Forschungsstudie zu ›Zero-Impact Vehicles‹ (ZIV) zeigt, wie Fahrzeugemissionen ihre Relevanz für Gesundheit und Umwelt verlieren
Ein von der FVV initiiertes Forschungsvorhaben zeigt: Wenn Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sehr strenge Abgasgrenzwerte einhalten, beeinflussen sie die Luftqualität nicht mehr negativ. Allerdings ist der maximal zulässige Emissionswert für einzelne Fahrzeuge von der jeweiligen Fahr- und Verkehrssituation abhängig.
Die Vorschriften für maximal zulässige Abgasemissionen sollen in Europa weiter verschärft werden. Vor diesem Hintergrund untersuchte eine kürzlich abgeschlossene Forschungsstudie der FVV eine nur auf den ersten Blick einfache Frage: Wie weit müssen die Emissionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor abgesenkt werden, damit diese ihre Relevanz für Gesundheit und Umwelt verlieren? Dafür korrelierte ein Forscherteam um Prof. Dr.‑Ing. Stefan Hausberger von der Technischen Universität Graz für zwei Luftschadstoffe – Partikel und Stickoxide – die Fahrzeugemissionen mit den an verschiedenen Standorten gemessenen Immissionen, also der Schadstoffkonzentration in der Luft. Als Zielwert wurde ein im Umweltrecht übliches Relevanzkriterium verwendet: Wenn die Emission einer technischen Anlage einen Beitrag von weniger als drei Prozent an der lokal zulässigen Gesamtbelastung verursacht, ist keine weitere Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen. Hausberger erläutert: »Mit diesem Ansatz können wir die Emissionsgrenzwerte definieren, die ein ›Zero-Impact Vehicle‹ zwingend einhalten muss.«
Um den Beitrag der Fahrzeugemissionen auf die Luftqualität zu bestimmen, haben die Forscher zunächst anhand von Daten der Messstelle ›Stuttgarter Neckartor‹ ein Simulationsmodell kalibriert. Dieses zeigt: Wenn die gesamte Fahrzeugflotte auf die derzeit geltenden Abgasgrenzwerte Euro 6d final umgestellt würde, sänke der Schadstoffgehalt in der Luft drastisch – bei den Stickoxiden beispielsweise um 93 Prozent gegenüber den Messwerten aus dem Jahr 2016. Das Drei-Prozent-Kriterium würde jedoch verfehlt.
Dafür, dass das Drei-Prozent-Kriterium bei der Immission an einem bestimmten Ort der Welt eingehalten werden kann, sind nicht nur die Emissionen aller Fahrzeuge in der unmittelbaren Umgebung der Messstelle relevant. Es sind auch die jeweilige Verkehrssituation, die Bebauung und sogar das Wetter zu berücksichtigen. Anhand von Luftqualitätsdaten aus ganz Europa haben die Forscher deshalb mehrere Extremszenarien modelliert. Dazu gehörte eine mehrspurige städtische Zufahrtsstraße, die von 75.000 Fahrzeugen pro Tag befahren wird, genauso wie Stop-und-Go-Verkehr auf der Autobahn, ein Autobahnabschnitt ohne Tempolimit sowie eine Passstraße mit einer Steigung von mehr als zehn Prozent. Für das alpine Szenario wurden zudem verschiedene Fahrweisen berücksichtigt.
Die Ergebnisse der für die verschiedenen Orte durchgeführten Simulationen variieren stark. Im dichten städtischen Verkehr dürfte ein Zero-Impact-Pkw durchschnittlich 6,7 Milligramm Stickoxide pro Kilometer ausstoßen. Im Stop-and-Go-Verkehr auf der Autobahn wären es sogar nur 2,0 Milligramm pro Kilometer. Aufgrund der deutlich geringeren Fahrzeuganzahl würde das Drei-Prozent-Kriterium beim Befahren der Passstraße hingegen sogar dann eingehalten, wenn die Emission auf bis zu 74 Milligramm pro Kilometer stiege. »Die europäische Emissionsgesetzgebung kennt fahrsituationsbezogene Grenzwerte bislang nicht«, sagt Hausberger. »Unsere Ergebnisse zeigen allerdings, dass für die Luftqualität nicht einzelne Extremsituationen ausschlaggebend sind, sondern vor allem der Alltagsverkehr in urbanen Ballungsgebieten maßgebend ist. Extreme Fahrsituationen könnten daher auch mit höheren Emissionsgrenzwerten berücksichtigt werden«.
