Senkung der NO 2 -Belastung durch verkehrsverstetigende Maßnahmen

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1 Senkung der NO 2 -Belastung durch verkehrsverstetigende Maßnahmen Seminar Lösungsansätze und Möglichkeiten der Umsetzung von Maßnahmen, die der Luftreinhaltung in Städten dienen TLUG, Dr. Werner Scholz, LUBW Karlsruhe, Referat 33 - Luftqualität

2 Gliederung: Einleitung 2 Projekte der LUBW zu Kfz-Emissionen Wirkung von verkehrsverstetigenden Maßnahmen an einer Steigungsstrecke in Stuttgart auf die NO 2 -Konzentrationen Ergebnisse aus PEMS-Messungen an Euro 6-Diesel-Pkw Zusammenfassung Folie 2

3 Einleitung Verbesserung der Luftqualität durch Tempolimits: unklar, wenig Daten. - UBA Berlin, 1999: Umweltauswirkungen von Geschwindigkeitsbeschränkungen alt - UBA Berlin, 2007: Verbesserung der Umweltqualität in Kommunen [1] keine eindeutige Aussagen zur Wirkung auf die Emissionen. HBEFA 3.2: Keine Daten für Tempo 30 oder 40 auf HVS (M. Keller: zu komplex ) Problem: Grenzwertüberschreitungen bei NO 2 an vielen verkehrsnahen Messstationen. Effektive Minderungsmaßnahmen stehen nur sehr begrenzt zur Verfügung; Umweltzonen und Lkw-Durchfahrtsverbote reichen zur Problemlösung oft nicht aus. Die Wirksamkeit von Geschwindigkeitsbegrenzungen oder einer Verstetigung des Verkehrsablaufs sind bislang schwer zu bewerten. Die NOx-Emissionen der Diesel-Pkw als Hauptursache der NO 2 -Belastungen basieren auf der Gesetzgebung der EU. Die Kommunen können kaum Einfluss auf die Kfz-Flotte nehmen. Folie 3

4 Pkw Diesel Pkw Diesel Abgasgrenzwerte und Emission im realen Betrieb - Partikel EU-Abgasgrenzwerte für Diesel-Pkw Partikel Pkw Diesel Partikel [mg/km] Euro 1 0,18 Euro 2 0,08 Euro 3 0,05 Euro 4 0,025 Euro 5 0,005 Euro 6 0,005 PM in % HBEFA 3.1 Partikel Handbuch Emissionsfaktoren (Abgas) des Straßenverkehrs innerorts Partikel (Abgas) innerorts Bezugsjahr 2010 PM in g/km Pkw Benzin Folie 4

5 Pkw Diesel Pkw Diesel Pkw Diesel Abgasgrenzwerte und Emission im realen Betrieb NOx, NO 2 EU-Abgasgrenzwerte für Diesel-Pkw NO x +HC Pkw Diesel NOx HC+NOx [g/km] - 1,13-0,7 0,5 0,56 0,25 0,3 0,18 0,23 0,08 0,17 NO x +HC in % HBEFA 3.1 NO x innerorts NO x innerorts Bezugsjahr 2010 NO x in g/km HBEFA 3.1 NO 2 innerorts Pkw Benzin NO 2 innerorts Bezugsjahr 2010 NO 2 /NOx 8 % 8 % 11 % 35 % 47 % NO 2 in g/km Pkw Benzin 35 %

6 2 Projekte der LUBW zu Kfz-Emissionen Mobile Abgasmessungen mit PEMS an drei Euro 4-Dieselfahrzeugen in Stuttgart (TÜV Nord GmbH, 2010/2011) 2 Pkw, 1 LNfz Messfahrten auf festgelegten Strecken T50, T40, T30 ( simulierte Tempolimits) PEMS-Messungen und PHEM-Modellierung Ersteinschätzungsschema zur Wirkung von T30 auf Hauptverkehrsstraßen auf die NOx- und PM10-Emissionen (AVISO GmbH, 2012) Zusammenfassende Auswertung von Fahrprofilen aus 13 Städten in Baden-Württemberg Berücksichtigung von zwei gegenläufigen Effekten: Bei Konstantfahrt verursacht T30 höhere Emissionen als T50 Emissionsintensive Beschleunigungsphasen fallen bei T30 kürzer aus als bei T50 Projektberichte unter Folie 6

