ifeu - Institut für Energieund Umweltforschung Heidelberg GmbH Entwicklung der NO x - und NO -Emissionen im Innerortsverkehr in Baden- Württemberg und Deutschland bis zum Jahr 15 Kurzbericht Frank Dünnebeil Udo Lambrecht IFEU Heidelberg Im Auftrag des Umweltministeriums Baden-Württemberg Heidelberg, Juni 7
Inhaltsverzeichnis 1. Trotz starker Minderung der NO x -Emissionen nahmen die NO -Konzentrationen an Verkehrsmessstationen kaum ab, an einigen Stellen gibt es sogar eine Zunahme....3. Die NO -Emissionen moderner nehmen ab Euro 3 zu und liegen deutlich höher als bei.... 3. Die NO -Emissionen von Bussen und können beim Einsatz von Partikelminderungssystemen stark ansteigen..... Die NO -Emissionen des städtischen Kfz-Verkehrs werden mit der Einführung neuer Pkw-Grenzwertstufen Euro 5 und in den kommenden Jahren sinken...7 5. Sensitivitätsanalyse zeigt: Trend der zeitlichen Entwicklung der NO -Emissionen auch bei Variation des NO /NO x -Verhältnisses nahezu identisch...8. Busse haben im Umfeld der Verkehrsmessstation Stuttgart-Mitte eine dominierende Rolle bei den NO -Emissionen...9 7. Zusammenfassung...1 Impressum Dieser Kurzbericht basiert auf den Ergebnissen des Forschungsprojektes Zukünftige Entwicklung der NO -Emissionen des Verkehrs und deren Auswirkung auf die Luftqualität in baden-württembergischen Städten im Auftrag des Umweltministeriums Baden-Württemberg Die Verantwortung für den Inhalt dieser Studie liegt bei den Autoren. Die hier dargestellten Ansichten müssen nicht mit denjenigen der Auftraggeber übereinstimmen. Bearbeiter der Studie: Dipl.-Ing. Frank Dünnebeil, Dipl. Phys. Udo Lambrecht ifeu Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg ggmbh, Wilckensstr. 3, D-91 Heidelberg; Tel. 1-77-; Fax -77-19; Internet: www.ifeu.de
IFEU Heidelberg Seite 3 1. Trotz starker Minderung der NO x -Emissionen nahmen die NO -Konzentrationen an Verkehrsmessstationen kaum ab, an einigen Stellen gibt es sogar eine Zunahme. Mit der Verschärfung der Emissionsgrenzwerte für industrielle Anlagen und mobile Quellen (Straßenverkehr u. a.) gingen die Emissionen der Stickstoffoxide (NO x = NO + NO ) in Deutschland seit 199 auf etwa die Hälfte zurück. Auch die Emissionen des Straßenverkehrs, die 5% zu den NO x -Emissionen beitragen, gingen um die Hälfte zurück (Abb. 1, links). Trotz dieser Emissionsminderungserfolge werden die ab dem Jahr 1 geltenden Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid (NO ) an vielen verkehrsnahen Messstationen in Deutschland heute noch weit überschritten. An einigen Orten zeigt sich zudem in den letzten Jahren trotz abnehmender NO x -Konzentrationen kein Rückgang der NO -Konzentration, teilweise sogar ein Anstieg (Abb. 1, Mitte & rechts). Die Einhaltung der ab 1 gültigen NO -Grenzwerte ist gefährdet, wenn keine starke Minderung der NO -Konzentrationen erreicht wird. 3.5 3..5. 1.5 1. 5 NO x-emissionen in Deutschland 199-5 kt / Jahr Sonstige Quellen Landwirtschaft Industrieprozesse Kleine Feuerungsanlagen Industriefeuerungen Energieerzeugung Übriger Verkehr Straßenverkehr 199 1995 5 NO- und NO -Konzentrationen an Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg JMW in µg/m³ (NO NO Äqu.) NO 1 1 8 1995 1997 1999 1 3 5 13 1 11 1 9 8 7 5 3 1 NO -Jahresmittelwerte an Verkehrs- und Spotmessstationen in Baden-Württemberg µg/m³ 1995 5 1 Grenzwert 1 Toleranzmarge bis 1 Stuttgart Mitte (Verkehr) Karlsruhe (Verkehr) Mannheim Mitte (Verkehr) Freiburg (Verkehr) Stuttgart Neckartor (Spot) Stuttgart Hohenh. Str. (Spot) Stuttgart Siemensstr. (Spot) Ludwigsburg (Spot) Pleidelsheim (Spot) Schwäbisch Gmünd (Spot) Freiburg (Spot) Quellen: UBA, LUBW IFEU Heidelberg 7 Abb. 1 Entwicklung der NO x -Emissionen in Deutschland; Entwicklung der NO x - und NO -Konzentrationen an Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg Umfangreiche Untersuchungen für das Umweltministerium Baden-Württemberg zeigen, dass die unterschiedliche Entwicklung der NO x -Emissionen und der NO -Konzentrationen im Straßenraum auf eine ungewöhnliche Entwicklung der verkehrsbedingten lokalen Zusatzbelastung zurückzuführen ist. Während die NO -Immissionskonzentrationen im ländlichen Raum und auch im städtischen Hintergrund zurückgingen, hat dieser durch den lokalen Verkehr bedingte Anteil an der Immissionsbelastung an den Verkehrsstationen in Baden- Württemberg zugenommen. Diese NO -Zusatzbelastung kann auf a) chemische Reaktionen von NO aus dem Abgas mit Ozon in der Straße zu NO und auf b) primär emittiertes NO aus dem Abgas zurückgeführt werden. Die Anteile dieser beiden Ursachen an der Zusatzbelastung differieren von Jahr zu Jahr und unterscheiden sich auch stark zwischen den einzelnen Messstellen. Die Entwicklung der NO - und NO x -Emissionen des städtischen Kfz-Verkehrs ist von hoher Bedeutung bei der Ermittlung der zukünftigen Immissionsentwicklung. In diesem Kurzbericht werden Emissionsfaktoren für NO und NO x heutiger und zukünftiger Fahrzeuge vorgestellt und die NO x - und primären NO -Emissionen des städtischen Kfz-Verkehrs für verschiedene Szenarien ermittelt.
IFEU Heidelberg Seite. Die NO -Emissionen moderner nehmen ab Euro 3 zu und liegen deutlich höher als bei. Die bisherige Grenzwertgesetzgebung bei Kraftfahrzeugen gilt für einen Summenwert von Stickstoffoxiden (NO x ). Einzelwerte von NO und NO liegen deshalb nicht für alle Fahrzeuge vor. In den letzten Jahren wurde aber in mehreren Forschungsprojekten eine getrennte Messung der genannten Komponenten durchgeführt. Vom IFEU-Institut wurde eine Analyse dieser Emissionsmessdaten durchgeführt. Dabei wurden ca. Pkw-Datensätze zum Innerortsverkehr berücksichtigt. Bei liegt das NO /NO x -Verhältnis im Abgas bei einer geringen Streuung im Schnitt für alle Grenzwertstufen meist weit unter 1%. Es wird für alle Grenzwertstufen deshalb ein mittleres NO /NO x -Verhältnis von 5% angesetzt. Bei bis Euro liegt das NO /NO x -Verhältnis bei betriebswarmem Motor bei 1 %, bei kaltem Motor liegt das Verhältnis etwas höher. Für alle bis Euro wird von einem mittleren NO /NO x -Verhältnis von 15% ausgegangen. Das NO /NO x -Verhältnis steigt bei ab Euro 3 stark an. Bei Euro -Pkw mit Partikelfilter wurden im Einzelfall auch NO -Anteile von über 8% gemessen. Bei kaltem Motor liegen die NO /NO x -Verhältnisse hier niedriger als bei warmen Motor. Wir nehmen eine Zunahme des mittleren NO /NO x -Verhältnis von 3% (Euro 3) auf 55% (Euro mit beschichtetem Partikelfilter) an. Für die zukünftigen Grenzwertstufen Euro 5 und Euro sind verschiedene Minderungsstrategien möglich. Wir gehen davon aus, dass durch eine geänderte Beschichtung von Partikelfiltern der NO -Anteil bei Euro-5-Pkw im Mittel auf % absinken wird. Bei Euro -Pkw wird sich je nach Minderungsstrategie (SCR, Speicherkatalysator, innermotorisch) ein unterschiedliches NO /NO x -Verhältnis im Abgas ergeben. Unter der Annahme, dass sich ein Mix dieser Technologien ergeben wird, nehmen wir ein Verhältnis von % bei Euro an. Tab. 1: NO -Anteil am NO x im Abgas von Pkw - Innerortssituation < Euro 1 Euro 1 Euro Euro 3 Euro Euro PF Euro 5 Euro Diesel 15% 15% 15% 3% % 55% % % Otto 5% - IFEU Heidelberg 7 Bei ist die Streuung zwischen einzelnen Messwerten innerhalb der Grenzwertstufen zum Teil sehr groß infolge fahrzeugspezifischer Unterschiede, aber auch bedingt durch verschiedene Messbedingungen und -methodiken in den einzelnen Messlabors. Der mögliche Einfluss dieser Streuung auf die NO -Emissionen wird mittels einer Sensitivitätsanalyse in Kap. untersucht.