Bestätigt wird diese Aussage durch weitere Simulationen, die innerhalb des Vorhabens für urbane Ballungsräume durchgeführt wurden. So zeigt sich, dass mit einer zu 100 Prozent aus Zero-Impact-Fahrzeugen bestehenden Flotte die Stickoxidemissionen am Stuttgarter Neckartor nurmehr auf dem Niveau der ohnehin vorhandenen Hintergrundbelastung läge.
Ao. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Hausberger ist Leiter des Forschungsbereichs Emissionen am Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme der Technischen Universität Graz. Mit seinem Team hat er die Studie über Zero-Impact-Fahrzeugemissionen im Auftrag der FVV federführend erarbeitet.
Prof. Dr.-Ing Kurt Kirsten ist Leiter Vorentwicklung und Innovation bei der APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH. Er ist Leiter des FVV-Arbeitskreises, der das Vorhaben koordiniert und begleitet hat.
FVV-Forschungsvorhaben Nr. 1407 (H1295) | Zero-Impact Fahrzeug-Emissionen: Definition und Anforderungen von ›Zero-Impact-Emissionsniveaus‹ aus der Perspektive der Luftgüte. Durchgeführt an der Technischen Universität Graz mit Unterstützung der Beratungsgesellschaften FVT, Graz, und Aviso, Aachen. Frankfurt am Main 2022
Forschungsgesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik mbH (FVT) | Graz, Österreich
Wissenschaftliche Leitung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder / Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Stefan Hausberger
Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme (ITnA) - Technische Universität Graz | Graz, Österreich
Wissenschaftliche Leitung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder
Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dipl.-Met. Dr. rer. nat. Ulrich Uhrner, DipI.-Ing. Werner Stadlhofer
AVISO GmbH (AVISO) | Aachen, Deutschland
Wissenschaftliche Leitung: Dr.-Ing. Christiane Schneider
Fragen + Antworten
1. Was ist ein ›Zero-Impact Vehicle‹?
Ein ›Zero-Impact Vehicle‹, oder einfach nur ›ZIV‹, ist ein Fahrzeug, dessen Emissionen so gering ausfallen, dass es keine messbaren negativen Auswirkungen auf die Umwelt oder die Gesundheit verursacht. Mit unserem „Zero-Impact“-Ansatz erweitern wir den Blickwinkel der Betrachtung bei Abgasen von Fahrzeugen: Statt sich nur auf den Schadstoffausstoß der Fahrzeuge zu konzentrieren, bildet die Immission, also die gemessene Schadstoffkonzentration in der Luft bei Nutzung von emissionsarmen Fahrzeugen, die Bewertungsgrundlage für das Schadstoffniveau.
2. Was ist der Unterschied zwischen Emission und Immission?
Die Emissionen sind die Schadstoffe, die ausgestoßen werden, beispielsweise beim Betrieb eines Fahrzeugs. Für die Immission wird die Schadstoffkonzentration betrachtet, die an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit zu messen ist. Die Immission wird nicht nur von Fahrzeugen verursacht, sondern beispielsweise auch durch die Industrie oder Heizungen.
3. Wovon hängt das Immissionsniveau an einem bestimmten Ort ab?
Das Immissionsniveau ist von einer Vielzahl an Faktoren abhängig. Einen starken Einfluss haben die jeweiligen Wind- und Wetterbedingungen. Beispielsweise fördert starker Wind den Luftaustausch und führt so zu reduzierten Immissionen, weil sich die Stoffe besser verteilen. Auf den Fahrzeugverkehr bezogen gibt es zwei dominante Einflussfaktoren, einerseits die Anzahl der Fahrzeuge im Umfeld einer Messstelle und andererseits ihr Fahrprofil. So emittieren Fahrzeuge bei Fahrten auf steilen Passstraßen im Gebirge aufgrund der hohen Lastanforderungen eine im Vergleich höhere Schadstoffmenge je Kilometer Fahrstrecke. Da dort jedoch nur wenige Fahrzeuge unterwegs sind und der Luftaustausch sehr gut ist, liegt das Immissionsniveau hingegen in der Regel unterhalb einer vielbefahrenen Durchfahrtsstraße in einer Großstadt.
