Anstieg des NO 2 /NOx-Verhältnisses an Luftmessstationen in Baden-Württemberg zwischen 1995 und 2005 *

Anstieg des NO 2 /NOx-Verhältnisses an Luftmessstationen in Baden-Württemberg zwischen 1995 und 2005 * Dr.-Ing. Christoph Kessler 1, Dr. Werner Scholz 2, Dr. Dieter Ahrens 2, Dipl.-Ing. Arnold Niederau 1 1 AVISO Aachener Verkehrs-Ingenieur-Sozietät GmbH, Aachen 2 LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Karlsruhe Zusammenfassung Trotz eines deutlichen Rückgangs der Gesamtstickstoffoxid (NOx)-Emissionen sowohl des Straßenverkehrs als auch insgesamt werden bei den Stickstoffdioxid (NO 2 )-Konzentrationen an straßennahen Luftmessstationen weitaus geringere Abnahmen gemessen. Hauptursache dafür ist nach heutigem Wissensstand ein erheblicher Anstieg des direkt als NO 2 emittierten Anteils der NOx-Emission von Dieselfahrzeugen. Die im Mittel gestiegenen städtischen O- zonkonzentrationen haben dagegen einen geringeren Einfluss. In diesem Beitrag werden Immissionsdaten aus verkehrsnah und im städtischen Hintergrund gelegenen Luftmessstationen nach einem speziellen mathematischen Verfahren miteinander kombiniert und damit das NO 2 /NOx-Verhältnis der Verkehrsemissionen berechnet. Es zeigt sich, dass der lange Jahre als Konvention verwendete Wert von 5% NO 2 /NOx im Kfz-Abgas die Situation an den Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg nur bis 1999 richtig wiedergibt; seit 2000 ist ein starker Anstieg des NO 2 /NOx-Verhältnisses zu verzeichnen auf etwa 19-28% NO 2 -Anteil an der NOx-Emission des Straßenverkehrs im Jahr 2005. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen dieser Auswertungsmethode steht der Befund aus Immissionsmessungen beidseits der Bundesstraße B 10 im Raum Karlsruhe. Dort ergab die Differenzmessung bei geeigneten Luv-Lee-Bedingungen einen NO 2 -Anteil in der Flottenemission von tagsüber (mit Lkw) 20% und nachts (ohne Lkw) etwa 30% für die gesamte Fahrzeugflotte. Da der Trend hin zum Dieselantrieb - verstärkt durch die Anstrengungen zur CO 2 -Einsparung - unvermindert anhält, und da die Abgasgesetzgebung die NOx-, nicht aber die NO 2 - Emissionen reguliert, ist die Überschreitung der ab 2010 geltenden NO 2 -Grenzwerte an Stationen mit hoher Verkehrsbelastung sehr wahrscheinlich. Die notwendige Reduzierung der innerstädtischen NO 2 -Immissionsbelastung ist nur über eine weitere deutliche Absenkung der NOx-Emissionen der Kraftfahrzeuge oder eine separate Begrenzung ihrer NO 2 - Emissionen zu erreichen. * veröffentlicht in: Immissionsschutz 2 (2007) 68-72

2 1 Einleitung In den letzten Jahren wurde an den Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg und Bayern trotz stetigem Rückgang der NO-Immissionen eine Stagnation, teilweise sogar eine Zunahme der NO 2 -Immissionen beobachtet [1]. Der ab 2010 geltende NO 2 -Jahresgrenzwert von 40 µg/m 3 [2] wird bislang noch an vielen verkehrsnahen Stationen überschritten. Für die Diskrepanz zwischen dem langjährigen deutlichen Rückgang der NOx-Emissionen und der weitaus geringeren Änderung der NO 2 -Immissionskonzentrationen kommen nach heutigem Kenntnisstand zwei Erklärungsansätze in Frage. Zum einen ist in den Städten ein Anstieg der mittleren