IFEU Heidelberg Seite 5 Die NO /NO x -Emissionsverhältnisse wurden in das Emissionsmodell TREMOD 1 implementiert, um die NO -Emissionen zu berechnen. Abb. zeigt die Aufteilung der mittleren NO x - Emissionsfaktoren zwischen NO und NO. haben aufgrund der niedrigen spezifischen NO x -Emissionen und gleichzeitig niedriger NO /NO x -Verhältnisse sehr niedrige NO -Emissionen. Die NO -Emissionen bei sind generell höher als bei, da sowohl die spezifischen NO x -Emissionen als auch die NO /NO x -Verhältnisse im Abgas höher sind. Ab Euro 3 steigen die spezifischen NO -Emissionen bei infolge der deutlich erhöhten NO /NO x -Verhältnisse an, trotz verringerten NO x -Emissionen. Die meisten neuzugelassenen in Deutschland sind inzwischen serienmäßig mit einem beschichteten Partikelfilter ausgestattet. Das führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der NO -Emissionen gegenüber Euro ohne Partikelfilter. Die Einführung der neuen Grenzwertstufen Euro 5 und Euro bewirkt unter den getroffenen Annahmen eine Abnahme bei NO x - und NO -Emissionen. 1,,9,8,7,,5,,3,,1, NO - & NO-Emissionsfaktoren von Pkw für mittlere Innerortsemissionen in g/km (NO Äqu.) NO NO <Euro 1 Euro 1 Euro Euro 3 Euro <Euro 1 Euro 1 Euro Euro 3 Euro Euro PF Euro 5 Euro IFEU Heidelberg 7 Abb. Angenommene mittlere NO -Emissionsanteile bei Pkw (links); Resultierende NO - und NO-Emissionsfaktoren von Pkw im Innerortsverkehr (rechts) 1 IFEU : Knörr, W. et al.: TREMOD Transport Emission Model. Fortschreibung des Datenund Rechenmodells Energieverbrauch und Schadstoffemissionen des motorisierten Verkehrs in Deutschland 19-3. Im Auftrag des Umweltbundesamtes.
