichtungsmaterials auch zu einer Erhöhung der direkten NO2Emissionen (als Anteil von NOx) führen, gängige Zertifizierungssysteme versuchen diesen Anstieg aber zu begrenzen [Mayer, 2013]. Um die technische Funktionalität zu gewährleisten und Sekundäremissionen sowie einen Kraftstoffmehrverbrauch zu begrenzen sind verschiedene Zertifikationsverfahren, wie die VERT-Filterliste [VERT, 2012] oder das FAD-Qualitätssiegel [Zikoridse, 2013], entwickelt worden. Auf EU-Ebene wird derzeit die REC-Richtlinie erarbeitet, die ab 2014 eine einheitliche Zertifizierungsgrundlage für die EU ermöglichen soll [Schulte, 2013] Erwartete Marktdurchdringung in Deutschland Bestehende Baumaschinen verfügen bisher in Deutschland nur selten über einen DPF, da es derzeit nur wenige Einzelregulierungen gibt. Eine Bestandsaufnahme über bisher eingebaute Partikelfilter wird aktuell von der Deutschen Umwelthilfe im Rahmen der Kampagne Rußfrei Bauen vorgenommen. Die Daten sind in einer Internetdatenbank abrufbar und umfassen derzeit knapp 3917 Geräte [DUH, 2014]. Für die seit dem Jahr 2011 verfügbaren Neumaschinen der Stufe IIIB werden DPF in der Regel nur für Maschinen über 75 kw eingesetzt, für die Stufe IV (2014) schon ab 56 kw [Integer, 2013]. Für die OEMs besteht jedoch trotz strenger Emissionsgrenzwerte keine Partikelfilterpflicht, zumal die Grenzwerte bisher nur die Partikelmasse regulieren, und somit auch ohne Filter erreicht werden können. Der Einbau von DPF hängt daher in der Regel auch von der Strategie der einzelnen Hersteller ab, eine Übersicht einiger Hersteller hierzu gibt Tabelle 3.

18 Seite 18 Tabelle 3: Geplanter Einsatz von DPF für St. IIIB/IV nach Maschinen-/Motorenhersteller Hersteller Caterpillar John Deere Volvo Volvo Penta CNH FPT JCB MTU AGCO Cummins Deutz Perkins Quelle: [Integer, 2013] DPF x x x kein DPF beide Strategien x x x x x x x x x IFEU 2014 Eine Abschätzung der zukünftigen Marktdurchdringung mit Partikelfiltern ist derzeit nur eingeschränkt möglich. Über die jeweilige Verteilung der Maschinen nach Größenklassen und die Verkaufszahlen nach Herstellern lässt sich jedoch eine grobe Tendenz wiedergeben. Für Traktoren wurden hierbei die Neuzulassungsstatistiken des Kraftfahrtbundesamtes ausgewertet. [KBA, 2014]. Da es für Baumaschinen keine amtlichen Statistiken dieser Art gibt, wurden Gebrauchtbörsendaten [GB, 2011] und Erhebungen des Marktforschungsunternehmens Off-Highway-Research für Österreich [Off-Highway Research, 2010] untersucht. Die Ergebnisse der Auswertung sind in Tabelle 4 aufgeführt. Bei den Baumaschinen liegt der Anteil der Maschinen im Leistungsbereich mit kw, die ab Werk mit einem geschlossenen Partikelfilter ausgestattet sind, in der Größenordnung von 20%. Da für viele Hersteller, z.b. Liebherr, Takeuchi, u.a. jedoch noch keine Informationen vorlagen, bestehen hierbei noch große Unsicherheiten. Für die zahlenmäßig großen Bestände der Minibagger (i.d.r. <56kW) kann jedoch angenommen werden, dass diese über keinen DPF verfügen. Bei den Traktoren lagen zwar ebenfalls für einen Großteil der Hersteller noch keine Informationen vor. Es wird jedoch deutlich, dass sich hier im Vergleich zu den Baumaschinen - viele Hersteller gegen eine Strategie mit DPF entscheiden. Auch haben nur ca. 30% der Traktoren im Bestand eine Leistung von über 56 kw.

19 Seite 19 Tabelle 4: Zukünftig erwarteter Anteil an Maschinen mit kw mit/ohne DPF DPF kein DPF noch unklar Wichtige Hersteller (alphabetisch) Mobilbagger 15-20% >80% Caterpillar, Liebherr, Takeuchi, Terex, Volvo Raupenbagger 20-30% >70% Caterpillar, Komatsu, Liebherr, New Holland, Takeuchi, Volvo ~90% Radlader 30-40% >60% Caterpillar, Komatsu, Kramer, Liebherr, Volvo, Traktoren 13% 38% 49% AGCO, Claas, CNH, John Deere, Kubota, Same Anteil Bestand ~95% ~60% ~30% mit >56kW Quellen: [KBA, 2014], [GB, 2011], [Off-Highway Research, 2010] und eigene Annahmen IFEU 2014 Insgesamt kann somit nur bei einem kleinen Anteil der Maschinen relativ sicher davon ausgegangen werden, dass DPF eingesetzt werden. Ohne politischen Druck, z.b. durch eine Verschärfung der Grenzwerte nach Richtlinie 97/68/EG, werden daher wohl nur wenige Maschinen über einen DPF verfügen. Andererseits könnte hier jedoch ein Hebel auf nationaler bis hin zur kommunalen Ebene bestehen, durch zusätzliche Anforderungen den Ausstoß von Feinstpartikeln bei NRMM zu vermindern. Beispiel hierfür ist der bereits bestehende PN-Emissionsgrenzwert für Neumaschinen in der Schweiz. 2.3 Emissionsberechnungsmethoden und das Modell TREMOD-MM Eine detaillierte Analyse des Energieverbrauchs sowie der Emissionen mobiler Geräte und Maschinen lag für Deutschland bis vor wenigen Jahren nicht vor. Aus verschiedenen Untersuchungen war jedoch bekannt, dass diese Geräte einen relevanten Anteil an den Schadstoffemissionen haben. Um die Emissionen mobiler Maschinen detailliert zu bilanzieren und im Rahmen von Maßnahmenszenarien untersuchen zu können, wurde im Auftrag des Umweltbundesamtes bis 2004 das Computermodell TREMOD MM 3 entwickelt. In den folgenden Abschnitten soll eine Übersicht über die verschiedenen Emissionsberechnungsmethoden und die Funktionsweise von TREMOD-MM gegeben werden. Energieverbrauch und Emissionen mobiler Maschinen können prinzipiell auf zwei unterschiedliche Arten berechnet werden: 1. Top-down-Ansatz 2. Bottom-up-Ansatz Im so genannten Top-down-Ansatz wird der über Energiestatistiken erfasste Kraftstoffverbrauch ermittelt. Energiestatistiken erlauben in der Regel nur eine grobe Differenzierung, beispielweise bis zur Ebene von Sektoren (z.b. Landwirtschaft). Die Emissionen lassen sich dann über mittlere sektorspezifische Emissionsfaktoren (in Emission pro Menge Kraftstoff) berechnen, sofern solche bekannt sind. Ein solcher Ansatz wird beispielweise bei der nationalen Emissionsberichtserstattung des Umweltbundesamtes sowie einzelnen Emissionskatastern (z.b. Bayern [IER, 2005]) zugrunde gelegt. Vorteil dieser Methode ist, dass damit sofern die Tankmengen statistisch erfasst sind - eine zuverlässige Größe zur Abgrenzung des sektoralen Energieverbrauchs vorliegt. Unsicherheiten beste- 3 MM = Mobile Maschinen im Sinne dieses Berichts werden in der Literatur sowohl unter Offroad (z. B. CARB) als auch als Nonroad (z. B. EPA) subsummiert

20 Seite 20 hen dann jedoch häufig hinsichtlich des sektorspezifischen Emissionsfaktors, der zumindest implizit auch Annahmen zur Bestandszusammensetzung beinhaltet. Ein Bottom-up-Ansatz stellt z.b. die sogenannte Bestandsmethode dar, die sich auch international zur Berechnung von Emissionen mobiler Maschinen und Geräte etabliert hat. Sie wird im Grundsatz analog zu dem Vorgehen in dem Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs (HBEFA) [INFRAS, 2010] durchgeführt. Hierbei wird zunächst der Maschinenbestand differenziert erfasst und mit Faktoren zum gerätespezifischen Energieverbrauch und den spezifischen Emissionen pro Kilowattstunde für einzelne Maschinensegmente (Typen, Größen- und Altersklassen) verknüpft. Anschließend werden diese mit der Aktivität, also Einsatzdauer multipliziert, woraus sich der Energieverbrauch und die Emissionen aller Maschinen ergeben. Mithilfe dieser differenzierten Berechnung können auch mittlere Emissionsfaktoren für die gesamte Maschinenflotte plausibel abgeleitet werden. Weiterhin lassen sich auch Maßnahmen sowie Zukunftsszenarien modellieren. Es werden jedoch zahlreiche Eingangsdaten benötigt, welche z.t. mit hohem Aufwand recherchiert werden müssen. Entsprechend komplex ist auch die Quantifizierung von Unsicherheiten. Idealerweise können beide Ansätze zur Anwendung kommen und führen falls die Daten vollständig, richtig und in der jeweiligen Detaillierung verfügbar sind zum gleichen oder zumindest ähnlichem Ergebnis. Teilweise kann auch wie zum Beispiel bei der Emissionsberichtserstattung durch das Umweltbundesamt der Top-down-Ansatz zum Nachjustieren des Bottom-up-Ansatzes verwendet werden. Grundlagen für eine Berechnung nach dem Bottom-up-Ansatz wurden im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben für das Umweltbundesamt geschaffen, in denen das Berechnungsmodell TREMOD-MM (Transport Emission Model4 Mobile Machinery) entwickelt wurde. Eine grundlegende Aktualisierung wurde zuletzt zwischen 2011 und 2014 durchgeführt, wobei insbesondere die Datengrundlage für Geräte der Bauwirtschaft deutlich verbessert werden konnte. TREMOD-MM berechnet den Energieverbrauch und die Emissionen von mobilen Maschinen und Geräten in Deutschland jeweils für folgende Sektoren: Landwirtschaft Bauwirtschaft Industrie Forstwirtschaft Haushalt und Garten (Grünpflege) Sport-und Passagierboote Es werden sowohl die direkten Abgasemissionen (insbesondere NOx, Partikel, CO, HC, SOx) und bei Kohlenwasserstoffen zusätzlich noch die Emissionen durch Verschüttung und Verdrängung während der Betankung (Betankungsemissionen) sowie Verdunstungsemissionen (durch Temperaturschwankungen) berücksichtigt. 4 Ergänzungsmodell zum Transport Emission Model (TREMOD) des IFEU für den Transportbereich.