Ozonkonzentrationen zu verzeichnen, so dass ein höheres Oxidationspotential für die Umwandlung von NO zu NO 2 zur Verfügung steht. Zum anderen haben sich bei den Diesel-Pkw in den letzten Jahren erhebliche Veränderungen ergeben: Spätestens seit Gültigkeit der Grenzwertstufe Euro 3 im Jahr 2000 werden in diesen Fahrzeugen zur Einhaltung der CO- und HC-Grenzwerte Oxidationskatalysatoren eingesetzt, die in einer Nebenreaktion auch Teile des im Abgas enthaltenen NO zu NO 2 oxidieren und dadurch eine erhebliche NO 2 -Direktemission verursachen. Zusammen mit dem stark gestiegenen Anteil der Diesel-Pkw an Bestand und Fahrleistung wirkt sich dies offensichtlich deutlich auf die Immissionssituation an verkehrsnahen Stationen aus. Anhaltspunkte für den ersten Erklärungsansatz sind langjährige Luftqualitätsmessungen, die ein chemisches Gleichgewicht zwischen NO, NO 2 und Ozon im Jahresmittel belegen [1]. Da der Anstieg der mittleren Ozonkonzentrationen in den Städten auf einen starken Rückgang der NO-Konzentrationen zurückgeht, ist die resultierende Auswirkung auf NO 2 nicht eindeutig abzuschätzen. Der zweite Erklärungsansatz wird durch inzwischen vorliegende Emissionsmessungen an einzelnen Fahrzeugen auf Rollenprüfständen gestützt, bei denen die Einzelkomponenten NO und NO 2 erfasst wurden [3, 4]. Da die EU-Abgasgesetzgebung NOx reguliert, aber (jedenfalls bislang) nicht die Einzelkomponenten, sind Daten zu den NO- bzw. NO 2 -Emissionen der realen Fahrzeugflotte nicht verfügbar, schon gar nicht für zurückliegende Jahre. Eine von Carslaw und Beevers 2005 [5] vorgeschlagene Vorgehensweise eröffnet die Möglichkeit, aus der Kombination von NO- und NO 2 -Immissionsmessungen in Straßennähe und im städtischen Hintergrund zurückzuschließen auf das NO 2 /NOx-Emissionsverhältnis des lokalen Straßenverkehrs. Dieses Verfahren wurde in der vorliegenden Untersuchung angewendet auf die Daten der vier Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg für den Zeitraum 1995-2005, um die beobachteten Immissionstrends auf ihre Ursache hin zu analysieren. 2 Methodenbeschreibung An verkehrsnahen Messstationen sind die lokalen Emissionen des Straßenverkehrs insbesondere bei Stickstoffoxiden bestimmend für die Immissionskonzentrationen. Allerdings ist

3 wenig über die aktuelle Zusammensetzung der Fahrzeugabgase bezüglich der NO- bzw. NO 2 -Anteile bekannt. Bislang wird meist, auch in entsprechenden Prognosemodellen, davon ausgegangen, dass emittierte Stickstoffoxide aus Verbrennungsmotoren einen Anteil von 5% NO 2 und 95% NO aufweisen. Zur Bewertung der Immissionssituation in Innenstädten, gerade auch in Hinblick auf zukünftig zu treffende Maßnahmen, ist die Kenntnis wesentlich, ob es sich bei den gemessenen NO 2 -Konzentrationen überwiegend um direkt emittiertes NO 2 handelt oder um sekundär gebildetes NO 2 aus der Umsetzung von NO mit Ozon. Die von Carslaw und Beevers (2005) entwickelte Methode ist geeignet, den Anteil des direkt emittierten NO 2 an der fahrzeuginduzierten Emission einer Straße zu bestimmen über die Analyse von Immissionsdaten aus Verkehrsmessstationen in Kombination mit städtischen Hintergrundstationen, speziell auch für den Fall, dass