IFEU Heidelberg Seite 3. Die NO -Emissionen von Bussen und können beim Einsatz von Partikelminderungssystemen stark ansteigen. Das NO /NO x -Verhältnis im Abgas von Schweren Nutzfahrzeugen ( und Busse) ohne Abgasnachbehandlung zur Minderung der Partikelemissionen liegt unter 1%. Beim Einsatz von Partikelminderungssystemen steigt das NO /NO x -Verhältnis in den meisten Fällen deutlich an. Das betrifft insbesondere CRT -Systeme, die häufig in städtischen Bussen als Basisausstattung oder zur Nachrüstung eingesetzt werden. Hier liegt in Innerorts-Testzyklen der gemessene NO -Anteil im Bereich -%. Auch bei anderen Partikelminderungssystemen (z. B. DPX, PM-Kat) kommt es zu einem Anstieg der NO -Anteile im Abgas. Bei Fahrzeugen mit CRT -Systemen zeigen sich zudem große Schwankungen der NO - Anteile in Abhängigkeit von Drehzahl und Motorlast. Insbesondere bei geringer Last liegen die NO -Anteile deutlich höher. In den Emissionsberechnungen wird für alle Schweren Nutzfahrzeuge ohne nachgeschalteter Partikelminderung ein NO /NO x -Verhältnis im Abgas von 8% angenommen. Für Busse Euro II mit CRT -System wird entsprechend der Auswertung der Emissionsmessungen im Mittel ein NO /NO x -Verhältnis von % angenommen, bei Euro III von 5%. Bei Bussen und Euro IV mit PM-Kat wird ein mittlere NO /NO x -Verhältnis von % angenommen. Mit den abgeleiteten NO /NO x -Emissionsverhältnissen und den NO x -Emissionsfaktoren für den Innerortsverkehr (TREMOD) wurden die Emissionsfaktoren für NO und NO ermittelt (Abb. 3, unten). und Busse ohne Partikelminderungssysteme haben generell niedrige NO -Emissionen, die mit dem Rückgang der NO x -Emissionen bei strengeren Grenzwertstufen weiter abnehmen. Bei Fahrzeugen mit Systemen zur Partikelminderung sind die spezifischen NO - Emissionen um Faktor 3- erhöht. Ein Bus oder Euro IV mit Partikelfilter hat damit höhere spezifische NO -Emissionen als Fahrzeuge Euro II ohne Partikelfilter. 1 1 NO - & NO-Emissionsfaktoren von für mittlere Innerortsemissionen in g/km (NO Äqu.) NO NO 1 1 NO - & NO-Emissionsfaktoren von sen für mittlere Innerortsemissionen in g/km (NO Äqu.) NO NO 1 1 8 8 I II III IV IV PF V PF I II II PF III III PF IV IV PF V PF IFEU Heidelberg 7 Abb. 3 NO - und NO-Emissionsfaktoren von und Bussen im Innerortsverkehr
IFEU Heidelberg Seite 7. Die NO -Emissionen des städtischen Kfz-Verkehrs werden mit der Einführung neuer Pkw-Grenzwertstufen Euro 5 und in den kommenden Jahren sinken. Mit TREMOD wurde die Entwicklung der NO x - und NO -Emissionen im Zeitraum 1995-15 für zwei verschiedene Szenarien berechnet: a) Berücksichtigung der Abgasgesetzgebung bis Euro /Euro V b) Einführung weiterer strengerer Grenzwertstufen (Euro 5 & für Pkw). Dafür wurde eine Straßensituation mit einem durchschnittlichen täglichen Verkehr (DTV) von. Kfz ausgewählt, davon % und,5% Busse. Der Anteil der an der Pkw-Fahrleistung und die Anteile verschiedener Grenzwertstufen wurden für den bundesdeutschen Durchschnitt mit dem Emissionsmodell TREMOD ermittelt. Demnach nahmen die NO x -Emissionen zwischen 1995-5 um % ab. Ohne die Einführung der Grenzwertstufen Euro 5 und Euro würden die Emissionen zwischen 5 und 15 um weitere % zurückgehen. Die Einführung der neuen Pkw-Grenzwertstufen Euro 5 & wird den Rückgang der NO x -Emissionen verstärken (Rückgang 5-15: 9%). Die NO -Emissionen dagegen gingen bis 1999 zurück, sind danach aber deutlich angestiegen. Auch zukünftig wäre aufgrund weiter ansteigender NO -Emissionen bei ohne die Einführung von Euro 5/-Pkw kein Rückgang der NO -Emissionen zu erwarten. Erst die Einführung von Euro 5 (im Szenario ab 