7 PHEM: Spezifische NOx-Emissionsfaktoren der Messfahrten auf ebenen Strecken, ohne Stillstandsanteile, aufgeteilt in Beschleunigungs-, Konstantfahrt- und Verzögerungsphasen Beschleunigung Konstantfahrt Verzögerung Folie 7 Jeder Punkt repräsentiert die Summe der Zeitabschnitte einer Verkehrszustandsphase einer bestimmten Fahrt

8 Emission in g/km Emission in g/km PHEM: 0.04 Emissionen in Abhängigkeit von der relativen positiven Beschleunigung (RPA) für Beschleunigungsvorgänge PM PHEM, mittleres Kfz, Pkw und leichte Nutzfahrzeuge Beschleunigungsvorgänge >= 10 s epm, 12 bis 16 km/h RPA ist definiert als Zeitintegral über v*a für positives a dividiert durch die Fahrstrecke. Die Dimension ist m/s² oder kws/(kg*km). Letzteres ist die spezifische Beschleunigungsarbeit für den betrachteten Zyklus oder Fahrtabschnitt. Dargestellt sind PM und NOx; CO 2 zeigt ähnlichen Verlauf wie PM. NOx-Emissionen sind stark abhängig von der Fahrdynamik (Faktor 2!) epm, 16 bis 20 km/h epm, 20 bis 24 km/h RPA in kws/(kg*km) NOx PHEM, mittleres Kfz, Pkw und leichte Nutzfahrzeuge Beschleunigungsvorgänge >= 10 s enox, 12 bis 16 km/h enox, 16 bis 20 km/h enox, 20 bis 24 km/h Folie RPA in kws/(kg*km)

9 Zusammenfassende Bewertung der Wirkung von T30 / T40 Auf ebenen Hauptverkehrsstraßen mit hohem Konstantfahrtanteil verursacht T30 und T40 höhere NOx-, PM- und CO 2 -Emissionen als T50 (Beispiel Stuttgart) An Steigungsstrecken und auf ebenen Strecken mit niedrigem Konstantfahrtanteil kann T30 (bzw. T40, Auswertung Nagel) zu geringeren NOx-Emissionen führen (-10% im optimalen Fall) Für CO 2 und motorbedingte PM-Emissionen ist T30 in allen Fällen negativ Falls das Ersteinschätzungsschema Vorteile für T30 anzeigt, so empfiehlt sich eine Aufnahme des Fahrprofils mit T30/T50 am fraglichen Streckenabschnitt (Mindestlänge ca m) und anschließende PHEM-Modellierung Mit dieser Vorgehensweise wurden in Baden-Württemberg teils Vorteile, teils Nachteile für T30 berechnet Verstetigung = Reduzierung von Beschleunigungsvorgängen besitzt großes Potenzial zur Emissionsminderung Folie 9

10 Wirkung von verkehrsverstetigenden Maßnahmen an einer Steigungsstrecke in Stuttgart auf die NO 2 -Konzentrationen Folie 10

11 Immissionssituation und Maßnahmen in Stuttgart Belastung an den Spotmessstellen Stuttgart Hohenheimer Straße (B 27) DTV / 1,8 % Lkw Stuttgart Am Neckartor (B 14) DTV / 3,0 % Lkw Kenngröße GW Spotmessstelle NO 2 JMW (in µg/m³) 40 Hohenheimer Str Am Neckartor NO 2 h > 200 µg/m³ 18 Hohenheimer Str Am Neckartor PM10 JMW (in µg/m³) 40 Hohenheimer Str Am Neckartor PM10 Tage > 50 µg/m³ 35 Hohenheimer Str Am Neckartor Seit Umweltzone im gesamten Stadtgebiet Stuttgart, seit Verschärfung auf Stufe 3 (nur noch grüne Plakette erlaubt). Regierungspräsidium und Stadt Stuttgart hatten die Auswirkungen bei Einführung eines generellen Tempolimits auf 40 km/h auf den Hauptverkehrsstraßen untersuchen lassen [6]. Wegen im Gutachten prognostizierten Verkehrsverlagerungen und mangelnder schadstoffsenkender Wirkung wurde die Maßnahme nicht umgesetzt. Folie 11