21 Seite 21 = Aktivität Emissionsfaktor mit EA Abgas Emissionen (einer Schicht, z.b. Traktoren kw; Baujahr 1990 im Bezugsjahr 2000) Anz Anzahl/Bestand von Geräten/Maschinen/Fahrzeugen P Mittlere Nennleistung (für diese Schicht) Z Zahl der spezifischen Betriebsstunden LF typischer mittlerer Lastfaktor (<1) EF Emissionsfaktor (g/kwh) Die Berechnung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs in TREMOD-MM erfolgt für jedes einzelne Maschinensegment, das sich aus Sektor, Maschinenkategorie, Größen-, Altersklasse und Emissionsstandard sowie der verwendeten Kraftstoffart zusammensetzt (siehe Abbildung 1). Dieses Vorgehen ermöglicht einerseits eine detaillierte Verursacheranalyse, andererseits auch die Betrachtung von Maßnahmenwirkungen in Szenarien. Sektor Maschinenkategorie Größenklasse Altersverteilung Emissionsstandard Bauwirtschaft Radlader < 18 kw Neuzugang Stufe 4 Landwirtschaft Bagger kw 1 Jahr Stufe 3b Emissionsfaktoren Emissionsfaktoren Binnenschifffahrt Dumper kw 2 Jahr Stufe 3a IFEU 2014 Abbildung 1: Differenzierung der Eingangsdaten in TREMOD-MM und Zuordnung zu den Emissionsfaktoren Die Datengrundlagen für TREMOD-MM wurden in verschieden Forschungsprojekten recherchiert und dokumentiert. Sowohl die Datengrundlagen und Annahmen als auch die Ableitung von Trends wurden begleitend im Rahmen von Expertenworkshops diskutiert und abgestimmt. Folgende Tabelle gibt eine grobe Übersicht über die wichtigsten Datengrundlagen.

22 Seite 22 Tabelle 5: Übersicht der verwendeten Datenquellen in TREMOD-MM Sektor Bestände Landwirtschaft KBA-Daten für Zugmaschinen Forstwirtschaft Bauwirtschaft Industrie/Sonstige Sport-und Passagierboote Haushalt und Garten, Grünpflege 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 Wasser-und Schifffahrtsverwaltung (Passagierschiffe); Verkaufszahlen (Sportboote) Verkaufszahlen Betriebsstunden Literatur- und Gebrauchtbörsendaten Literatur- und Gebrauchtbörsendaten Literaturdaten; Gebrauchtbörsendaten; Industriedaten Literaturdaten; Gebrauchtbörsendaten; Industriedaten Literaturdaten Literatur- und Industriedaten Emissionsfaktoren 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 IFEU 2014

23 3 Seite 23 Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Die Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg wurden aus den Ergebnissen bisheriger Untersuchungen für Deutschland und weiterer Recherchen für das Land Baden-Württemberg abgeschätzt. Hierbei wurden die Struktur und verschiedene Eingangsdaten des Modells TREMOD-MM verwendet, welches eine differenzierte Berechnungsmethodik und die Analyse von Szenarien ermöglicht. Für die besonders emissionsrelevanten Sektoren Land- und Bauwirtschaft wurden tiefergehende Recherchen zur Flottenstruktur der dort eingesetzten Maschinen durchgeführt und in das Modell integriert. Die zugrundeliegenden Daten und die Methodik sind im Anhang (siehe Abschnitt 6.1) beschrieben. 3.1 Ergebnisse für das Jahr Kraftstoffverbrauch und Emissionen in Baden-Württemberg Der Kraftstoffverbrauch (Diesel, Benzin und Flüssiggas) mobiler Maschinen in BadenWürttemberg im Jahr 2010 beträgt nach den im Rahmen dieser Studie durchgeführten Berechnungen insgesamt ca. 568 Kilotonnen, was knapp 13% des Verbrauches in Deutschland entspricht. Dieselkraftstoff hat den mit Abstand größten Anteil am Kraftstoffverbrauch, gefolgt von Flüssiggas (welches in Staplern eingesetzt wird). Unter den Sektoren stellt die Landwirtschaft den größten Kraftstoffverbraucher dar, gefolgt von der Bauwirtschaft und der Industrie (Tabelle 6). Tabelle 6: Kraftstoffverbrauch mobiler Maschinen in Baden-Württemberg im Jahr 2010 in Tonnen Sektor Diesel Benzin 2-Takt Benzin 4-Takt Flüssiggas Landwirtschaft % 0 0% 0 0% 0 0% Bauwirtschaft % 0 0% % 0 0% Industrie/Sonstige % 0 0% 0 0% % Forstwirtschaft % % 0 0% 0 0% 0 0% % % 0 0% 891 0% 112 4% 460 6% 0 0% Haushalt und Garten (Grünpflege) Fahrgastschiffe und Sportboote Insgesamt IFEU 2014 Die Schadstoffemissionen verteilen sich nicht proportional zum Kraftstoffverbrauch auf die Sektoren, sondern unterscheiden sich je nach Komponente deutlich (siehe Tabelle 7): Einen besonders hohen Beitrag zu den Kohlenmonoxid (CO)- Emissionen leisten benzinbetriebene Geräte, so dass neben der Land- und Bauwirtschaft auch der Sektor Haushalt und Garten einen relevanten Anteil an den Emissionen hat. Die Kohlenwasserstoff (HC)- Emissionen verteilen sich ähnlich wie die COEmissionen, da auch hier benzinbetriebene Geräte (vor allem 2-Takter) hohe spezifische Emissionen aufweisen. Die Stickoxid (NOx)- Emissionen werden dagegen vor allem durch Dieselmotoren verursacht und werden daher durch Landwirtschaft, Bauwirtschaft und Industrie dominiert. Partikelemissionen werden wie NOx vorwiegend von Dieselmotoren verursacht. Aufgrund der hohen spezifischen Emissionen bei älteren Geräten (einerseits durch

24 Seite 24 die älteren Emissionsstandards, sowie zusätzlich durch eine altersbedingte Verschlechterung des Emissionsverhaltens) sticht vor allem die Landwirtschaft hervor. Tabelle 7: Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg im Jahr 2010 in Tonnen Sektor CO HC NOx Dieselpartikel Landwirtschaft % % % % Bauwirtschaft % % % % Industrie/Sonstige % % % % Forstwirtschaft % 413 9% 317 2% 17 1% Haushalt und Garten (Grünpflege) % % 26 0% 0% 783 3% 61 1% 36 0% 3 0% IFEU 2014 Fahrgastschiffe und Sportboote Vergleich zu Deutschland insgesamt Abbildung 2 verdeutlicht die Aktivität der einzelnen Sektoren mobiler Maschinen in BadenWürttemberg im Vergleich zu Deutschland, dargestellt anhand des Anteils am Kraftstoffverbrauch pro Sektor. Unter den einzelnen Sektoren sticht in Baden-Württemberg vor allem der Sektor Industrie/Sonstige (mit den Kategorien Gabelstapler und mobile Stromaggregate) hervor. Die Allokation der Emissionen auf Basis der Arbeitsstunden im verarbeitenden Gewerbe und Bergbau führt zu einem besonders hohen Anteil am Kraftstoffverbrauch in Deutschland von fast 20% (Bevölkerungsanteil 13% [DESTATIS, 2011a]). Auf der anderen Seite haben die Freizeitschifffahrt und die Grünpflege einen relativ geringeren Anteil in BadenWürttemberg. Die Land- und Bauwirtschaft haben jeweils einen Anteil von 11-12% am bundesweiten Kraftstoffverbrauch dieser Sektoren. Anteil des Kraftstoffverbrauchs von NRMM in BW zu DE insgesamt Landwirtschaft Bauwirtschaft Industrie/Sonstige Forstwirtschaft Haushalt und Garten (Grünpflege) Fahrgastschiffe und Sportboote 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Diesel Benzin 2-Takt Benzin 4-Takt Flüssiggas Abbildung 2: Relativer Anteil mobiler Maschinen des jeweiligen Sektors in Baden-Württemberg am Kraftstoffverbrauch des jeweiligen Sektors in Deutschland