8) und Euro -Pkw (im Szenario ab 13) führt zu einer deutlichen Reduktion der NO -Emissionen. Mit der Einführung neuer Pkw-Grenzwertstufen Euro 5 & nehmen die NO - Emissionen des städtischen Kfz-Verkehrs ab. Dafür muss gewährleistet sein, dass bei den spezifischen NO -Emissionen neuer (Euro 5 und ) die angenommenen Minderungen tatsächlich erreicht werden. NO x-emissionen in mittleren Innerortssituationen (ohne Einführung Pkw Euro 5 & ) NO -Emissionen in mittleren Innerortssituationen (ohne Einführung Pkw Euro 5 & ) 5 5 3 3 1 1 1995 1997 1999 1 3 5 7 9 11 13 15 NO x-emissionen in mittleren Innerortssituationen (mit Einführung Pkw Euro 5 & ) 1995 1997 1999 1 3 5 7 9 11 13 15 NO -Emissionen in mittleren Innerortssituationen (mit Einführung Pkw Euro 5 & ) 5 3 ohne Euro 5/ 5 3 1 1995 1997 1999 1 3 5 7 9 11 13 15 1 ohne Euro 5/ 1995 1997 1999 1 3 5 7 9 11 13 15 IFEU Heidelberg 7 Abb. NO x - und NO -Emissionen in einer mittleren Innerortssituation
IFEU Heidelberg Seite 8 5. Sensitivitätsanalyse zeigt: Trend der zeitlichen Entwicklung der NO -Emissionen auch bei Variation des NO /NO x -Verhältnisses nahezu identisch Die Höhe der NO -Emissionen variiert zwischen Fahrzeugtypen innerhalb einer Grenzwertstufe. Zudem haben der Betriebszustand des Motors, das Fahrverhalten und die Umgebungsbedingungen (z.b. Temperatur) Einfluss auf die Höhe der NO -Emissionen. Um die Wirkung dieser Einflüsse auf die Emissionen abzuschätzen, wurde für die mittlere Innerortssituation eine Sensitivitätsanalyse mit abgeschätzten Bandbreiten zu den spezifischen NO - Emissionen der Pkw durchgeführt. Bei niedrigeren NO /NO x -Verhältnissen liegen die NO -Emissionen der entsprechend niedriger, bei höheren NO /NO x -Verhältnissen höher als im Referenzfall. Der Anteil von liegt im ersten Fall im Jahr 5 3% und steigt auf über 5% im Jahr 15. Im zweiten Fall liegt der Anteil der an den NO -Emissionen 5 bei % und steigt bis 15 auf über %. Dagegen bleibt die Entwicklung der für die lokale Zusatzbelastung mitbestimmenden primären NO -Emissionen zwischen heute (5) und 15 für die gesamte Bandbreite der untersuchten spezifischen NO-Emissionen nahezu identisch. Im Jahr 1 liegen die NO - Emisionen bis zu 1% höher als 5. Bis 15 erfolgt dann ein Rückgang auf etwa 8% des Emissionsniveaus von 5. Unterschiedliche Annahmen zur Höhe der spezifischen NO -Emissionen von Diesel- Pkw haben keine grundsätzlichen Veränderungen des zeitlichen Trends der NO - Emissionsentwicklung zur Folge. Auch unter Annahme von niedrigen spezifischen NO -Emissionen sind die Hauptverursacher der primären NO -Emissionen in einer mittleren Innerortssituation. 7 5 3 NO -Emissionen in mittleren Innerortssituationen unter verschiedenen Annahmen zu NO /NO x -Verhältnissen bei Pkw 1% 1% 1% Entwicklung der NO -Emissionen gegenüber dem Jahr 5 8% % 5 = 1% 1 % 5 1 Durchschnittl. Annahmen 15 5 1 15 Niedrige NO/NOx- Verhältnisse bei Pkw 5 1 15 Hohe NO/NOx- Verhältnisse bei Pkw % % Durchschnittl. Annahmen Niedrige NO/NOx-Verhältnisse bei Pkw Hohe NO/NOx-Verhältnisse bei Pkw 5 1 15 IFEU Heidelberg 7 Abb. 5 Vergleich der NO -Emissionen in einer mittleren Innerortssituation bei unterschiedlichen NO /NO x -Verhältnissen in den Abgasemissionen von Pkw