12 Senkung der NO 2 -Belastung in der Hohenheimer Straße in Stuttgart durch verkehrsverstetigende Maßnahmen [9] Aufgrund der Ergebnisse der LUBW-Projekte mit TÜV Nord und AVISO wurden auf der Hohenheimer Straße folgende Maßnahmen beschlossen: : Änderung der Parkzeitenregelung, im Zeitbereich 19:00 21:00 jetzt absolutes Halteverbot auf der rechten Spur (davor Parken zulässig) : Einführung der Geschwindigkeitsbegrenzung auf 40 km/h, Optimierung der Grünen Welle auf T40 durch Büro SSP, zunächst zeitlich befristet Spotmessstelle Hohenheimer Straße (B 27) mit kontinuierlicher Verkehrszählstelle: Kfz/Tag (2012) Lkw-Anteil 1,8 % 6,8 % Steigung Folie 12

13 Emission in g/km PHEM: NOx-Emissionen in Abhängigkeit von der Fahrbahnlängsneigung für Konstantfahrtabschnitte PHEM, mittleres Kfz, Pkw und leichte Nutzfahrzeuge Steigungen erhöhen PMund NOx-Emissionen erheblich Konstantfahrten >= 10 s enox, 25 bis 30 km/h enox, 30 bis 35 km/h enox, 35 bis 40 km/h enox, 40 bis 45 km/h enox, 45 bis 50 km/h enox, 50 bis 55 km/h Folie % -5% 0% 5% 10% 15% Fahrbahnlängsneigung -10% 10% 15%

14 Mittlere Fahrgeschwindigkeiten im Wochenverlauf auf den beiden aufwärts führenden Spuren, Verkehrszählstelle Stuttgart Hohenheimer Straße (Halbstundenwerte) Mittelungszeitraum jeweils vor Maßnahmen 2013 nach Umsetzung der Maßnahmen Störung des Verkehrsablaufs in den Abendstunden ist behoben Verstetigung Folie 14

15 Verteilung der gefahrenen Geschwindigkeiten rechte Spur Rückgang der Anteile im niedrigen und hohen Geschwindigkeitsbereich; Zunahme im Bereich der mittleren Geschwindigkeiten Verstetigung des Verkehrsablaufs km/h km/h linke Spur Kein signifikanter Rückgang der durchschnittlichen Geschwindigkeit auf beiden Spuren! km/h Folie 15 Monatliche Verteilung der gefahrenen Geschwindigkeiten auf den beiden aufwärts führenden Spuren, Verkehrszählstelle Stuttgart Hohenheimer Straße, Anteile in %. Zeitraum 01/ /2013; Einführung von Tempo 40 am km/h

16 Fundamentaldiagramme 2011 und 2013, Spuren 1 und , Spur , Spur , Spur , Spur 2 Beide Fahrspuren zeigen eine breite Verteilung der Fahrzeuggeschwindigkeiten vor und eine erheblich schmalere Verteilung nach Umsetzung der Maßnahmen. Folie 16

17 Vergleich mittlere Tagesgänge, jeweils NO 2 NO Folie 17

18 NO 2 : monatl. 50-Perzentilwerte + gleitendes Mittel über 12 Monate Hohenheimer Str. Am Neckartor Kumulierte Überschreitungsanzahl Folie 18

19 NO 2 : monatl. 98-Perzentilwerte + gleitendes Mittel über 12 Monate Hohenheimer Str. Am Neckartor Folie 19

20 Vergleich Jahreskenngrößen 2013 zu 2012 Am Neckartor Hohenheimer Straße Am Neckartor Hohenheimer Straße Änderung 2013 zu 2012 Änderung 2013 zu 2012 NO 2 JMW (µg/m³) ,1% -12,1% h > 200 µg/m³ ,7% -89,3% NO JMW (µg/m³) ,6% +5,4% NOx JMW (µg/m³) ,1% -0,8% PM10 JMW (µg/m³) ,3% 0,0% Tage > 50 µg/m³ ,7% -6,9% NO 2 : Rückgang bei Jahreswert deutlich, bei Spitzenbelastung außerordentlich! NO: Kein Rückgang. PM10: nahezu unverändert NO 2 -selektive Wirkung der Maßnahmen Folie 20

