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RSD-Abgasmessung

Aufgebaute Messanlage
Aufgebaute Messanlage
Bild: Firma OPUS

Wieviel Schadstoffe kommen wirklich aus dem Auspuff?
Welche Fahrzeuge tragen besonders zu den Schadstoffbelastungen an Straßen bei?
Lassen sich mit Modellen, die in der Luftreinhaltung verwendet werden, die Kfz-Emissionen realistisch berechnen?

Um diese Fragen besser beantworten zu können, wurden in Berlin erstmals Schadstoffmessungen direkt in der Abgasfahne von Fahrzeugen im Straßenverkehr mit dem Verfahren „Remote Sensing Detection (RSD)“ durchgeführt.

Der wissenschaftliche Bericht zu der RSD-Abgasmessung steht hier zum Download bereit:

Ermittlung der Emissionen von Kraftfahrzeugen im fließenden Verkehr mit Remote Sensing Detection (Emi-RSD)

PDF-Dokument (5.7 MB)

Die umfangreichen Daten zu dem Bericht können auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden. Bitte wenden Sie sich an Annette.Rauterberg-Wulff@senuvk.berlin.de.

Kurzbeschreibung der Messungen

Die Abgasmessungen mit kombinierter Kennzeichenerfassung fanden im Zeitraum vom 21. Oktober bis zum 8. November 2019 im Auftrag der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz statt. Gemessen wurde an der Sonnenallee (Neukölln) stadteinwärts zwischen Mareschstraße und Thiemannstraße sowie Am Seegraben (Alt-Glienicke) stadtauswärts am Abzweig zur A 117.

Um den Schadstoffausstoß der Fahrzeuge zu messen, wurde quer über die Straße eine Lichtschranke aus infrarotem und ultraviolettem Licht installiert und die Schwächung des Lichtstrahls durch die Schadstoffe gemessen. Diese Lichtabsorption ist umso größer, je mehr Schadstoffe in der Abgasfahne sind. Es handelt sich damit um eine berührungslose Fern-Messung (englisch auch als Remote Sensing Detection oder RSD bezeichnet) ohne störende Eingriffe am Fahrzeug oder in die Fahrweise. Neben der Konzentration von Stickstoffoxiden im Abgas wird auch der Ausstoß von Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Partikeln sowie die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge gemessen. Damit kann der Schadstoffausstoß in Abhängigkeit vom momentanen Kraftstoffverbrauch und der Fahrweise für die verschiedenen Fahrzeuggruppen ausgewertet werden.

Wichtig für die Auswertungen sind zudem Daten zum Fahrzeug, d. h. zur Art des Fahrzeugs (Pkw, Nutzfahrzeuge, Busse), zur Antriebsart (Otto-, Dieselmotor, weitere Antriebe), zu seinem Gewicht und zur Abgasnorm, z.B. für einen Vergleich mit Emissionsgrenzwerten. Die Fahrzeugdaten wurden anhand der erfassten Kennzeichen ermittelt.

Wesentliche Ergebnisse der RSD-Abgasmessung 2019

Für die Auswertungen lagen Messungen an fast 54.000 Fahrzeugen vor. Der Anteil von Pkw betrug 84 %, leichte Nutzfahrzeuge erreichten 13 % und schwere Nutzfahrzeuge über 3,5 Tonnen Gesamtgewicht waren mit einem Anteil von 2,6 % vertreten.

Die meisten Messungen liegen für Fahrzeuge mit der Abgasnorm Euro 6ab/VI vor, gefolgt von Fahrzeugen mit Euro 5/V (römische Ziffern stehen für die Abgasnormen von Lkw). Dies spiegelt den hohen Anteil moderner Fahrzeug in der Flotte wider.

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Für die Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Partikel liegen die mit RSD gemessenen Emissionen im Bereich der Emissionsgrenzwerte, die bei der Genehmigung zur Markteinführung eines neuen Fahrzeugtyps eingehalten werden müssen. Die Partikelemissionen von Dieselfahrzeugen der Euronorm 3 liegen sogar deutlich unter den zulässigen Werten, ein Resultat der Partikelfilternachrüstung für die Umweltzone.