an der Verkehrsmessstation keine Ozonmessungen vorliegen. Die Methode berücksichtigt die chemischen Reaktionen zwischen NO, NO 2 und Ozon und beschreibt das gesamte System Emission Ausbreitung Umwandlung Immission mit wenigen Parametern. Die folgenden Eingangsgrößen werden für die Berechnung gebraucht: - Messwerte für NO 2 und NO an einer straßennahen Luftmessstation - Messwerte für NO 2, NO, Ozon, Temperatur und Globalstrahlung an einer städtischen Hintergrundstation Das zu lösende Gleichungssystem wird dabei hauptsächlich durch die folgenden Annahmen vereinfacht: - Die betrachteten Emissionen stammen ausschließlich vom Straßenverkehr - das Gleichgewicht im System NO-NO 2 -O 3 stellt sich schnell ein - Reaktionen mit flüchtigen Kohlenwasserstoffen sind im straßennahen Bereich vernachlässigbar; dieser Einfluss ist im Beitrag des städtischen Hintergrunds erfasst. - Mischungsprozesse und Senken werden über eine Mischungszeit beschrieben - der Windrichtungseinfluss wird nicht betrachtet. Bei der Methode wird die chemische Umwandlung mit den zwei wichtigsten Reaktionen berücksichtigt: NO + O 3 NO 2 + O 2 (Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k) NO 2 + hν NO + O 3 (Photolyserate J) Unter den oben gegebenen Voraussetzungen lässt sich das Gleichungssystem analytisch lösen [6]. Unbekannte Größen sind die Parameter τ und p. Der Parameter τ beschreibt die Umwandlungszeit, also die Zeit, in der sich Emissionen mit der Umgebung vermischen und chemisch reagieren. Der zweite Parameter p ist der prozentuale Anteil von primärem NO 2 am NOx der Fahrzeugemission. Die beiden Parameter werden solange variiert, bis die gemessene NO 2 -Immissionskonzentration an der straßennahen Station durch das Ergebnis gut angenähert wird. Die Berechnung wird für jede Stunde eines Jahres durchgeführt und eine mittlere Abweichung wird gebildet. Der Satz beider Parameter mit der geringsten mittleren

4 Abweichung ergibt das gesuchte NO 2 /NOx-Verhältnis der Fahrzeugemissionen des Straßenverkehrs an der straßennahen Luftmessstation. Eine detaillierte Beschreibung der Methodik und der Berechnungsergebnisse ist in [7] dargestellt. Der alternative Weg, das NO 2 /NOx-Verhältnis der Fahrzeugemissionen über Emissionsabschätzungen zu bestimmen, ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich, da bislang die Messung des NO 2 /NOx-Verhältnisses nicht Gegenstand standardisierter Motorenprüfverfahren ist und zudem die Flottenzusammensetzung innerhalb einer Stadt sowie das Fahrverhalten meist unbekannte Einflussgrößen sind. Insofern stellt die Methode von Carslaw und Beevers derzeit eine geeignete Möglichkeit dar, das NO 2 /NOx-Verhältnis der Fahrzeugemissionen der Gesamtflotte abzuschätzen. 