25 Seite 25 Da bei den Sektoren Landwirtschaft und Bauwirtschaft die Flottenstruktur für BadenWürttemberg angepasst wurde, unterscheiden sich die spezifischen Emissionen je Sektor von denen in Deutschland. Diese lassen sich wie in Tabelle 8 vereinfacht über die Masse an Emissionen pro Energieverbrauch (zur Vereinheitlichung von Tonnen Kraftstoff in Megajoule umgerechnet) vergleichen. Sowohl in der Landwirtschaft als auch in der Bauwirtschaft liegen die spezifischen Emissionen für Baden-Württemberg höher als für Deutschland. Dies ist in der Flottenstruktur begründet, da in beiden Sektoren tendenziell eher kleinere Maschinen eingesetzt werden. Für diese gelten nach der Richtlinie 97/68/EG weniger strenge Emissionsgrenzwerte als für größere Leistungsklassen. Auch haben wichtige Abgasnormen der letzten Jahre, wie die Stufe IIIB, bisher nur für Geräte ab 37 kw Gültigkeit. Somit liegen insbesondere die Partikelmasseemissionen in Baden-Württemberg um ca. 10 % höher. Höhere CO-Emissionen in der Bauwirtschaft lassen sich u.a. auf den etwas höheren Anteil Geräten mit Benzinmotor zurückführen. Tabelle 8: Spezifische Emissionen von NRMM in mg pro MJ Kraftstoffverbrauch in Baden-Württemberg und Deutschland insgesamt Sektor Ebene Landwirtschaft Industrie/Sonstige DE BW Diff. BW/DE DE BW Diff. BW/DE DE, BW mg/mj mg/mj % mg/mj mg/mj % mg/mj % % % % % % % % 35 Forstwirtschaft DE, BW mg/mj Haushalt und Garten (Grünpflege) DE, BW Fahrgastschiffe und Sportboote DE, BW mg/mj mg/mj IFEU 2014 Bauwirtschaft Einheit CO HC NOx PM Relevanz der Emissionen im städtischen Raum Im Fokus der Luftreinhaltung stehen insbesondere die in Städten eingesetzten Geräte. Zur Einordnung der Emissionsrelevanz der einzelnen Sektoren wurde aufgrund der mangelhaften Datenlage eine Grobabschätzung über eine Allokation der Emissionen BadenWürttembergs durchgeführt. Basis dafür sind statistische Daten der kreisfreien Städte Stuttgart, Mannheim und Karlsruhe zur Flächennutzung und zu den Gebäudefertigstellungen. Die zugrundeliegenden Daten und Annahmen sind im Anhang beschrieben. Die Allokation verdeutlicht, dass bereits auf Ebene der kreisfreien Städte die PartikelEmissionen (PM) zu etwa gleichen Teilen von der Land- und Bauwirtschaft verursacht werden, während für die NOx-Emissionen vor allem Geräte aus der Industrie und der Bauwirtschaft verantwortlich sind. Die CO- und HC-Emissionen stammen überwiegend aus Geräten im Garten- und Hobbybereich (Abbildung 3). Somit nimmt die Landwirtschaft bei den besonders problematischen Partikel- und NOx-Emissionen auf dem Gebiet der kreisfreien Städte wie zu erwarten eine deutlich geringere Rolle als in Baden-Württemberg insgesamt ein. Dagegen rücken die Sektoren Bauwirtschaft und Industrie stärker in den Vordergrund.

26 Seite 26 Emissionsanteil mobiler Maschinen je Sektor und Schadstoff 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% PM NOx CO HC PM Ø Baden-Württemberg NOx CO HC Ø kreisfreie Städte S/MA/KA Landwirtschaft Bauwirtschaft Industrie/Sonstige Forstwirtschaft Garten, Hobby Freizeitschifffahrt Abbildung 3: Grobabschätzung der Emissionsanteile je Sektor in Baden-Württemberg und in einem mittleren Stadtgebiet Für die dicht bewohnten und von Luftbelastungen besonders betroffenen Innenstadtbereiche ist die Rolle der Landwirtschaft daher eher im regionalen und überregionalen Schadstoffeintrag zu sehen5. Demgegenüber tragen Geräte aus der Industrie stärker zur städtischen Hintergrundbelastung bei, auch wenn die Geräte in der Regel eher auf separaten Gewerbeflächen und nicht im Stadtzentrum eingesetzt werden. Für die lokale Belastung durch mobile Maschinen in Innenstädten ist damit die Bauwirtschaft als wichtigster Sektor anzusehen. Eine detaillierte Untersuchung des lokalen Emissions- und Immissionsbeitrag von Baustellen in Städten wird daher in Kapitel 4 für ein konkretes Fallbeispiel durchgeführt Vergleich zum Emissionskataster der LUBW Das Luftschadstoff-Emissionskataster Baden-Württemberg [LUBW, 2012] wird von der LUBW (Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg) im Zweijahres-Rhythmus als Bericht und abrufbar für jede Gemeinde im Internet-Auftritt der LUBW veröffentlicht. Das Kataster erfasst die Emissionen aller relevanten Quellen in Baden-Württemberg. Die Kraftstoffverbräuche und die Emissionen der Bauwirtschaft werden in der Quellengruppe Sonstige Technische Einrichtungen unter der Einzelgruppe Geräte/Maschinen/Fahrzeuge (GMF) aufgeführt. In dieser Quellgruppe sind die Abgasemissionen mobiler Maschinen und Geräte der Sektoren Bauwirtschaft, Industrie, Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Hobby/Garten und Militär enthalten. Die Grundlage für die Emissionsberechnung sind mittlere Emissionsfaktoren (mit der Einheit kg-schadstoff/kg-kraftstoff) für jeden Sektor aus der Schweizer Offroad-Datenbank 5 Hierbei spielen neben den Abgasemissionen von Traktoren jedoch auch nicht motorische Emissionen, z.b. Ammoniak aus der Düngung und Tierhaltung, eine Rolle, welche als Vorläufersubstanzen für Partikel fungieren.

27 Seite 27 [BAFU 2010]. Die Datengrundlagen von [LUBW 2012] unterscheiden sich damit von dieser Studie, weiterhin ist der Sektor Militär berücksichtigt. Die Ergebnisse der beiden Erhebungen für den Gesamtsektor mobile Maschinen im Bezugsjahr 2010 sind in Tabelle 9 aufgeführt. Je nach Schadstoffkomponente zeigen die Ergebnisse deutliche Unterschiede: Während die CO- und HC-Emissionen nach dieser Studie niedriger als beim Emissionskataster der LUBW liegen, sind die hier berechneten NOx und insbesondere die Partikelemissionen (in [LUBW 2012] als Fraktion von PM10 angegeben) mit +47% bzw. +198% deutlich höher. Im Vergleich zu den Abgasemissionen des Straßenverkehrs aus den Daten des Emissionskatasters der LUBW ergibt sich somit auch eine unterschiedliche Relevanz mobiler Maschinen. Bei PM10 liegen die Emissionen mobiler Maschinen aus den Berechnungen dieser Studie sogar um 11% höher als die des Straßenverkehrs, nach den Berechnungen der LUBW betragen diese mit 37% weniger als die Hälfte der Emissionen des Straßenverkehrs. Ebenfalls sind die in dieser Studie berechneten CO2-Emissionen der mobilen Maschinen um 15% höher als beim Emissionskataster der LUBW. Da diese proportional zum Kraftstoffverbrauch sind, kann die Abweichung in grober Annährung auf die Aktivität der Sektoren zurückgeführt werden. Verglichen mit den Schadstoffemissionen sind die Unterschiede der Aktivitätsraten somit als gering einzuschätzen. Tabelle 9: Emittent NRMM Straßenverkehr NRMM/Straße Vergleich der Abgasemissionen mobiler Maschinen im Jahr 2010 mit dem Emissionskataster der LUBW Quelle LUBW IFEU Diff LUBW LUBW IFEU CO T % % 18% HC t % % 31% NOx t % % 29% PM10 (Abgas) t % % 111% CO2 kt % % 9% IFEU 2014 Die Differenzen bei den Schadstoffemissionen sind in den unterschiedlichen Emissionsfaktoren der Schweizer Offroad-Datenbank und TREMOD-MM begründet. Unterschiede treten hierbei sowohl bei den verwendeten Faktoren zur Emissionsberechnung als auch bei der Zusammensetzung der Flotte in der Schweiz und Deutschland auf. Somit ergeben sich deutlich niedrigeren Partikelemissionen in [LUBW 2012] unter anderem dadurch, dass im Schweizer Bestand im Jahr 2010 aufgrund der gesetzlichen Partikelfilterpflicht eine weitgehende Ausstattung von Baumaschinen mit Partikelfiltern angenommen wird. Für Deutschland ist der Partikelfiltereinsatz derzeit noch vernachlässigbar (vgl. Abschnitt 2.2), weshalb für Baden-Württemberg höhere Partikelemissionen angenommen werden können. Weiterhin wird in der Schweizer Datenbank für den Sektor Landwirtschaft ein relevanter Anteil benzinbetriebener Geräte (z.b. Einachsschlepper) berücksichtigt, während in TREMOD-MM nur Dieselmaschinen berücksichtigt sind. Diese haben in der Regel deutlich höhere PM- und NOx-Emissionen und dafür niedrigere COund HC-Emissionen. Die Flottenzusammensetzung erklärt daher einen Teil der Unterschiede.