21 Auswirkungen der Maßnahmen in der Hohenheimer Straße Zusammenfassung Rückgang der Geschwindigkeitsschwankungen im Wochenverlauf, Abnahme der Fahrzeuganteile im Bereich niedriger und hoher Geschwindigkeiten, Zunahme der Fahrzeuganteile im mittleren Geschwindigkeitsbereich. Verstetigung des Verkehrsablaufs, Abnahme der Beschleunigungs- und Bremsvorgänge (Durchschnittsgeschwindigkeit unverändert). Dadurch effektive Senkung der NO 2 -Konzentrationen: Abnahme des Jahresmittelwerts um 11 µg/m³ von 2012 auf 2013; Rückgang der Überschreitungsstunden > 200 µg/m³ von 196 auf 21 Stunden Ursache der hohen NO 2 -Belastungen: Beschleunigungsvorgänge an Steigungsstrecken, die aufgrund der hohen Motorlast ein erhöhtes NO 2 /NOx-Verhältnis und erhöhte NO 2 -Direktemissionen zur Folge haben (vgl. PEMS-Ergebnisse [1]). Offensichtlich führt eine Verstetigung des Verkehrsablaufs aufgrund der gleichmäßigeren Fahrweise und der Abnahme von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen zu einer Senkung der NO 2 -Direktemissionen der Diesel-Kfz. Folie 21

22 Einige ausgewählte Ergebnisse aus PEMS-Messungen an Euro 6-Diesel-Pkw (2014/2015) Auftraggeber: LUBW und LfU Bayern Projektdurchführung: TÜV Nord und H. Steven Datenanalysen Bayerisches Landesamt für Umwelt Folie 22

23 Versuchsfahrzeuge Bayerisches Landesamt für Umwelt Partikelfilter + SCR Katalysator NO x - Speicherkatalysator + Partikelfilter Innermotorische NO x Minderungsmaßnahmen + Partikelfilter Volkswagen CC BMW 320d Mazda

24 Messtechnik Bayerisches Landesamt für Umwelt Quelle: TÜV Nord

25 v in km/h, NOx in mg/s Höhe in m Exemplarischer Emissionsverlauf, Fahrzeug 1 (Passat CC) 50 Geschwindigkeit Fz 1, Strecke 1, ID = NOx 290 Höhe Folie Zeit in s Zeitverlauf von Geschwindigkeit, NOx-Emission und Höhe für Fahrzeug 1, Stuttgart, Innenstadtstrecke, Tempo 40

26 v in km/h, NOx in mg/s Höhe in m Exemplarischer Emissionsverlauf, Fahrzeug 2 (BMW 320d) 50 Geschwindigkeit Fz 2, Strecke 1, ID = NOx 290 Höhe Folie Zeit in s Zeitverlauf von Geschwindigkeit, NOx-Emission und Höhe für Fahrzeug 2, Stuttgart, Innenstadtstrecke, Tempo 40

27 v in km/h, NOx in mg/s Höhe in m Exemplarischer Emissionsverlauf, Fahrzeug 3 (Mazda 6) 50 Geschwindigkeit Fz 3, Strecke 1, ID = NOx 45 Höhe Folie Zeit in s Zeitverlauf von Geschwindigkeit, NOx-Emission und Höhe für Fahrzeug 3, Stuttgart, Innenstadtstrecke, Tempo 40

28 NOx in mg/km Vergleich mit HBEFA 3.2, Fahrzeug 1 (Passat CC) 1200 HBEFA 3.2, Euro 6 D HBEFA 3.2, Euro 5 D 1000 Fahrzeug 1 alle Fahrten, Fz 1 alle Fahrten, Fz 1, v_ave < 35 km/h 800 HBEFA 3.2, Euro 6 D, v_ave < 35 km/h HBEFA 3.2, Euro 5 D, v_ave < 35 km/h Grenzwert NEFZ Folie Durchschnittsgeschwindigkeit in km/h NO x -Emissionen der verschiedenen Fahrten für Fz. 1 im Vergleich zu den Emissionsfaktoren aus HBEFA 3.2