Für Stickstoffoxide zeigen sich jedoch bei Pkw und leichten Nutzfahrzeuge die aus dem Dieselabgasskandal bekannten Überschreitungen der Grenzwerte für die Abgasnormen bis Euro 6 ab.

Von besonderen Interesse sind die die Emissionen von Stickstoffoxiden (NOx), da diese durch chemische Prozesse an Straßen zu hohen Belastungen durch Stickstoffdioxid (NO2) führen können.

Die mit RSD gemessenen mittleren Stickstoffoxidemissionen für ausgewählte Fahrzeuggruppen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Angegeben ist auch der zugehörige Emissionsgrenzwert aus der Typgenehmigung. Zu beachten ist bei dem Vergleich der RSD-Werte mit streckenbezogenen Emissionsgrenzwerten in g/km, dass mit RSD im Wesentlichen nur Emissionsraten unter Last ausgewertet werden können. In einem Fahrzyklus sind aber ebenso Strecken ohne Last enthalten, die nur sehr geringe Emissionen zur Folge haben. Als Faustregel gilt daher für Streckenemission, dass der mittlere RSD-Emissionswert in g/km durch 2 geteilt werden muss, um ansatzweise mit einem Emissionsgrenzwert vergleichbar zu sein. Für die Immissionsbelastung an der Straße ist jedoch die tatsächliche Emission entscheidend.

Für schwere Nutzfahrzeuge ist der Emissionsgrenzwert nicht streckenbezogen, sondern wird im Verhältnis zur Leistung angegeben. Die Messwerte sind daher besser mit dem Emissionsgrenzwert vergleichbar. (Emissionsgrenzwerte für schwere Nutzfahrzeuge gelten für den Motor, der dann in sehr unterschiedliche Fahrzeuge eingebaut werden kann. Daher ist nur schwer vorherzusehen, wie hoch der Leistungsbedarf und damit die Emissionen pro Kilometer sind.)

Stickstoffoxidemissionen aus RSD-Messungen und Emissionsgrenzwerte

Pkw und leichte Nutzfahrzeuge

Die RSD-Messungen bestätigen auch für den Berliner Straßenverkehr für die meisten Schadstoffe eine gute Übereinstimmung zwischen den realen Emissionen im Straßenverkehr und den gemäß den Emissionsgrenzwerten aus der Typgenehmigung zulässigen Werten.

Dies gilt auch für die besonders gesundheitsschädlichen Abgaspartikeln. Besonders positiv sind die Ergebnisse für Diesel-Fahrzeuge mit Euro 3. Sie emittieren im Mittel deutlich weniger Partikel als gemäß Emissionsgrenzwert zulässig wäre. Dies ist ein Indiz dafür, dass der größere Teil dieser Fahrzeuge für das Befahren der Berliner Umweltzone (grüne Plakette seit 2010) mit einem Partikelfilter nachgerüstet wurde und dieser bei der Mehrzahl der Fahrzeuge weiterhin gut funktioniert.

Wichtige und bekannte Ausnahme: Die Emission von Stickstoffoxiden (NOx) bei Pkw und leichten Nutzfahrzeugen (LNF) mit Dieselmotor. So liegen die mittleren NOx-Emissionen von Diesel-Pkw bei der Vorbeifahrt im realen Betrieb bis einschließlich Euro 6ab um das 2- bis 4-fache über den Emissionsgrenzwerten, bei den leichten Nutzfahrzeugen der Klasse III (das sind die schwersten LNF) überschreiten Euro-5-Fahrzeuge den Grenzwert sogar um einen Faktor von etwa 5. Eine bessere Annäherung der realen Emissionen an den Grenzwert wird mit der Einführung eines dynamischeren Fahrzyklus bei der Norm Euro 6c erreicht. Zu einer Übereinstimmung mit dem Grenzwert führte jedoch erst die Anforderung nach einem Nachweis der Emissionsgrenzwerte durch Messungen der realen Emissionen (RDE – Real Driving Emissions) im Straßenverkehr mit Euro 6d-temp und Euro 6d.

Bei den erfassten Euro-6d-Diesel-Pkw wird der zulässige Konformitätsfaktor von 1,3 im Durchschnitt nicht mehr ausgenutzt, der Mittelwert lag sogar knapp unter dem Emissionsgrenzwert. Allerdings überschritten immer noch mehr als 25 % der Fahrzeuge der Abgasnorm Euro 6d-temp und Euro 6d den zulässigen Emissionswert inklusive Konformitätsfaktor.