28 Seite 28 Unsicherheiten in beiden Modellen resultieren aus den methodischen Ansätzen zur Abbildung des dynamischen Betriebs und der Alterung von Maschinen. Die verwendeten Emissionsfaktoren berücksichtigen sowohl einen Basisfaktor (im Prüfzyklus geltend) sowie Anpassungsfaktoren für den realen dynamischen Betrieb der Maschinen und eine altersbedingte Verschlechterung. Bei den Basisfaktoren zeigen beide Modelle meist eine gute Übereinstimmung (siehe IFEU 2009). Die Anpassungsfaktoren unterscheiden sich jedoch stärker und haben insbesondere auf die Partikelemissionen, sowie bei HC und CO einen starken Einfluss: Der PM-Zuschlag für den dynamischen Betrieb beträgt beim Schweizer Modell (vgl. ([BAFU 2008]) max. 47%, in TREMOD-MM z.b. bei Traktoren bis zu 92%6. Weiterhin ist der altersbedingte Zuschlag gegenüber Neumaschinen nach dem Ansatz in [BAFU 2008] im Gegensatz zu TREMOD-MM geringer. Da in BadenWürttemberg viele ältere landwirtschaftliche Maschinen eingesetzt werden, kommt es hierdurch zu weiteren Ergebnisunterschieden. Die Gesamtunsicherheiten durch die verschiedenen Emissionsfaktoren sind dementsprechend hoch und können auf der vorhandenen Datengrundlage nicht vollständig vermieden werden. Im Flottendurchschnitt relativieren sich die Unterschiede zum Teil jedoch deutlich: Ältere Maschinen weisen beispielsweise wesentlich geringere Einsatzzeiten auf; hohe Dynamikzuschläge sind hingegen mit einer geringen Motorauslastung und damit geringerem Brennstoffbedarf verbunden. 6 Die für den dynamischen Zuschlag relevanten Parameter in TREMOD-MM (transiente Anpassungsfaktoren und Lastfaktoren) wurden in [IFEU 2014] detailliert untersucht und aktualisiert.

29 3.2 Seite 29 Emissionsszenarien bis 2030 Die Maßnahmenplanung für mobile Maschinen sollte über den Ist-Stand der Emissionen hinaus auch die erwartete zukünftige Entwicklung berücksichtigen. Daher werden die Emissionsberechnungen mit TREMOD-MM bis zum Jahr 2030 in einem Szenario fortgeschrieben. Neben der Entwicklung des Bestands hinsichtlich dessen Anzahl und Größenstruktur wirkt sich vor allem die Umschichtung von älteren zu neueren Maschinen auf die Emissionen aus. Für das Business as Usual (BAU)-Szenario wird dabei das Inkrafttreten der aktuell beschlossenen Emissionsgrenzwerte berücksichtigt. Für die Fortschreibung der Emissionen in Baden-Württemberg werden die gleichen Annahmen zugrunde gelegt wie für die Entwicklung in Deutschland (siehe [IFEU, 2004] und [IFEU, 2014]). Wichtige Entwicklungen neben der Emissionsgesetzgebung sind hierbei z.b. eine Zunahme der Motorleistung bei Traktoren, ein weiterer Anstieg des Bestandes an Minibaggern und eine Verschiebung von Diesel- hin zu Gasstaplern. Ausgangspunkt für die Entwicklung ist jedoch die spezifische Flottenstruktur der Land- und Bauwirtschaft für Baden-Württemberg Entwicklung der Sektoren Der Kraftstoffverbrauch ändert sich im BAU-Szenario kaum, es ergibt sich lediglich eine leichte Zunahme in der Land- und Bauwirtschaft, da auch die Anzahl der Maschinen leicht zunimmt. Den größten Anteil am Verbrauch der mobilen Maschinen hat Dieselkraftstoff, gefolgt von Treibgas, welches in Staplern eingesetzt wird. Der Benzinverbrauch mobiler Maschinen hat nur einen geringen Anteil (Abbildung 4). Kraftstoffverbrauch je Kraftstoffart Kraftstoffverbrauch je Sektor in Petajoule pro Jahr Landwirtschaft Bauwirtschaft Industrie/Sonstige Forstwirtschaft Fahrgastschiffe/Sportboote Haushalt und Garten 2030 in Petajoule pro Jahr Diesel Benzin 2Takt Benzin 4Takt Flüssig-/Treibgas Abbildung 4: Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs in BW im BAU-Szenario bis 2030 Die NOx-Emissionen und die PM-Emissionen nehmen im Szenario stark ab, da immer mehr ältere Maschinen durch solche mit neueren Emissionsstandards ersetzt werden. Insgesamt sinken die NOx-Emissionen zwischen 2010 und 2030 um ca. 60%, die PMEmissionen um mehr als 70% (Abbildung 5). Die Minderung dieser Emissionen ist vor allem aus Sicht der Einhaltung der Luftqualitätsgrenzwerte von NO2 und PM10 als positiv zu bewerten. Für eine zusätzliche Verringerung der gesundheitlichen Belastung durch Feinstpartikel ist neben einer Reduktion der Partikelmasse (PM) (siehe Abbildung 5 rechts), auch eine Reduktion der Partikelanzahl (PN)-Emissionen erforderlich. Dies ist aus heutiger Sicht nur mit geschlossenen Partikelfiltern möglich (vgl. Absatz 2.2.1).

30 Seite 30 Stickstoffoxid (NOx)- Emissionen Dieselpartikel (PM)- Emissionen in Tonnen pro Jahr in Tonnen pro Jahr Abbildung 5: Entwicklung der NOx- und PM-Emissionen in BW im BAU-Szenario bis 2030 Wie bei den NOx- und PM-Emissionen nehmen auch die CO- und HC-Emissionen im Szenario ab. Der Rückgang ist jedoch deutlich geringer, insbesondere bei CO. Dies ist auch auf Emissionsgrenzwerte bei Otto-Motoren zurückzuführen, welche zuletzt im Jahr 2008 verschärft wurden. Solche Geräte werden vor allem im Sektor Grünpflege aber auch in der Bauwirtschaft eingesetzt (Abbildung 6). Kohlenmonoxid (CO)- Emissionen Kohlenwasserstoff (HC)- Emissionen in Tonnen pro Jahr in Tonnen pro Jahr Abbildung 6: Entwicklung der CO- und HC-Emissionen in BW im BAU-Szenario bis 2030

31 3.2.2 Seite 31 Entwicklung in der Bauwirtschaft Da sich die Bauwirtschaft für die Belastung in Innenstädten potenziell als der wichtigste Sektor der mobilen Maschinen darstellt, werden die Entwicklungen der Emissionen hier differenzierter dargestellt. Bei der Entwicklung der Emissionen nach Größenklassen (Abbildung 7) zeigen sich folgende Trends: Aktuell werden die NOx-Emissionen stark von Maschinen im oberen (>75 kw) und mittleren Leistungsbereich (37-74 kw) dominiert. Bei den Partikelemissionen haben mittlere, aber auch kleinere Maschinen einen relevanten Anteil an den Emissionen. Zukünftig sinken die NOx-Emissionen vorwiegend bei Maschinen mit über 75 kw, bei Partikelemissionen bei Maschinen über 37 kw, was auf die jeweilige Abgrenzung der Abgasstufen IIIB und IV zurückzuführen ist. Die Emissionen von Maschinen unter 37 kw steigen hingegen sogar leicht an (begründet durch einen Anstieg des Bestandes solcher Geräte und die fehlende bzw. mangelnde Fortschreibung der Emissionsgrenzwerte). Im Jahr 2030 macht die Leistungsklasse unter 37 kw somit ca. 40% der NOx- und fast 80% der Partikelemissionen der Baumaschinen aus. Stickstoffoxid (NOx)- Emissionen Dieselpartikel (PM)- Emissionen 350 in Tonnen pro Jahr in Tonnen pro Jahr Abbildung 7: Entwicklung der NOx- und PM Emissionen der Bauwirtschaft in BW im BAUSzenario nach Größenklassen Die Auswirkungen der Grenzwertgesetzgebung sind auch in der zukünftigen Verteilung der Emissionsanteile der jeweiligen Abgasstufen erkennbar (Abbildung 8). Maschinen ohne Typgenehmigung tragen derzeit kaum zu den Emissionen bei. Ab dem Jahr 2015 besteht deren Anteil vorwiegend aus Geräten mit einer Leistung kleiner 19 kw, die derzeit nicht in die Emissionsgesetzgebung eingebunden sind, deren Anteil bleibt somit annähernd konstant. Bei den Partikelemissionen dominieren zukünftig Geräte mit der Abgasstufe IIIA, da diese für Maschinen mit 19 bis 37 kw dann die aktuellste Grenzwertnorm bleibt. Der Partikelmassegrenzwert entspricht hier allerdings dem der Stufe II und damit

32 Seite 32 einem aus heutiger Sicht veralteten Stand von Motoren mit Baujahr Ein weiteres Manko der Stufe IIIA sind die Anforderungen des Prüfzyklus, welcher im Gegensatz zur Stufe IIIB kein dynamisches Profil aufweist7. Auch muss wie bereits im vorigen Kapitel darauf hingewiesen werden, dass die Stufen IIIB und IV nur die Partikelmasse, nicht aber die Partikelanzahl regulieren. Dieselpartikel (PM)- Emissionen Stickstoffoxid (NOx)- Emissionen in Tonnen pro Jahr in Tonnen pro Jahr Abbildung 8: Entwicklung der NOx- und PM Emissionen der Bauwirtschaft in BW im BAUSzenario nach Emissionsstandards 7 Unter Einbeziehung sogenannter transienter Anpassungsfaktoren können die Partikel-Emissionen von Motoren vor Stufe IIIB im Realbetrieb je nach durchschnittlichem Lastprofil - bis um das Doppelte höher liegen als auf dem Prüfstand (vgl. [IFEU, 2014]).