IFEU Heidelberg Seite 9. Busse haben im Umfeld der Verkehrsmessstation Stuttgart-Mitte eine dominierende Rolle bei den NO -Emissionen Die Straßenmessstation Stuttgart-Mitte zeigt die höchsten NO -Konzentrationen der Dauermessstationen in Baden-Württemberg. Eine Besonderheit dieser Messstation ist ihre Lage direkt im Anfahrtsbereich einer hoch frequentierten Bushaltestelle. Bei der ortsspezifischen Emissionsberechnung wurden folgende Parameter berücksichtigt: Verkehrsmengen und -zusammensetzung auf Basis von Verkehrszähldaten, Diesel-Anteil der Pkw-Flotte von Baden-Württemberg, Anzahl von Bussen pro Tag, Technische Ausstattung der Stuttgarter Busflotte (Euro-Stufen, CRT -System). Die NO x -Emissionen des lokalen Kfz-Verkehrs gehen auch an der ausgewählten Straße mit hohem Busanteil zwischen 5 und 15 stark zurück. Der Anteil des Busverkehrs an den NO x -Emissionen liegt heute bei ca. 5% und steigt auf etwa 35% an. Der Anteil liegt somit in der gleichen Größenordnung wie der -Verkehr. Auch bei den NO -Emissionen liegt der Anteil der Busse in der Größenordnung der Diesel- Pkw. Die NO -Emissionen liegen im Jahr 1 deutlich höher als 5. Wegen der Emissionsminderung bei den erreichen die NO -Emissionen im Jahr 15 wieder annähernd das Emissionsniveau von 5. In Straßen mit viel Busverkehr können diese einen hohen Beitrag zu den NO - Emissionen leisten und damit für einen bedeutenden zusätzlichen Anstieg der lokalen NO -Emissionen verantwortlich sein. 5 NO x -Emissionen an der Verkehrsmessstation Stuttgart-Mitte 1 1 NO -Emissionen an der Verkehrsmessstation Stuttgart-Mitte 1 3 8 1 5 1 15 5 1 15 IFEU Heidelberg 7 Abb. NO x - und NO -Emissionen an der Verkehrsstation Stuttgart-Mitte
IFEU Heidelberg Seite 1 7. Zusammenfassung Die ab dem Jahr 1 geltenden Luftqualitätsgrenzwerte für Stickstoffdioxid (NO ) werden an vielen verkehrsnahen Messstationen in Deutschland bisher nicht erreicht. Ohne wirksame Maßnahmen ist eine Grenzwerteinhaltung im Jahr 1 und darüber hinaus gefährdet. Primäre NO -Emissionen aus den Abgasen des lokalen Straßenverkehrs werden als eine der Hauptursachen für hohe NO -Konzentrationen und der geringen Abnahmen der Konzentrationen angesehen. Deswegen ist eine Analyse der Entwicklung der NO -Emissionen von hoher Bedeutung. Eine umfangreiche Auswertung von NO -Emissionsmessungen zeigt, dass moderne Diesel- Pkw deutlich höhere NO /NO x -Verhältnisse im Abgas als haben. Die Ausstattung mit beschichteten Partikelfiltern führt zu einem zusätzlichen Anstieg der spezifischen NO - Emissionen. Schwere Nutzfahrzeuge ( und Busse) ohne Abgasnachbehandlungssysteme haben meist geringe NO -Emissionen. Der Einsatz von Partikelminderungssystemen (insb. CRT - Systeme) führt jedoch auch bei Schweren Nutzfahrzeugen zu einem deutlichen Anstieg der NO -Emissionen. Dadurch nahmen in den letzten Jahren trotz der Verschärfung der NO x -Grenzwerte bei Kfz insbesondere beim Einsatz von Partikelminderungssystemen in vielen Fällen die primären NO -Emissionen im Kfz-Abgas zu. Für den innerörtlichen Verkehr hatte dies zur Konsequenz, dass trotz stark zurückgehender NO x -Emissionen die NO -Emissionen seit Ende der 9er Jahre angestiegen sind. Dieser Trend wurde durch den steigenden Fahrleistungsanteil von verstärkt. In Straßen mit viel Busverkehr können zudem Busse mit Partikelminderungssystemen zu einem weiteren Anstieg der NO -Emissionen beitragen. Mit der Einführung der neuen europäischer Grenzwertstufen Euro 5 und für Pkw wird eine Umkehr des Emissionstrends und eine deutliche Reduktion der zukünftigen NO - Emissionen erfolgen. Voraussetzung dafür ist, dass die in neuen Pkw eingesetzte Abgasminderungstechnik neben verringerten NO x -Emissionen auch eine Reduktion der NO - Anteile im Abgas bewirkt. Je früher Pkw nach den neuen Grenzwerten Euro 5 & in den Markt kommen, desto eher kann ein Umkehren des NO -Emissionstrends erreicht werden. Und umso stärker ist auch die erreichbare Minderung der NO -Emissionen in zukünftigen Jahren.