3 Eingangsdaten Für die Untersuchungen nach der Methode von Carslaw und Beevers wurden stündliche Messwerte von Stationspaaren der Städte Freiburg, Karlsruhe, Mannheim und Stuttgart für die Jahre 1995 bis 2005 ausgewertet (Tabelle 3.1). Für jede Stadt wurden die Daten der jeweiligen Verkehrsmessstation kombiniert mit den Messdaten von ein bis zwei Luftmessstationen, die als städtische Hintergrundstationen einzustufen sind. In Tabelle 3.2 sind die Jahresmittelwerte dieser Stationen im Untersuchungszeitraum dargestellt. Alle Verkehrsstationen weisen einen NO 2 -Mittelwert über dem künftigen Grenzwert von 40 µg/m 3 auf. Das NO 2 /NOx-Verhältnis der gemessenen Konzentrationen zeigt straßennah geringe Werte; das Verhältnis an den Hintergrundstationen ist höher aufgrund der während des Transports stattfindenden Umwandlung von NO zu NO 2. Tabelle 3.1 Übersicht über die ausgewerteten Messstationen. Die Entfernung (Luftlinie) zwischen Hintergrundstation und der jeweiligen Straßenstation wurde aus den Rechts- und Hochwerten berechnet. Stationsname Messhöhe [m] Entf. Luftl. [km] Freiburg Mitte FMI 2.50 1.61 Freiburg Straßenstation FNV 2.50 Karlsruhe Nordwest KAN 3.50 3.26 Karlsruhe Straßenstation KAS 2.50 Mannheim Nord MAN 3.50 5.73 Mannheim Süd MAS 3.50 7.79 Mannheim Straßenstation MAV 2.50 Stuttgart Bad Cannstatt STB 3.50 4.63 Stuttgart Straßenstation STS 2.50 Stuttgart Zuffenhausen STZ 3.50 4.67

5 Tabelle 3.2 Mittelwerte für den Zeitraum 1.1.1995 bis 3.11.2005 mit Taupunktstemperatur DT, Globalstrahlung Stra, Lufttemperatur T und Windgeschwindigkeit WIG. Maximalwerte sind hervorgehoben. NO 2 /NOx wurde aus den hier gegebenen Mittelwerten berechnet. NO2/NOx CO NO NO2 O3 SO2 Stra T DT WIG [%] [mg/m³] [µg/m³] [µg/m³] [µg/m³] [µg/m³] [W/m²] [ C] [ C] [m/s] FMI 56 0.30 11.8 22.8 50.9 4.6 114 11.6 4.9 1.9 FNV 37 1.11 58.7 52.3 KAN 54 0.34 18.1 32.1 43.2 8.9 84 11.6 5.1 1.5 KAS 33 1.48 81.7 62.7 MAN 53 0.32 21.6 36.6 39.0 12.3 102 10.8 4.5 2.8 MAS 48 0.37 26.3 37.6 37.3 10.4 93 10.3 4.4 1.2 MAV 37 1.14 66.6 59.0 STB 51 0.39 23.6 37.8 38.0 6.4 82 10.8 4.7 1.3 STS 32 1.24 101.2 74.6 STZ 40 0.63 44.4 45.0 34.5 6.1 1.5 4 NO 2 /NOx-Verhältnis, Berechnungsergebnisse Das berechnete NO 2 /NOx-Verhältnis für alle Stationspaare zeigt Tabelle 4.1 nach Stationen und Jahren getrennt. Das über alle Stationen und jeweils ein Jahr gemittelte Verhältnis steigt für Werktage von 4.4% in 1995 auf 19.7% in 2005 an; für Wochenenden ist ein Anstieg von 3.1% (1995) auf 25.3% (2005) zu verzeichnen. Tabelle 4.1 NO 2 /NOx-Verhältnis der Verkehrsemissionen in % im Zeitraum 1995 bis 2005 für Stationspaare, angegeben jeweils Verkehrsstation (erste Station, z.b. FNV) und Hintergrundstation (zweite Station, z.b. FMI). Berechnungsergebnisse für den Zeitraum Montag bis Freitag (obere Tabelle) und Samstag-Sonntag (untere Tabelle) Mo - Frei 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 FNV FMI 6.1 13.0 11.2 12.7 11.8 12.7 10.9 12.7 17.2 15.7 19.0 KAS KAN 3.1 5.8 1.0 5.2 5.2 8.8 14.8 17.5 15.1 19.0 19.3 MAV MAN 1.3 6.4 9.1 4.3 5.8 7.9 10.0 13.6 15.4 10.0 13.0 STS STB 5.2 5.2 5.2 3.1 4.3 10.6 16.3 19.3 22.9 22.0 24.1 MAV MAS 3.4 4.0 6.1 3.7 6.1 8.8 13.0 14.2 16.6 16.3 16.0 STS STZ 7.3 4.0 5.5 1.9 4.6 10.3 15.4 20.8 22.9 22.0 26.5 Mittel 4.4 6.4 6.4 5.2 6.3 9.9 13.4 16.4 18.4 17.5 19.7 Sa - So 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 FNV FMI 4.0 11.8 18.1 17.2 15.1 16.3 10.3 12.7 20.8 16.6 21.1 KAS KAN 1.0 5.5 7.6 8.5 8.5 9.1 15.1 18.7 19.0 23.5 27.4 MAV MAN 1.0 7.6 10.9 3.7 3.7 9.7 10.6 14.8 25.9 21.7 23.2 STS STB 4.3 4.6 4.3 3.4 3.4 10.0 16.6 19.0 24.7 21.4 28.0 MAV MAS 2.2 4.3 4.9 2.8 6.1 11.8 13.3 16.6 24.4 25.6 25.9 STS STZ 6.1 3.7 4.9 2.8 4.0 10.0 16.3 21.7 23.5 21.7 26.2 Mittel 3.1 6.3 8.5 6.4 6.8 11.2 13.7 17.3 23.1 21.8 25.3. In Abb. 4.1 sind die berechneten NO 2 /NOx-Verhältnisse von 1995 bis 2005 für das Zeitintervall Montag bis Freitag dargestellt. Klar erkennbar ist die Zweiteilung des Verlaufs: Bis 1999