33 4 Seite 33 Belastungsbeitrag durch Baumaschinen in Städten Die Beurteilung der lokalen Zusatzbelastung durch mobile Maschinen wurde anhand definierter Fallbeispiele durchgeführt. Hierbei wurde analog zu einer Studie für das Umweltbundesamt [IFEU, 2014] eine fiktive Beispielbaustelle nahe des Mariendorfer Damms in Berlin untersucht. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Baden-Württemberg wurden für die Ausbreitungsberechnungen Meteorologiedaten der Städte Stuttgart und Karlsruhe verwendet. Dabei wurde die Belastung an PM10, Dieselruß (definiert als elementarer Kohlenstoff = EC) und NO2 jeweils für den Baustellenbereich und durch den angrenzenden Kfz-Verkehr (ca Kfz/d) ausgewertet. Die Rahmenbedingungen und Berechnungsgrundlagen sind im Anhang ausführlich dargestellt (siehe Abschnitt 6.3). 4.1 Ergebnisse der Ausbreitungsrechnung PM10-Belastung Abbildung 9 zeigt die berechnete PM10-Gesamtbelastung im Fallbeispiel für Stuttgart und Karlsruhe. Diese ergibt sich aus der Summe der Vorbelastung8, den lokalen Abgasen durch die Baustelle und den Kfz-Verkehr sowie Partikeln aus Abrieb- und Aufwirbelungsprozessen. Hervorzuheben ist hierbei: Mit der Stuttgarter Meteorologie verursachen die gleichen Emissionen eine deutlich höhere Belastung als mit der Meteorologie Karlsruhes. In beiden Fällen ist der Einfluss der Baustellen auf die PM10-Belastung deutlich zu erkennen, im Nahbereich treten im Jahresmittel Konzentrationen von ca. 70 µg/m3 auf (vorausgesetzt, die Baustelle würde ganzjährig betrieben). Durch den Baustelleneinfluss sind jedoch insbesondere Überschreitungen des Tagesmittelwerts (50 µg/m3) möglich. Gesamtbelastung PM10 in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 9: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Gesamtbelastung aus Abgas, Abrieb und Aufwirbelung mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) 8 Hiermit sind Belastungen aus dem städtischen und regionalen Hintergrund gemeint. Die Daten entstammen dem Projekt Flächendeckende Ermittlung der Immissions-Vorbelastung für Baden-Württemberg 2010 [IVU Umwelt, 2014b]

34 Seite 34 Die PM10- Konzentration stellt in erster Linie eine wichtige Größe zur Überwachung der Luftqualitätsgrenzwerte dar. Für die gesundheitliche Belastung durch feine Abgaspartikel haben diese Werte jedoch nur eine begrenzte Aussagekraft, da die PM10-Gesamtbelastung oft vom Ferntransport sowie nicht motorischen Prozessen wie Abrieb- und Aufwirbelung dominiert wird. Letztere lassen sich auf Baustellen durch gängige Maßnahmen wie z.b. Abdeckung und Befeuchtung von Erdmaterial stark begrenzen. Die gesundheitlich relevanteren Abgaspartikel (Dieselemissionen werden seit 2012 von der WHO als kanzerogen eingestuft [IARC, 2012]) können über die lokale Zusatzbelastung bewertet werden. Diese beträgt durch den Straßenverkehr in den Fallbeispielen im Jahresmittel bis zu 4 µg PM10/m3. Mit der Stuttgarter Meteorologie liegt die Zusatzbelastung an vielen Stellen deutlich höher als in Karlsruhe, wo höhere Windgeschwindigkeiten innerhalb der Straßenschlucht auftreten können (Abbildung 10). Zusatzbelastung PM10 in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 10: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Zusatzbelastung aus Abgas von Kfz mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) Die Baustelle weist mit bis zu 7 µg/m3 eine höhere Zusatzbelastung mit Abgaspartikeln wie der Straßenverkehr auf (siehe Abbildung 11). Am Straßenrand verursachen Baumaschinen sogar bis um das 7-fache der Belastung des Straßenverkehrs und stellen somit für Arbeiter oder Passanten eine relevante zusätzliche Belastungsquelle dar. Im Gegensatz zum Straßenverkehr zeigt sich hierbei ein geringerer Einfluss der meteorologischen Verhältnisse.

35 Seite 35 Zusatzbelastung PM10 in µg/m3 Graphik: IVU Umwelt GmbH Abbildung 11: Jahresmittelwert der lokalen PM10- Zusatzbelastung aus Abgas durch die Beispielbaustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) Dieselruß-Belastung Der Kfz-Verkehr verursacht auf bzw. in Nähe der Fahrbahn eine Zusatzbelastung mit Dieselruß von 1 bis 3 µg/m3 (Abbildung 12). Zusatzbelastung EC in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 12: Jahresmittelwert der lokalen Ruß- Zusatzbelastung von Kfz mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) Die Dieselrußbelastung durch die Baumaschinen konzentriert sich - wie auch die motorische PM10-Belastung - in beiden Fallbeispielen auf den Nahbereich der Baustelle und beträgt im Jahresmittelwert bis zu 5,8 µg/m3 (Abbildung 13).

36 Seite 36 Zusatzbelastung EC in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 13: Jahresmittelwert der lokalen Ruß- Zusatzbelastung durch die Beispielbaustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) Die Belastung mit Dieselruß ist aktuell vor allem Gegenstand des Arbeitsschutzes. In Deutschland und der Schweiz darf z.b. eine Konzentration von 100 µg/m3 am Arbeitsplatz nicht überschritten werden9. Diese Grenzwerte würden an den betrachteten Baustellen im Jahresmittelwert also bei weitem unterschritten. Eine feinere zeitliche Auflösung im Fallbeispiel ergibt, dass auf der Baustelle Stundenwerte von bis zu 50 µg/m3 erreicht werden können. Eine Konzentration von 20 µg/m3 oder höher wird im Beispiel Stuttgart selbst am entfernter gelegenen Auswertungspunkt an 5% der Arbeitsstunden erreicht. Die Auswertung verdeutlicht, dass ein Gefahrenpotenzial aus Sicht des Arbeitsschutzes im gegebenen Fallbeispiel zwar nicht besteht, bei höheren Emissionen (Einsatz älterer Geräte oder stärkerer Maschineneinsatz) jedoch auch nicht ausgeschlossen werden kann. Die Arbeitsplatzgrenzwerte sind darüber hinaus als kritisch zu bewerten, da es nach aktuellem Stand der Wissenschaft für Dieselruß keinen Schwellenwert gibt, welcher eine gesundheitliche Unbedenklichkeit garantiert [Wichmann, 2013]. So gilt beispielsweise auch in der Schweiz unabhängig vom Arbeitsplatzgrenzwert das Gebot zur Emissionsminderung an der Quelle und zwar unter Nutzung der bestmöglichen Technologie. Auch wurden in den USA in den letzten Jahren Verschärfungen der Grenzwerte diskutiert. So wurde zuletzt im Jahr 2001 eine maximal zulässige EC-Konzentration von 20 µg/m3 (1995: 150 µg/m3) vorgeschlagen, letztendlich wurde jedoch komplett auf eine Grenzwertempfehlung verzichtet. Die zwischenzeitlich aufgehobene Verordnung über die Festlegung von Konzentrationswerten (23. BImSchV) beinhaltete für Ruß einen Zielwert von 8 µg/m³ im Jahresmittel. In der aktuellen 39. BImSchV ist Ruß als Einzelkomponente nicht mehr geregelt und wird nur noch als Teilmenge des Feinstaubs begrenzt NO2-Belastung Für die Berechnung der NO2-Belastung spielen neben der Vorbelastung und den Emissionen von NOx (darunter auch NO2) auch photochemische Umwandlungsprozesse, insbesondere in Wechselwirkung mit Ozon, eine wichtige Rolle. Die NO2-Belastung kann daher im Gegensatz zu Partikeln nicht als reine Zusatzbelastung, sondern nur als Gesamtbelastung, aus diesen Prozessen dargestellt werden. 9 Für den Bergbau gelten höhere Grenzwerte