29 NOx in mg/km Vergleich mit HBEFA 3.2, Fahrzeug 2 (BMW 320d) 1200 HBEFA 3.2, Euro 6 D HBEFA 3.2, Euro 5 D Fahrzeug alle Fahrten, Fz 2 alle Fahrten, Fz 2, v_ave < 35 km/h HBEFA 3.2, Euro 6 D, v_ave < 35 km/h 800 HBEFA 3.2, Euro 5 D, v_ave < 35 km/h Grenzwert NEFZ Folie Durchschnittsgeschwindigkeit in km/h NO x -Emissionen der verschiedenen Fahrten für Fz. 2 im Vergleich zu den Emissionsfaktoren aus HBEFA 3.2

30 NOx in mg/km Vergleich mit HBEFA 3.2, Fahrzeug 3 (Mazda 6) 1200 HBEFA 3.2, Euro 6 D HBEFA 3.2, Euro 5 D Fahrzeug alle Fahrten, Fz 3 alle Fahrten, Fz 3, v_ave < 35 km/h HBEFA 3.2, Euro 6 D, v_ave < 35 km/h 800 HBEFA 3.2, Euro 5 D, v_ave < 35 km/h Grenzwert NEFZ Folie Durchschnittsgeschwindigkeit in km/h NO x -Emissionen der verschiedenen Fahrten für Fz. 3 im Vergleich zu den Emissionsfaktoren aus HBEFA 3.2

31 Ergebnisse I Die NOx-Emissionen der untersuchten Euro 6-Fahrzeuge zeigen eine erhebliche Schwankungsbreite, abhängig von Fahrsituation und Nachbehandlungstechnik. Die Bandbreiten der NOx-Emissionen (jeweils Einzelfahrten) liegen innerorts zwischen 130 und 676 mg/km, außerorts zwischen 134 und 618 mg/km NOx. Mittlere NO x - Emissionen innerorts [mg/km] Mittlere NO x - Emissionen außerorts [mg/km] Mittlere NO x -Emissionen für Fahrten < 35 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit [mg/km] NO x -Grenzwert im NEFZ [mg/km] Fahrzeug 1 234,1 512,9 221,2 354,3 345,8 80 Fahrzeug 2 129,8 659,6 133,6 227,4 339,1 80 Fahrzeug 3 348,0 676,5 288,2 618,3 420,3 80 Damit liegen die NOx-Emissionen im Innerortsbereich um den Faktor 1,6 8,5, im Außerortsbereich um den Faktor 1,7 7,7 über dem Grenzwert der Euro 6- Norm von 80 mg/km. Bei Fahrten mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit kleiner 35 km/h liegt dieser Faktor zwischen 4,2 und 5,3. Folie 31

32 Ergebnisse II Geschwindigkeitsreduzierungen auf Tempo 30 oder 40 führen, wie auch bei Euro 4- und Euro 5-Dieselfahrzeugen, nicht zu einer Verminderung der NOx- Emissionen. Insbesondere bei erhöhten Lastanforderungen während Beschleunigungszuständen sowie bei Konstantfahrten mit hohen Geschwindigkeiten (>140 km/h) steigen die NOx-Emissionen deutlich an. Betrachtungen von fahrdynamischen Parametern zeigen die Problematik der Verkehrsdynamik auf und belegen das Potential einer Verkehrsverstetigung auch bei Euro 6-Fahrzeugen. Kennfeldbetrachtungen der NOx-Emissionen zeigen deutliche Unterschiede und weisen zyklusoptimierte Auslegungen insbesondere im Bereich des NEFZ auf. Folie 32

33 Fazit Angesichts der Probleme in der Luftreinhaltung mit der Überschreitung der NO 2 - Immissionsgrenzwerte an stark befahrenen innerstädtischen Straßen mit enger Randbebauung sind die in dieser Untersuchung festgestellten NOx-Emissionen der untersuchten Euro 6-Mittelklasse-Pkw noch deutlich zu hoch. Die Einführung eines verschärften Zulassungsverfahrens im Sinn des RDE- Prozesses (RDE = real driving emissions, reale Fahremissionen) wird als unbedingt notwendig angesehen, um durch deutlich niedrigere Fahrzeugemissionen in absehbarer Zeit der Einhaltung der Immissionsgrenzwerte näherzukommen. Folie 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Projektberichte unter bzw. > Luft > Verkehr > Publikationen > Weitere Berichte