4. Wie kann man die Grenze, ab der mit Sicherheit keine negativen Auswirkungen von Schadstoffen auftreten können, definieren?
Als Zielwert wurde ein im Umweltrecht übliches Relevanzkriterium verwendet: Wenn die Emission einer technischen Anlage weniger als 3 % zu der lokal zulässigen gesamten Immissionsbelastung beiträgt, ist keine weitere Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen. In unserer Studie entspricht das dem Beitrag der Summe aller Pkw und Nutzfahrzeuge mit Verbrennungsmotor, die im relevanten Umfeld einer Immissions-Messstelle unterwegs sind.
5. Was genau wurde im Rahmen der Studie untersucht?
Wir haben analysiert, welches Emissionsniveau ein einzelnes Fahrzeug haben darf, damit in allen Fällen, also zu jederzeit und an jedem Ort, die verkehrsbedingten Immissionen unterhalb der 3-%-Grenze liegen. Für unsere Untersuchungen haben wir viele unterschiedliche Standorte angesehen. Als typischen hochbelasteten Referenzstandort haben wir dieser Studie dann den Standort Neckartor in Stuttgart zugrundegelegt. Das ist sozusagen das immissionsseitige Worst-Case-Szenario, denn dort wurden in der Vergangenheit regelmäßig besonders hohe Schadstoffwerte gemessen. Das liegt einerseits an den baulichen Begebenheiten, andererseits am hohen Verkehrsaufkommen mit vielen Fahrzeugen, die aufgrund des städtischen Fahrprofils mit ausgeprägten Stop-and-go-Phasen vergleichsweise viele Emissionen ausstoßen. Anhand dieser Daten haben wir berechnet, welche Emissionen ein Fahrzeug im Umkreis des Neckartors maximal ausstoßen darf, damit die Immissionen unterhalb des 3-%-Limits bleiben. Diese Untersuchungen haben wir dann mit den Ergebnissen für Messstellen an anderen, deutschlandweit repräsentativ verteilten Standorten wiederholt.
Innerstädtischer Verkehr
6. Zu welchen Ergebnissen sind Sie in Ihrer Studie gekommen?
Wir konnten nachweisen, dass die Anforderungen an ein ZIV je nach Fahrsituation und Umweltbedingungen stark differieren. An Orten mit hohem Verkehrsaufkommen emittieren viele Fahrzeuge Schadstoffe, dementsprechend ist ein niedriges Emissionsniveau pro Fahrzeugkilometer erforderlich, um die Vorgaben für das 3-%-Ziel zu erreichen. Allerdings herrschen an diesen Stellen in der Regel keine besonders anspruchsvollen Fahrbedingungen, sodass die Emissionsgrenzen dort einfacher zu erfüllen sind. Extreme Fahrbedingungen, etwa das Fahren mit hoher Geschwindigkeit und Beschleunigung, sind nur bei geringem Verkehrsaufkommen möglich. Da in diesen Situationen jedoch weniger Fahrzeuge zeitgleich unterwegs sind und Emissionen ausstoßen, sind auch viel höhere Emissionen pro Fahrzeugkilometer möglich, ohne die Immissionen negativ zu beeinflussen. Am kritischsten für die Erreichung des ›Zero-Impact-Ziels‹ sind dichter Stadt- oder Autobahnverkehr.
7. Wie müssten die derzeitigen Emissionsvorschriften und Prüfverfahren für Pkw und Nfz verändert beziehungsweise angepasst werden, um die Immissionen als Maßstab zu berücksichtigen?
Entscheidend ist, dass möglichst alle Fahrzeuge im Feld aktuellen Abgasgrenzwerten entsprechen. Wie unser Simulationsmodell zeigt, sänke der Schadstoffgehalt in der Luft drastisch – bei den Stickoxiden beispielsweise um 93 % gegenüber den Messwerten aus dem Jahr 2016 – wenn die gesamte Fahrzeugflotte auf die derzeit geltende Euro 6d final umgestellt würde. Dennoch können auch dann noch an Tagen mit geringem Luftaustausch mittlere NO2-Immissionen oberhalb des 3-%-Ziels gemessen werden. Mit den derzeit definierten Euro-7-Abgasgrenzwerten dürfte dieses Problem jedoch gelöst sein. Künftige RDE-Prüfverfahren sollten sich auf die Einhaltung der Emissionsvorgaben im dichten Stadt- und Autobahnverkehr konzentrieren und diese Situationen mit angemessenen Grenzwerten abprüfen. Demgegenüber kann es sinnvoll sein, Extremsituationen wie Bergauffahrten mit anderen Grenzwerten zu belegen, da der Emissionsspielraum pro Fahrzeugkilometer für diese Verkehrssituationen viel höher ist als für den dichten Stadtverkehr. Derzeitige RDE-Ansätze legen ein starkes Gewicht auf die Prüfung von Grenzsituationen, etwa den Kaltstart und die Fahrt bei hoher Last. In der Realität haben diese Situationen jedoch nur wenig Auswirkung auf die Immissionen.