37 Seite 37 Der Straßenverkehr führt in den Fallbeispielen mit der Meteorologie Stuttgarts und Karlsruhes zu einer deutlichen Erhöhung der NO2-Gesamtbelastung. So werden in beiden Fällen innerhalb der Straßenschlucht bis zu über 60 µg/m3 im Jahresmittel erreicht. Mit der Meteorologie Stuttgarts kommt es jedoch zu einer deutlich ausgeprägteren Belastung. So treten auch in den Wohnbereichen fernab des Kfz-Verkehrs NO2-Konzentrationen von bis zu 44 µg/m3 auf, in Karlsruhe dagegen nur bis zu 36 µg/m3 (Abbildung 14). Gesamtbelastung NO2 in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 14: Jahresmittelwert der NO2- Gesamtbelastung aus Vorbelastung und Verkehr mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts) Werden zusätzlich zur Vorbelastung und dem Anteil des Straßenverkehrs die Emissionen der Baumaschinen berücksichtigt, treten in direkter Nähe der Baustelle ähnlich hohe oder höhere NO2-Konzentrationen wie in der Straßenschlucht auf. Durch die Baumaschinen treten auch in den Gebäudeschluchten im Umfeld von etwa Metern zur Baustelle erhöhte Konzentrationen auf, in weiterer Entfernung zeigt diese aber keinen Einfluss mehr (Abbildung 15). Der Beitrag der Baumaschinen ist im Verhältnis zum Straßenverkehr damit zwar als relevant, jedoch weniger kritisch einzustufen als bei der Ruß- und Partikelbelastung. Gesamtbelastung NO2 in µg/m3 Graphik nach: IVU Umwelt GmbH Abbildung 15: Jahresmittelwert der NO2- Gesamtbelastung aus Vorbelastung, Verkehr und Baustelle mit der Meteorologie Stuttgart (links) und Karlsruhe (rechts)

38 Seite 38 5 Minderungsmaßnahmen zur Senkung der Emissionen in BadenWürttemberg 5.1 Erörterung des Handlungsbedarfes und Definition von Maßnahmen Die Auswertungen der vorigen Kapitel zeigen auf, dass hinsichtlich der Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Handlungsbedarf besteht. Dieser gründet sich im Wesentlichen auf folgende Ergebnisse: In Baden-Württemberg verursachen NRMM NOx-Emissionen in Höhe von etwa 30 % und Partikelemissionen in Höhe von etwa 110% der Emissionen des Straßenverkehrs, bei nur knapp 10% dessen Energieverbrauchs. Die spezifischen Emissionen mobiler Maschinen sind also um ein vielfaches höher als beim Straßenverkehr, dementsprechend größer ist hier jedoch auch das Minderungspotenzial. In innerstädtischen Gebieten können durch Baumaschinen höhere lokale Partikelbelastungen auftreten als durch eine Straße mit ca Kfz pro Tag. Der Einfluss auf die Erhöhung der NO2-Belastung ist demgegenüber geringer. Wie die Szenarien aufzeigen, nehmen die Emissionen mobiler Maschinen aufgrund der bestehenden Grenzwerte in den kommenden Jahren deutlich ab. Die derzeitige Emissionsgrenzwertgesetzgebung kann die Anforderungen einer Minderung der Belastung jedoch nur zum Teil erfüllen: Für kleinere Geräte <37 kw sind deutlich schwächere Grenzwerte vorgesehen, welche bezüglich der Partikelemissionen dem technischen Stand von vor etwa 10 Jahren entsprechen. Die Reduktion bei größeren Geräten betrifft derzeit nur die Partikelmasse, gesundheitsgefährdende ultrafeine Partikel dürfen damit weiterhin ausgestoßen werden. Der Einsatz älterer bzw. hoch emittierender Geräte in Städten ist unabhängig von den Emissionsgrenzwerten für Motoren möglich. Langfristig sollten die genannten Handlungsfelder im Rahmen einer Weiterentwicklung der Emissionsgrenzwertgesetzgebung aufgenommen werden10. Eine deutliche Minderung der Emissionen mobiler Maschinen ist dann jedoch nicht vor 2025 zu erwarten [IFEU, 2014]. Daher könnte mit Maßnahmen auf regionaler oder lokaler Ebene eine kurzfristige Minderung, insbesondere bei der Partikelbelastung, erreicht werden. Zur Verminderung der Partikelmasse, aber auch der Anzahl an Feinstpartikeln, stellen geschlossene Dieselpartikelfilter aktuell den bestverfügbaren Stand der Technik dar. Der Einsatz von Partikelfiltern kann auf zwei Arten erreicht werden: 1. Nachrüstung von bestehenden Maschinen mit einem DPF. 2. Verwendung von Maschinen, die über die aktuellste Grenzwertstufe verfügen und bereits ab Werk mit DPF ausgerüstet sind. Auf dem derzeitigen Markt verfügt nur ein geringer Teil der Neumaschinen über DPF. Dieser Zustand wird sich ohne zusätzliche Maßnahmen in absehbarer Zeit kaum ändern, da einerseits Geräte <37kW nur die Abgasstufe IIIA erfüllen müssen und andererseits bei Maschinen über 37 kw nur ein Teil der Hersteller eine Grenzwerteinhaltung mit Einsatz von DPF plant (vgl. Kap ) 10 Eine Revision der Richtlinie 97/68/EG wird bereits seit einigen Jahren in der EU-Kommission mit verschiedenen Stakeholdern diskutiert [COM 2013].

39 Seite 39 Die Nachrüstung bestehender Maschinen mit DPF ist heute jedoch mehrfach erprobt, auch bestehen ausgereifte Zertifizierungsverfahren, welche die Funktionstüchtigkeit im Feld gewährleisten sollen. Eine Kosten-Nutzen-Analyse unter Zugrundelegung der Emissions- und Nutzungsdaten von TREMOD-MM hat ergeben, dass eine DPF-Nachrüstung vor allem für größere Maschinen kosteneffizient ist [IFEU, 2014]. Auch ist das Alter der Maschinen wichtig, da ältere Maschinen in der Regel seltener eingesetzt werden als neuere. Die Minderungspotenziale bezogen auf die Bestandsstruktur in Baden-Württemberg werden im Folgenden daher gestaffelt nach kw-klassen untersucht. Hierbei werden Maßnahmen zuerst für die größten Maschinen und dann sukzessive für Geräte bis >19 kw verglichen. Als Zeithorizonte werden 2015, 2020 und 2030 betrachtet. 5.2 Emissionsminderungspotenziale für Baumaschinen in BadenWürttemberg Durch eine Nachrüstung aller Baumaschinen ab 19 kw in Baden-Württemberg mit DPF könnten die Rußemissionen im Jahr 2015 um bis zu 94% gesenkt werden. Bei einer späteren Nachrüstung sind die Minderungspotenziale geringer, da vor allem bei größeren Leistungsklassen durch die Flottenumschichtung zu neueren Maschinen (mit Stufe IIIB bzw. IV) bereits im BAU-Szenario eine relevante Reduktion erreicht wird. Somit könnten durch eine Nachrüstung von Maschinen >37 kw im Jahr 2015 gegenüber dem BAUSzenario noch 71% der Rußemissionen, im Jahr 2030 jedoch nur noch 21% vermieden werden. Eine frühzeitige Einbindung dieser Geräte ist daher sinnvoll um das volle Reduktionspotenzial auszuschöpfen. Zudem ist die Kosteneffizienz einer Nachrüstung bei größeren Maschinen günstiger ist als bei kleineren Geräten11 [IFEU, 2014]. Ein großes zusätzliches Minderungspotenzial ergibt sich jedoch durch die Nachrüstung von Maschinen im Leistungsbereich von kw, da diese im BAU-Szenario (in Anlehnung an die derzeitige Grenzwertgesetzgebung) nur die Stufe IIIA erfüllen müssen. Dem großen Minderungspotenzial stehen jedoch höhere Nachrüstungskosten gegenüber, da die kleineren Maschinen in der Regel weniger eingesetzt werden. Vor allem bei älteren Maschinen kann eine Neuanschaffung von Maschinen, die bereits ab Werk über einen DPF verfügen, kosteneffizienter sein (siehe [IFEU, 2014]). Solche Geräte werden bereits für den Schweizer Markt aufgrund der dortigen, strengeren Emissionsgrenzwerte angeboten, in Deutschland dürften aktuell allerdings nur wenige Maschinen <37 kw mit einem DPF ab Werk verfügbar sein. Anforderungen an Maschinen <37 kw könnten daher auch sinnvoll mit einer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte für Neumaschinen einhergehen, wie sie aktuell auf EU-Ebene diskutiert wird. Wichtig bleiben jedoch baldige Anforderungen an diese Leistungsklasse, da deren Rußemissionen unter der aktuellen europäischen Gesetzgebung ohne weitere Maßnahmen die Gesamtemissionen mobiler Maschinen zukünftig dominieren könnten (vgl. Abbildung 16). 11 Maßstab sind hierbei die jährlichen Kosten für Partikelfilter (Anschaffungs- und laufende Kosten) pro vermiedener Partikelemission

