Moderne Antriebe entscheidend für Luftqualität

Autoren: Christian Beidl, Alexander Heintzel

Klimaschutz geht nur technologieoffen, wie ein aktueller MTZ-Fokus zeigt. Ergänzt wird der Beitrag an dieser Stelle durch eine Analyse, die den Einfluss von Antrieben auf die urbane Luftqualität beleuchtet. 

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Städtische Luftqualität und Klimaschutz sind zwei große Herausforderungen für zukünftige Mobilitätssysteme. Der Fokus-Artikel Zusammenspiel aller Antriebsarten aus der MTZ 5-2022 zeigt, dass durch Technologieoffenheit, also inklusive des Einsatzes synthetischer Kraftstoffe auch andere Antriebsarten neben der E-Mobilität einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten können. In diesem ergänzenden Beitrag wird der Einfluss von Antriebstechnologien auf die Luftqualität in Städten beleuchtet. 

Trotz der in den letzten Jahrzehnten stetig gesunkenen Schadstoffemissionen des Straßenverkehrs erreichen die lokalen Immissionsbelastungen innerhalb von Städten teilweise immer noch Höhen, die als gesundheitsgefährdend eingestuft sind. Solche Grenzwertüberschreitungen werden heute fast ausschließlich in sogenannten Hotspot-Messstationen für bestimmte Schadstoffe wie Stickstoffdioxid (NO₂) gemessen. Obwohl verkehrsbedingte Emissionen einen Einfluss auf die Luftqualität in Städten haben, ist die Modellierung und die Quantifizierung der genauen Wechselwirkung nach wie vor eine komplexe Aufgabe. Infolgedessen werden Grenzwerte für Fahrzeugemissionen meist auf der Grundlage einer kontinuierlichen Absenkung unter Berücksichtigung von technischer Machbarkeit festgelegt, der Einfluss auf die Luftqualität wird jedoch nicht direkt berücksichtigt. 

Am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe der TU Darmstadt wurde ein empirischer Ansatz zur Bestimmung der Emissions-Immissions-Interaktion mittels neuronaler Netzmodellierung für eine lokale NO₂-Hotspot-Messstation entwickelt. Dadurch ist es möglich, Ergebnisse verschiedener Szenarioanalysen zur verkehrsbedingten NO₂-Immission zu bewerten. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden die Auswirkungen der Fahrzeugflotte in Abhängigkeit des Emissionsstandards sowie der Einfluss von verschiedenen Antriebstechnologien in Relation zu den Immissionen gesetzt und bewertet. 

Erneuerung der Flotte hat großen Einfluss

Nach Steinhaus et al. [1] folgt aus dem Verlauf der Immissionsdaten für NO₂ an der Hotspot-Messstation Darmstadt Hügelstraße, dass der Einfluss der natürlichen Flottenerneuerung signifikant ist. Seit 2019 ist ein deutlicher Rückgang der gemessenen NO₂-Konzentration an der Messstelle zu verzeichnen, der auf einen zunehmenden Flottenanteil an Fahrzeugen, welche die aktuelle Abgasnorm erfüllen, zurückzuführen ist. Darüber hinaus wurde in der zweiten Jahreshälfte 2019 die Straße, an der sich die Messstelle befindet, für Fahrzeuge mit Dieselmotor der Abgasnorm EU 5 und früher, beziehungsweise für jene mit Ottomotor der Abgasnorm EU 2 und früher, gesperrt. Dies führt ebenfalls zu einer Verringerung der NO₂-Konzentration an der Messstelle. 

Das validierte Modell ermöglicht es, verschiedene Szenarien zu untersuchen und deren Einfluss auf die NO₂-Immissionsniveau zu quantifizieren. Bild 1 zeigt die NO2-Immission für die Hotspot-Messstation Darmstadt Hügelstraße unterteilt in städtischen Hintergrund und verkehrsbedingte Immission. Die verkehrsbedingten Immissionen werden in die Fahrzeugklassen Schwerlastverkehr (Lkw, Bus, sonstige), Pkw (PCV) und Pkw mit EU 6 unterteilt. In diesem Schaubild wird das Szenario der natürlichen Flottenerneuerung bis 2030 dargestellt, in dem der Anteil der EU-6-Fahrzeuge kontinuierlich zunimmt (gestrichelte Linie). Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erneuerung der Pkw-Flotte bereits eine deutliche Verringerung der NO2-Immission für den dargestellten Zeitraum bewirkt. [2] 

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Moderne Verbrennungsmotoren belasten Luftqualität nicht 

Zum jetzigen Zeitpunkt lässt sich zusammenfassen, dass die Schadstoffemissionen moderner Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren hinsichtlich der NO₂-Immissionskonzentration auf einem so niedrigen Niveau liegen, dass sie die Luftqualität in Städten praktisch nicht mehr beeinträchtigen.

Die Auswirkungen einer vollständigen Umstellung der Fahrzeugflotte auf die aktuellen Euro-Emissionsnormen werden in der Simulation verschiedener Szenarien deutlich, Bild 2. Ersetzt man im Sinne eines zukünftigen Flottenmix 25 % der Flotte mit per Definition emissionsfreien batterieelektrischen Fahrzeugen, ist kaum noch eine Veränderung festzustellen. Dies ist wiederum begründet durch die niedrigen absoluten Stickoxidemissionen der neu zugelassenen Fahrzeuge (EU 6d). Im Rahmen der Szenarioanalysen werden die für die Luftqualität relevanten Randbedingungen für alle dargestellten Szenarien auf dem Niveau des gewählten Referenzjahres 2018 mit einer städtischen Hintergrundimmission von 21 µg/m³ konstant gehalten. 

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Klimaschutz geht nur technologieoffen

Sowohl die im Fokus-Artikel aus der MTZ 5-2022 gezeigten Potenziale verschiedener Antriebsarten, als auch das Zwischenergebnis von deren Auswirkungen auf urbane Luftqualität zeigen, dass ein zukunftsorientierter und nachhaltiger Klimaschutz nur technologieoffen gestaltet werden kann. Erst das Zusammenspiel aller Energiewandler betrieben mit nachhaltig erzeugten Energieträgern ermöglicht eine Zukunftsmobilität, die Klimaschutz und Luftqualität gleichermaßen erfolgreich beeinflusst. Allerdings müssen in diesem Bestreben gleichermaßen auch Maßnahmen gegen die Emissionen und Immissionen aus den nicht-mobiltätsgebundenen Sektoren ergriffen werden.

[1] Steinhaus, T.; Hartwig, M.; Beidl, C.: Empirical Modelling of a Near-Traffic Emission Hotspot – Analysis of Immission Reduction Potentials. In: International Journal of Transport Development and Integration 5 (2021), Nr. 4, S. 353-366 

[2] Steinhaus, T.; Demel, P.; Beidl, C.: How much will hotspots cool down? Analysis of city air quality for modern propulsion technologies. In: AVL (Hg.): 9th International Symposium on Development Methodology, Graz, 2021