Verkehrssituation Überland
8. Ist die Motortechnik überhaupt vorhanden, um in den relevanten Fahrsituationen die Emissionen so gering zu halten, dass das 3-%-Kriterium erfüllt werden kann?
Ja, die Grundtechnologien sind vorhanden, werden zum großen Teil zur Einhaltung der Euro-6-final-Abgasgrenzwerte schon eingesetzt und mit der künftigen Euro 7 ohnehin Standard. Bei der Betrachtung des 3-%-Kriteriums geht es vor allem darum, diese Technologien so einzusetzen, dass sie ihre Potenziale bestmöglich entfalten. Dazu leistet die FVV, in der Hersteller, Zulieferer und Entwicklungsdienstleister gemeinsam und vorwettbewerblich mit Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, einen entscheidenden Beitrag.
9. Welchen Einfluss könnten Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe als alternativer Energieträger dabei haben?
Wasserstoff kann im Motor emissionsarm verbrannt werden, sodass sich dieser Energieträger ideal für ›Zero-Impact‹-Antriebe eignet. Wird Wasserstoff chemisch an Kohlenstoff als Übergangselement gebunden, lässt er sich auch leicht transportieren und lagern. Die Vorteile von synthetischen Kraftstoffen konnte die FVV schon in mehreren Studien nachweisen. Da sich die Kraftstoffsynthese bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe gezielt steuern lässt und sie zudem keinen Schwefel enthalten, verursachen sie weniger Emissionen als fossile Kraftstoffe. Das Abgassystem wird entlastet, weil es weniger Schadstoffe nachbehandeln muss, und kann besser auf grenzwertige Betriebsbedingungen wie einen Motorkaltstart ausgelegt werden.
10. Die Hauptverursacher der verkehrsbedingten Emissionen sind ältere Fahrzeuge, die nicht den aktuellen Emissionsrichtlinien Euro 6 entsprechen. Wie viel Prozent der Fahrzeugflotte müssten die ZIV-Anforderungen erfüllen, bis Effekte bei den Immissionen überhaupt spürbar sind?
Wenn 50 % der Pkw im Feld, die nur Abgasgrenzwerte bis Euro 5 erfüllen, durch Pkw ersetzt würden, die der aktuellen Euro-6d-Richtlinie entsprächen, würden die verkehrsbedingten Immissionen schon um mehr als 30 % sinken. Bei 50 % Ersatz durch ZIV ergäbe sich eine Reduzierung um erhebliche 49 %. Daher plädieren wir für eine rasche Marktdurchdringung von Fahrzeugen, die die aktuellen Emissionsrichtlinien erfüllen, und für eine Euro-7-Richtlinie, die sich an Luftgütezielen orientiert und mit der technisch machbar und effizient ›Zero-Impact‹ erreicht werden kann.
11. Hat der steigende Marktanteil batterieelektrischer Fahrzeuge, die via Definition lokal keine Emissionen verursachen, den Ansatz Ihrer Studie beeinflusst?
Unsere Analysen beziehen sich, wie schon die FVV-Kraftstoffstudien, aufgrund der besseren Vergleichbarkeit auf 100 %-Szenarien. Im Fall der ZIV-Studie ist das der vollständige Einsatz von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen. Wir verfolgen grundsätzlich einen technologieneutralen Ansatz, bei dem alle Antriebsformen ihre Marktberechtigung haben. Dem Kunden sollte die freie Wahl überlassen werden, für welches Antriebskonzept er sich entscheidet, ohne dass die Politik ihm Vorgaben macht. Das bedeutet aber auch, dass jedes Antriebskonzept für sich betrachtet das 3-%-Kriterium erfüllen muss.