40 Seite 40-6% -8% -12% % -27% 160 0% -13% -20% -36% % -55% % -71% % -92% -94% < 19kW kW 37-74kW kW >19kW >37kW >75kW >130kW BAU >19kW >37kW >75kW >130kW BAU >19kW >37kW >75kW -100% >130kW 0-80% Relative Reduktion zum BAU-Szenario 200 BAU Jährliche EC-Emissionen in Tonnen Szenario: DPF-Nachrüstung kW Reduktion zu BAU Abbildung 16: Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch die Nachrüstung von Baumaschinen mit DPF Bei der aktuellen europäischen Emissionsgesetzgebung kann eine Minderung der ausgestoßenen Rußmasse durch vorgezogenen Einsatz von neuen Maschinen nur bei größeren Geräten erzielt werden, da hier Neumaschinen die Stufen IIIB oder IV erfüllen müssen (siehe Abbildung 17). Die Minderungen im Leistungsbereich über 37 kw sind dabei ähnlich, wenn auch etwas geringer als bei einer Nachrüstung mit DPF. Grund hierfür ist, dass die Rußemissionen zwar stark mit der Partikelmasse korrelieren, der Rußanteil bei Maschinen mit DPF jedoch deutlich geringer als bei Maschinen ohne DPF angenommen wird. Im Jahr 2015 beträgt die potenzielle Minderung somit nur 66 % statt 71 %. Im Jahr 2030 würde schon ein Großteil der Maschinen der jeweils aktuellsten Grenzwertstufe entsprechen, die zusätzlich mögliche Emissionsminderung ist daher auf 6% begrenzt. Vorteil des Einsatzes von Neumaschinen im Gegensatz zu einer Nachrüstung wäre neben einer möglichen Verbesserung der Kosteneffizienz (siehe [IFEU, 2014]), dass zusätzlich zur Partikelmasse auch weitere Emissionen, insbesondere NOx, reduziert werden. Im Gegensatz zu einer DPF-Nachrüstung ist eine Minderung von ultrafeinen Rußpartikeln durch die aktuellen europäischen Emissionsgrenzwerte jedoch nicht sichergestellt. Diese wären Gegenstand einer expliziten Forderung eines geschlossenen DPF oder eines - wie derzeit im Rahmen einer Revision der Richtlinie 97/68/EG diskutieren - Partikelanzahlgrenzwertes.

41 Seite 41 Abbildung 17: Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch den vorgezogenen Einsatz von Baumaschinen der jeweils aktuellsten Abgasstufe Die theoretische Rußminderung mit neuen Maschinen im Falle einer Einführung von strengeren Emissionsgrenzwerten in Form einer Abgasstufe V im Jahr 2020 zeigt Abbildung 18. Hierbei wird unterstellt, dass sowohl eine Verschärfung der PM-Grenzwerte für Geräte <37 kw als auch die Einhaltung eines Partikelanzahlgrenzwertes gefordert wird12. In diesem Falle wäre die Rußminderung ab 2020 ähnlich wie bei einer DPF-Nachrüstung. Im Jahr 2030 wären die Ruß-Emissionen mit ca. 10 Tonnen im Bestand selbst ohne zusätzliche Maßnahmen wie Nachrüstung oder vorgezogenem Einsatz von Neumaschinen auf einem sehr niedrigen Niveau. Zusätzlich wäre eine relevante Senkung der Emissionen von ultrafeinen Rußpartikeln gewährleistet. 12 Die Berechnungsannahmen entsprechen denen des Euro VI-Szenarios in [IFEU, 2014]

42 Seite 42 Angenommene Einführung Stufe V -10% % % 0% -7% -19% -27% -20% -42% -40% -56% % -66% 80-60% -79% % -93% 20 < 19kW kW 37-74kW kW >19kW >37kW >75kW >130kW BAU >19kW >37kW >75kW >130kW BAU >19kW >37kW >75kW -100% >130kW 0 Relative Reduktion zum BAU-Szenario 200 BAU Jährliche EC-Emissionen in Tonnen Szenario: Neumaschinen mit "Stufe V" kW Reduktion zu BAU Abbildung 18: Emissionsminderungspotenziale für Dieselruß in Baden-Württemberg durch Neumaschinen mit Einführung einer Stufe V im Jahr 2020 Die Effekte einer Grenzwertverschärfung wären jedoch selbst bei einer Forderung von Maschinen der neusten Grenzwertstufe aufgrund des Gesetzgebungsprozesses und der darin vorgesehenen Markteinführungsphasen frühestens ab dem Jahr 2020 realisierbar. Um den Einsatz von Neumaschinen mit DPF ab Werk für alle Maschinen >19 kw zu ermöglichen, müssten demnach Anforderungen formuliert werden, die über die derzeitige europäische Emissionsgesetzgebung hinausgehen. Die nationale oder regionale Forderung von Maschinen, die einen Partikelanzahlgrenzwert entsprechend den Vorgaben für Euro VI Lkw bzw. Baumaschinen in der Schweiz einhalten, könnte die Maschinenhersteller in einer Ausstattung mit DPF ab Werk bestärken. In Europa werden DPF bisher nur in einem Teil der Neumaschinen ab 37 kw eingesetzt. Für lokale Maßnahmen könnten diese kurzfristig zur Verfügung stehen. Um entsprechende Geräte <37 kw zu produzieren dürften viele Hersteller eine Vorlaufzeit benötigen. Für die Einführung einer Stufe V wird in dieser Studie ein Zeitfenster von 4 Jahren angenommen. Da für andere Märkte wie z.b. die Schweiz13 bzw. vereinzelt den USA (im Zuge der Stufe Tier4 Final) bereits Maschinen mit kw mit DPF ab Werk verfügbar sind, könnten auch kürzere Vorlaufzeiten realisierbar sein. 5.3 Minderung der Emission und Immission im lokalen Fallbeispiel Um den Einfluss verschiedener Emissionsstandards bzw. Abgasminderungstechnologien auf die lokalen Emissionen und Immissionen darzustellen, werden vier Minderungsszena13 Siehe Liste mit LRV-konformen Motoren auf der Internetseite des BAFU, Stand :

43 Seite 43 rien untersucht. Die Ergebnisse beziehen sich auf das Fallbeispiel mit der Meteorologie Stuttgarts aus Kapitel 4 (in diesem Falle als BAU-Szenario bezeichnet). Besonderer Fokus liegt auf dem Vorhandensein eines DPF, der derzeit im Rahmen der Emissionsgesetzgebung der EU allerdings nicht erforderlich ist. Daher werden folgende Szenarien untersucht: 1. Die Stufe II Maschinen aus dem BAU-Szenario sind mit einem geschlossenen DPF nachgerüstet. 2. Es werden nur Maschinen mit dem aktuellsten Emissionsstandard eingesetzt, die jedoch über keinen DPF verfügen. 3. Es werden nur Maschinen mit dem aktuellsten Emissionsstandard eingesetzt, die neueren Maschinen der Stufe IIIB oder IV verfügen über einen DPF. 4. Es werden nur Maschinen mit dem aktuellsten Emissionsstandard eingesetzt, die alle (also auch Maschinen mit Stufe IIIA) über einen DPF verfügen. Ergänzende Annahmen zu den Emissionsfaktoren gegenüber den Daten in TREMOD-MM sind im Anhang beschrieben. Die täglichen Abgasemissionen der Beispielbaustelle je Schadstoff und Szenario verdeutlicht Abbildung 19. NOx in g/d S2 S3 S4 0 BAU in g/d NO2 in g/d S1 S2 S3 S4 PM BAU in g/d S1 EC BAU S1 S2 S3 S4 24 BAU S1 0,6 S2 S3 S4 Abbildung 19: Emissionen der Beispielbaustelle nach Maßnahmenszenarien Ein Vergleich der Belastung durch die Baustelle mit der des Straßenverkehrs wurde für das Fallbeispiel mit der Meteorologie Stuttgarts durchgeführt. Dieser wird anhand der Konzentration am Auswertepunkt am Rand der Fahrbahn dargestellt, welche im Jahres

44 Seite 44 mittel tendenziell stärker durch die Emissionen des Kfz-Verkehrs als durch die Baustelle beeinflusst wird. Im BAU-Szenario liegt die auspuffbedingte PM10-Zusatzbelastung der Baustelle an diesem Punkt bei 1,5 µg/m3, die des Straßenverkehrs bei 2,5 µg/m3 (Tabelle 10). Die PM10- und EC-Belastung der Baustelle können durch Partikelfilter entsprechend um 90% bzw. bis zu 99% gesenkt werden. Die Ruß-Zusatzbelastung durch die Baustelle am Auswertungspunkt (vgl. Abbildung 13) liegt dann im Jahresmittelwert nur noch bei 0,010,02 µg/m3. Ohne DPF bzw. mit DPF nur bei Neumaschinen der Stufe IIIB und IV sind die Rußemissionen ebenfalls deutlich geringer als im BAU-Szenario, hier werden jedoch noch Konzentrationen von 0,21-0,29 µg/m3 erreicht. Die NO2-Belastung erhöht sich durch die Baustelle im BAU-Szenario um ca. 6% (auf 66,3 µg/m3). Werden die älteren Maschinen mit Partikelfiltern nachgerüstet, erhöht sich die lokale NO2-Belastung sogar um 11% (auf 69,6 µg/m3), da durch die Filter ein höherer Anteil der NOx-Emissionen in direktes NO2 umgewandelt wird. Bei Neumaschinen können die NO2-Emissionen gegenüber dem BAU-Szenario jedoch gesenkt werden: Gegenüber dem Zustand ohne Baustelle wird die NO2-Konzentration durch die Baustelle dann lediglich um 2% erhöht. Aufgrund der geringen NOx-Emissionen der Neumaschinen haben auch die DPF hierbei kaum einen Einfluss auf die NO2-Konzentration. Tabelle 10: Fall Schadstoffbelastung am Auswertungspunkt mit der Meteorologie Stuttgarts in den jeweiligen Szenarien Szenario Vorbelastung Ohne Baustelle Verkehr BAU (Abgasstufe II) S1 (DPF-Nachrüstung) Mit Bau- S2 (Neumaschinen ohne DPF) stelle S3 (Neumaschinen mit DPF bei St. IIIB und IV) S4 (Neumaschinen mit DPF) 5.4 PM10 Zusatz JMW µg/m3 EC Zusatz JMW µg/m3 NOx - Gesamt NO2-Gesamt JMW Rel. ZuJMW Rel. Zuµg/m3 nahme µg/m3 nahme 74,1 34,9 159,0 62,6 182,1 +15% 66,3 +6% 182,1 +15% 69,6 +11% 163,4 +3% 63,7 +2% 2,55 1,55 0,15 0,36 1,90 1,24 0,02 0,29 0,28 0,21 163,4 +3% 63,9 +2% 0,04 0,01 163,4 +3% 64,0 +2% IFEU 2014 Schlussfolgerungen für eine mögliche Umsetzung Für die Planung und Durchführung von Minderungsmaßnahmen lassen sich auf Basis der Ergebnisse folgende Schlüsse ziehen: Mobile Maschinen tragen auch in Baden-Württemberg - im Vergleich zu ihrem Energieverbrauch - überproportional zur Feinstaubbelastung und auch relevant zur NO2-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. Sie mindern nicht nur die ausgestoßene Partikelmasse, sondern vor allem auch die Partikelanzahl und damit den Ausstoß von gesundheitlich be-