6 liegen die Werte auf niedrigem Niveau, während ab dem Jahr 2000 ein deutlicher und kontinuierlicher Anstieg der Werte zu verzeichnen ist, der 2005 offenbar noch nicht abgeschlossen ist. 30 25 20 FNV FMI KAS KAN MAV MAN STS STB MAV MAS STS STZ NO2/NOx [%] 15 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Abb. 4.1 Montag-Freitag. Berechnetes NO 2 /NOx-Verhältnis in % für die Jahre 1995 bis 2005, Zeitintervall Für die Stationspaare Stuttgart werden ab dem Jahr 2001 bis 2005 die höchsten NO 2 /NOx- Verhältnisse berechnet. Die Station Stuttgart-Straße ist durch ein starkes innerstädtisches Verkehrsaufkommen sowie einen hohen Linienbusanteil gekennzeichnet, wobei die Busflotte dort in den vergangenen Jahren mit CRT-Partikelfiltern ausgestattet wurde. Die Station Karlsruhe-Straße erfasst überwiegend Pkw-Verkehr mit nur geringem Lkw-Anteil, eine Buslinie verläuft dort nicht. An der Verkehrsstation Mannheim sind nach 2003 teilweise Rückgänge der NO 2 /NOx-Werte zu beobachten, die offenbar auf Baumaßnahmen in der Nähe der Station von Juni 2004 bis Oktober 2005 mit einer entsprechenden Beeinträchtigung des Verkehrsflusses zurückzuführen sind. Die Werte in Freiburg zeigen einen von den übrigen Stationen stark abweichenden Verlauf: Von 1996 bis 2000 werden dort die höchsten NO 2 /NOx-Verhältnisse berechnet, für die meisten der betrachteten Jahre wurden in Freiburg auch die höchsten Ozonkonzentrationen gemessen. Durch ausgeprägte Bergwindsysteme kommt es in Freiburg zu einer nächtlichen Ozonzufuhr vom benachbarten Schwarzwald, so dass die Methode aus topographischen Gründen hier offenbar nur eingeschränkt anwendbar ist.

7 Die Darstellung der NO 2 /NOx-Verhältnisse von 1995 bis 2005 für das Wochenende (Abb. 4.2) zeigt die gleiche Entwicklung wie an Werktagen, aber in noch deutlicherer Ausprägung: Bereits 2003 wurden hier NO 2 /NOx-Verhältnisse von über 25% erreicht. Auch beim Vergleich der Werte in Tabelle 4.1 ergeben sich am Wochenende tendenziell durchweg höhere Werte als an Werktagen. Die Ursache dafür ist offenbar in der am Wochenende veränderten Flottenzusammensetzung zu suchen: Der Lkw-Anteil geht auf ein sehr geringes Maß zurück, wodurch die Diesel-Pkws mit gestiegener NO 2 -Direktemission noch stärker ins Gewicht fallen. 30 25 20 FNV FMI KAS KAN MAV MAN STS STB MAV MAS STS STZ NO2/NOx [%] 15 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Abb. 4.2 Berechnetes NO 2 /NOx-Verhältnis in % für die Jahre 1995 bis 2005, Zeitintervall Samstag-Sonntag Abb. 4.3 fasst die oben dargestellten Ergebnisse für die beiden am wenigsten von anderweitigen lokalen Einflüssen gestörten Stationen Stuttgart und Karlsruhe zusammen. Deutlich erkennbar ergibt sich für die Kfz-Emissionen bis 1999 ein recht konstanter NO 2 -Anteil von etwa 5%, der seit 2000 einen rasanten Anstieg zeigt und 2005 einen NO 2 -Anteil von etwa 23-27% an der NOx-Emission erreicht hat.