45 Seite 45 sonders relevanten Feinstpartikeln. 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. Derzeit verfolgen nur drei große Hersteller diesen Technologiepfad konsequent für Maschinen der Stufe IIIB oder IV. Die Einführung einer neuen Grenzwertstufe mit Partikelanzahlgrenzwert auf EU-Ebene wird zwar diskutiert, würde dann aber erst ab 2025 zu einer deutlichen Emissionsminderung im Bestand führen. Die Ausstattung mit Partikelfiltern kann zu einer Erhöhung des Anteils direkter NO2-Emissionen am NOx-Ausstoß führen. Dies ist besonders bei der Nachrüstung älterer Maschinen mit einem insgesamt hohen NOx-Ausstoß relevant. Der Effekt kann aber durch den Einsatz zertifizierter Filter (z.b. VERT, REC) begrenzt werden. Eine kurzfristige Minderung der Partikelbelastung kann über nationale, regionale oder lokale Maßnahmen erreicht werden, die eine Ausstattung von Maschinen mit Partikelfiltern fordern. Zentrale Akteure hierfür sind in Baden-Württemberg die Landesregierung, die Kommunen sowie Bauherren und Maschinenbetreiber. Die Landesregierung kann einerseits politische Ansätze auf EU- und Bundesebene mitgestalten und befördern. Andererseits gilt es, den nachgeordneten Ebenen Wege zur Durchsetzung lokaler Maßnahmen zu eröffnen. Kommunal kann hier die Einrichtung von Umweltzonen auch für Baumaschinen sinnvoll sein, andererseits können aber auch baustellenspezifische Lösungen zum Einsatz kommen. Dabei sollte jedoch die Entstehung eines Flickenteppichs unterschiedlicher Einzelanforderung nach Möglichkeit vermieden werden. Konkret ist die Umsetzung der folgenden abgestuften Maßnahmen geeignet eine kosteneffiziente Minderung zu erreichen: a) Gegenstand einer Minderungsstrategie könnten zu allererst Baumaschinen im Leistungsbereich >37 kw sein. Aufgrund höherer Einsatzzeiten ist eine Nachrüstung hier kosteneffizienter als bei kleineren Geräten. Auch könnten ältere Maschinen vorzeitig durch Neumaschinen mit DPF ab Werk ersetzt werden, die in diesem Leistungsbereich teilweise angeboten werden. Die Dieselrußemissionen des Bausektors in Baden-Württemberg könnten durch vollständige Ausstattung dieser Maschinen mit DPF 2020 um bis zu 55 % gesenkt werden. b) Darüber hinaus ist auch eine Einbeziehung von Maschinen mit kw in die Maßnahmenstrategie geboten, da diese mangels strengerer Grenzwerte zukünftig für einen Großteil der Emissionen verantwortlich sein werden. Zum heutigen Zeitpunkt steht hierbei noch die Nachrüstung im Vordergrund, mittelfristig können jedoch - z.b. aufgrund der Ankündigung eines EU-Grenzwertes zur Regulierung der Partikelanzahl - auch verstärkt Neumaschinen mit Partikelfilter in dieser Leistungsklasse verfügbar werden können die Dieselrußemissionen somit zusätzlich um bis zu 37% (bzw. insgesamt um über 90 %) gesenkt werden.

46 Seite 46 6 Anhang 6.1 Berechnung der Emissionen mobiler Maschinen in Baden-Württemberg Allgemeines Vorgehen Die Energieverbrauchs- und Emissionsberechnung für Baden-Württemberg baut auf der Bestandsmethode und der Datengrundlage von TREMOD-MM auf. Die Differenzierung in Maschinenschichten erlaubt teilweise eine Übertragung der vorhandenen Daten von Deutschland auf Baden-Württemberg. Zum Beispiel wird ein Raupenbagger mit einer Nennleistung von 100 kw und der Abgasstufe IIIA (Motorbaujahr ) im Durchschnitt die gleichen spezifische Emissionen haben (sofern keine zusätzlichen Veränderungen wie z.b. Partikelfiltereinbau erfolgten). Prinzipiell ist davon auszugehen, dass sich auch die typischen jährlichen Betriebsstunden eines solchen Geräts wenig unterscheiden. Ausnahme hiervon können baukonjunkturelle Schwankungen sein, die aber über statistische Indikatoren erfasst und berücksichtigt werden können. Von der Datengrundlage werden daher übernommen: Spezifischer Emissionsfaktor pro Schicht Jährliche Betriebsstunden pro Schicht Mittlerer Lastfaktor pro Schicht Darüber hinaus ist die absolute Anzahl an Geräten, sowie deren Struktur hinsichtlich der Alters- und Größenklassen entscheidend für die Emissionsberechnung. Eine differenzierte Anpassung der Bottom-Up-Datengrundlage für Baden-Württemberg soll aufgrund des hohen Erhebungsaufwands auf die besonders relevanten Sektoren beschränkt bleiben. Aus den TREMOD-MM-Berechnungen für Deutschland geht die Landwirtschaft als emissionsrelevantester Sektor hervor, gefolgt von der Bauwirtschaft und der Industrie (siehe Abbildung 20). Die Fahrgastschifffahrt, die Forstwirtschaft und der Bereich Haushalt und Garten (Grünpflege) trugen dagegen im Jahr 2010 zusammen nur 2,6% zu den NOx- und 1,2% zu den PM-Emissionen bei. Die Erhebung für Baden-Württemberg konzentriert sich daher auf die Bereiche Landwirtschaft und Bauwirtschaft. Für diese beiden Sektoren soll eine landesspezifische Flottenstruktur berücksichtigt werden. Bei den übrigen Sektoren werden die Ergebnisse aus TREMOD-MM für Deutschland anhand geeigneter Faktoren auf Baden-Württemberg allokiert14, also als pauschaler Anteil je Sektor und Bezugsjahr abgeschätzt. Damit entsprechen die Flottenstruktur und die mittleren Emissionsfaktoren dieser Sektoren dem bundesweiten Durchschnitt. Die jeweils verwendeten Eingangsdaten zur Flottenstruktur und die Allokationsfaktoren werden in den folgenden Kapiteln näher beschrieben. 14 Als Allokationsfaktoren werden amtliche statistische Kenngrößen verwendet, die sowohl für die Bundesrepublik Deutschland als auch das Land Baden-Württemberg vorliegen. Da diese Daten jährlich aktualisiert und veröffentlicht werden, ist auch eine Fortschreibung möglich.

47 Seite 47 Abbildung 20: NOx- und PM-Emissionen durch NRMM für Deutschland in Anpassung für die Landwirtschaft Insgesamt hat der Sektor Landwirtschaft den größten Anteil an den NOx und PMEmissionen in Deutschland. Wichtigste Maschinenkategorie hierbei sind Zugmaschinen, zusätzlich werden auch Mähdrescher sowie einige Ladegeräte, z.b. Rad- und Teleskoplader, eingesetzt. Für eine Abschätzung der Emissionen in Baden-Württemberg wurde eine nach Maschinentypen unterschiedliche Vorgehensweise gewählt. Da Traktoren ein Kennzeichen15 benötigen und im zentralen Fahrzeugregister (ZFZR) des Kraftfahrtbundesamtes erfasst sind, können deren Bestände detailliert für die Emissionsberechnung genutzt werden. Die Bestandsdaten wurden dazu vom KBA nach Bundesländern, Motorleistungsklassen und Jahr der Erstzulassung abgefragt und dann für die Emissionsberechnung für Baden-Württemberg in TREMOD-MM aufbereitet. Eine Auswertung der KBA-Daten zeigt, dass deutschlandweit in Südwestdeutschland und den Stadtstaaten Maschinen mit geringerer Leistung eingesetzt werden, größere Traktoren gibt es dagegen vor allem in Nord- und Ostdeutschland (Abbildung 21). Für BadenWürttemberg ist diese Tendenz plausibel, da nach Daten des statistischen Bundesamtes 15 ausgenommen sind einachsige Zugmaschinen