8 30 25 Mittel Mo - Fr Mittel Sa - So NO2/NOx in % 20 15 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Abb. 4.3 Berechnetes NO 2 /NOx-Verhältnis in % an den Straßenstationen Stuttgart und Karlsruhe, Zeitraum 1995 bis 2005, werktags und am Wochenende 5 Ergebnisse aus Immissionsmessungen an einer Bundesstraße zum NO 2 /NOx-Verhältnis der Fahrzeugemission Einen experimentellen Nachweis für das geänderte NO 2 /NOx-Verhältnis in der Fahrzeugemission liefern die Ergebnisse einer Messkampagne, die an der stark befahrenen Bundesstraße B 10 in Karlsruhe (2003: DTV 69.000, Lkw-Anteil 9,9 %) mit zwei direkt gegenüber am Fahrbahnrand positionierten Luftmessstationen durchgeführt wurde. In Abb. 5.1 sind die Messergebnisse einer winterlichen Luv-Lee-Situation wiedergegeben, bei der zum einen eine lang anhaltende Anströmung senkrecht zur Straße vorlag mit Windgeschwindigkeiten von 1-3 m/s, zum anderen sehr niedrige Ozonkonzentrationen von im Mittel 1 µg/m³ an beiden Stationen gemessen wurden. Damit entfällt die Möglichkeit einer photochemischen Umsetzung des von den Fahrzeugen emittierten NO. Die Konzentrationsdifferenz zwischen beiden Stationen erfasst somit in dieser Situation den direkten Immissionsbeitrag der Fahrzeugflotte. Aus den NO- und NO 2 -Differenzen ergibt sich ein NO 2 /NOx-Verhältnis von etwa 20-30%. Dies bedeutet, dass tagsüber (mit einem erheblichem Lkw-Anteil) etwa 20% des emittierten NOx direkt als NO 2 vorliegen, während nachts (bei höherem Pkw-Anteil) dieser Wert auf etwa 30% direkt emittiertes NO 2 ansteigt (Abb. 5.1). Diese Messung bestätigt die obigen Ergebnisse eindrucksvoll und ist ein direkter Beleg dafür, dass die Veränderungen in der Abgaszusammensetzung der Diesel-Pkw den Hauptgrund für die beobachtete NO 2 -Immissionsentwicklung darstellen. Der photochemische Erklärungsansatz ist demgegenüber offensichtlich von nachrangiger Bedeutung.

9 80 60 Windrichtung stabil Nord 40 20 0 03.12.2003 00:00 03.12.2003 03:00 03.12.2003 06:00 03.12.2003 09:00 03.12.2003 12:00 03.12.2003 15:00 03.12.2003 18:00 03.12.2003 21:00 04.12.2003 00:00 04.12.2003 03:00 04.12.2003 06:00 04.12.2003 09:00 04.12.2003 12:00 04.12.2003 15:00 04.12.2003 18:00 04.12.2003 21:00 NO2/NOx in % Vorwiegend Pkw Abb. 5.1 Gemessenes NO 2 /NOx-Verhältnis der Fahrzeugemissionen in % an der Bundesstraße B 10 in Karlsruhe. Konzentrationsdifferenz zwischen gegenüberliegenden Messstationen in einer winterlichen Luv-Lee-Situation (3.12.2003 00:00 4.12.2003 24:00), mit konstanter Anströmung quer zur Straße und sehr niedrigen Ozonkonzentrationen. Details s. Text. 6 Diskussion Lange Jahre wurde von einem NO 2 -Anteil von 5% an der NOx-Emission der Kraftfahrzeuge ausgegangen. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass dies an den Verkehrsmessstationen in Baden-Württemberg nur bis etwa 1999 zutrifft. Seit 2000 ist ein rasanter Anstieg des NO 2 /NOx-Verhältnisses zu verzeichnen auf Werte zwischen 19 und 28% NO 2 -Anteil an der NOx-Emission der Fahrzeugflotte im Jahr 2005. Als Hauptursache dieser Veränderung der Abgaszusammensetzung ist die in den letzten Jahren zunehmende Durchdringung des Pkw-Bestands mit Dieselfahrzeugen und deren Ausrüstung mit Oxidationskatalysatoren anzusehen. Moderne Diesel-Pkw sind spätestens seit dem Inkrafttreten der Abgasstufe Euro 3 im Jahr 2000 mit Oxidationskatalysatoren ausgestattet, um die HC- und CO-Grenzwerte einzuhalten. In einer Nebenreaktion oxidieren diese Katalysatoren NO zu NO 2, mit der Folge, dass ein erheblicher Anteil der NOx-Emission des Fahrzeugs direkt als NO 2 emittiert wird. Diese Oxidation von NO zu NO 2 dürfte grundsätzlich bei jeder Edelmetall-katalysierten Abgasnachbehandlungstechnik auftreten, also auch bei katalytisch beschichteten Partikelfiltern. Dass die häufig bei Bussen eingesetzten CRT-Partikelfilter hohe NO 2 -Direktemissionen erzeugen, ist mittlerweile bekannt. Insgesamt

10 ist die Datenbasis zur NO 2 - (nicht NOx-) Emission moderner Fahrzeuge und Abgasnachbehandlungstechniken bislang aber noch sehr dürftig. Mit der in der vorliegenden Arbeit verwendeten Methode von Carslaw und Beevers ist es erfolgreich gelungen, auf relativ einfache Weise das NO 2 /NOx-Verhältnis der Verkehrsemissionen in einer Stadt abzuschätzen. Notwendig dafür sind Luftmessdaten für NO 2 und NO an einer Verkehrsstation sowie NO 2, NO, Ozon, Strahlung und Temperatur an einer Hintergrundstation. Erwartungsgemäß ist in den Ergebnissen auch die Wirkung anderer Einflussfaktoren erkennbar, wie etwa besondere meteorologische Bedingungen (Freiburg) oder Störungen im Verkehrsgeschehen (Mannheim). So ist die Abnahme des mittleren Verhältnisses von NO 2 /NOx von 2003 auf 2004 durch den extremen Sommer 2003 mit hoher Sonneneinstrahlung und hohen Ozonkonzentration zu erklären. Insofern ist kein ideal stetiger Verlauf der Ergebnisse über die ausgewerteten Jahre zu erwarten. Unter diesen Randbedingungen ist der zeitgleich an allen Stationen seit 2000 festgestellte Anstieg des NO 2 -Anteils eindrucksvoll und eindeutig. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen dieser Auswertungsmethode steht der Befund aus Immissionsmessungen beidseits der Bundesstraße B 10 im Raum Karlsruhe. Dort ergab die Differenzmessung bei Queranströmung in einer praktisch Ozon-freien Wintersituation einen NO 2 -Anteil in der Flottenemission von tagsüber (mit Lkw) 20% und nachts (ohne Lkw) etwa 30% für die gesamte Fahrzeugflotte. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Gesamtemission von einzelnen Fahrzeugen mit noch höheren NO 2 -Anteilen in der Emission verursacht wird. Zusammenfassend bedeuteten diese Befunde, dass zwar die NOx-Emissionen in den vergangenen Jahren deutlich zurückgegangen sind, dass aber durch die erhebliche Zunahme der NO 2 -Direktemissionen vor allem der Diesel-Pkw sowie die im Mittel gestiegenen städtischen Ozonkonzentrationen bei den im Straßenraum gemessenen NO 2 -Immissionskonzentrationen nur eine geringe Abnahme, teilweise auch eine Zunahme festzustellen ist. Bei der in Abb. 6.1 dargestellten Entwicklung der NO- und NO 2 -Jahresmittelwerte an den vier Verkehrsmessstationen ergibt sich für NO erwartungsgemäß ein Rückgang der Werte, während NO 2 in Karlsruhe, Mannheim und Freiburg einen stagnierenden bis leicht abfallenden Verlauf, in Stuttgart dagegen einen beständigen Anstieg zeigt.

11 a) 140 120 NO in µg/m³ 100 80 60 Stgt-Straße KA-Straße MA-Straße 40 FR-Straße 20 0 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 b) 100 80 Stgt-Straße NO2 in µg/m³ 60 40 KA-Straße MA-Straße FR-Straße 20 0 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Abb. 6.1 Entwicklung der a) NO- bzw. b) NO 2 -Jahresmittelwerte an den Verkehrsstationen Stuttgart, Karlsruhe, Mannheim und Freiburg von 1994 bis 2006 Da der Trend hin zum Dieselantrieb - verstärkt durch die Anstrengungen zur CO 2 -Einsparung - unvermindert anhält, und da von der Abgasgesetzgebung die NOx-, nicht aber die NO 2 - Emissionen reguliert werden, ist die Überschreitung der ab 2010 geltenden NO 2 -Grenzwerte an Stationen mit hoher Verkehrsbelastung sehr wahrscheinlich. Die notwendige Reduzierung der innerstädtischen NO 2 -Immissionsbelastung ist nur über eine weitere deutliche Absenkung der NOx-Emissionen der Kraftfahrzeuge oder eine separate Begrenzung ihrer NO 2 - Emissionen zu erreichen.

12 Literatur [1] Rabl P., Scholz W., Wechselbeziehungen zwischen Stickstoffoxid- und Ozon- Immissionen, Datenanalysen aus Baden-Württemberg und Bayern 1990-2003. Immissionsschutz, Heft 1, 2005, S. 21-25. [2] 22. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (22. BImSchV) Verordnung über Immissionswerte für Schadstoffe in der Luft vom 11. September 2002 [3] Gense R., Direct NO 2 emissions: the state of knowledge and consequences. Vortrag 19.9.2006 in Brüssel, download: http://forum.europa.eu.int/public/irc/env/cafe_baseline/library?l=/cafe_ambient_quality/works hop_vehicles/raymond_gense_ecppt/_en_1.0_&a=d [4] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Luftbelastung durch Stickstoffoxide in Deutschland - Eine Zusammenstellung des BMU zu Emissionen, Luftqualität, Ursachen, Februar 2007 [5] Carslaw D.C., Beevers S.D., Estimations of road vehicle primary NO 2 exhaust emission fractions using monitoring data in London, Atmospheric Environment 39, 167-177, 2005 [6] Palmgren F., Berkowicz R., Hertel O., Vignati E., Effects of reduction of NOx on the NO 2 levels in urban streets. The Science of the Total Environment 189-190, 409-415, 1996 [7] Kessler C., Niederau A., Schneider C., Auswertungen von Stationsmessungen zur Ermittlung der Variationsbreite des NO 2 /NOx-Anteils der Verkehrsemissionen, Bericht im Auftrag der LUBW, Dezember 2005. Im Internet verfügbar unter www.lubw.baden-wuerttemberg.de > Themenportal > Luft > Mehr Fachinformationen > Abgeschlossene Projekte > Verkehr Anschrift der Verfasser Dr.-Ing. Christoph Kessler, Dipl.-Ing. Arnold Niederau AVISO Aachener Verkehrs-Ingenieur-Sozietät GmbH, Adalbertsteinweg 34, 52070 Aachen Dr. Werner Scholz, Dr. Dieter Ahrens LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg Hertzstr. 173, 76187 Karlsruhe