Pkw mit Ottomotor und Katalysator emittieren – wie bekannt – auch im realen Betrieb nur wenig Stickoxide.

Schwere Nutzfahrzeuge

Bei den schweren Nutzfahrzeugen (Zulässiges Gesamtgewicht > 3,5 t) sind Überschreitungen des Emissionsgrenzwertes weniger stark ausgeprägt und liegen im Bereich von Faktor 1,5 bis 3,3. Die Stickoxidemissionen der Fahrzeuge der Abgasnormen Euro III bis V sind ähnlich hoch (im Mittel 6,62 bis 7,7 g/kWh). Mit Einführung der Norm Euro VI konnten die Emissionen um fast 90 % gesenkt werden und liegen im Mittel nur noch bei 0,78 g/kWh, bei einem zulässigen Wert für die Emissionen im realen Straßenverkehr von 0,69 g/kWh.

Die Partikelemissionen zeigen auch bei den schweren Nutzfahrzeugen keine Auffälligkeiten im Vergleich zu den erwartbaren Emissionen. Besonders sind die Ergebnisse für die Fahrzeuge mit Euro III. Sie emittieren im Mittel 65 % weniger Partikel als gemäß Emissionsgrenzwert zulässig wäre. Dies ist ein Indiz dafür, dass der größere Teil der Euro-III-Lkw für das Befahren der Umweltzone mit einem Partikelfilter nachgerüstet wurde.

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Bildvergrößerung: Stickstoffoxidemissionen aus RSD-Messungen und Emissionsgrenzwerte
Stickstoffoxidemissionen aus RSD-Messungen und Emissionsgrenzwerte
Bild: SenUVK

Stickstoffoxidemissionen aus RSD-Messungen und Emissionsgrenzwerte

Wesentliche Ergebnisse der RSD-Abgasmessung 2019

PDF-Dokument (76.1 kB)

Die Messungen zeigen, dass die Emissionsfaktoren des vom Umweltbundesamt herausgegebenen Handbuchs für Emissionsfaktoren (HBEFA, Version 4.1) die reale Emissionssituation gut widerspiegeln. Unbedingt zu beachten sind die im HBEFA vorgesehenen Temperaturkorrekturen und Laufleistungseinflüsse für ältere Fahrzeuge.

Ziel des Projektes war es außerdem, die Emissionen der Fahrzeuge im Berliner Straßenverkehr mit den Emissionsfaktoren des HBEFA zu vergleichen. Das HBEFA ist eine Datenbank mit Emissionsfaktoren für die Berechnung des Schadstoffausstoßes für den Kfz-Verkehr für Modellrechnung in der Luftreinhaltung.

Im August 2019 wurde die aktuelle Version 4.1 veröffentlicht, die deutlich höhere Emissionsfaktoren für Stickoxide enthielt. Dies ist zum einen eine Folge des Dieselabgasskandals, aber auch das Ergebnis einer besseren Berücksichtigung von Temperatureinflüssen und der Laufleistung der Fahrzeuge. Ob diese erhöhten Emissionsfaktoren im HBEFA 4.1 für den Berliner Straßenverkehr zutreffen, sollte mit den RSD-Messungen auf Berliner Straßen stichprobenhaft untersucht werden.

Während jedoch die Emissionsfaktoren des HBEFA mittlere Wert für eine Strecke von circa ein bis zwei Kilometern darstellen, werden mit dem RSD-System Emissionsraten für den momentanen Fahrzustand an der Messstelle erfasst. Deshalb erfolgte der Vergleich mit den feiner differenzierten Emissionsraten des Berechnungsmodells “Passenger car and Heavy duty Emission Model“ (PHEM) der Technischen Universität Graz. Dieses Modell liegt auch dem HBEFA zugrunde. Im Ergebnis stimmen im Mittel über die Fahrzeugflotte zwischen Messung und Modell sehr gut überein. Die gemessenen Emissionen liegen unter Berücksichtigung von Temperatur- und Laufleistungseinflüssen nur etwa 5 % über den Emissionsfaktoren aus PHEM. Das Modell gibt damit die realen Emissionen gut wieder. Die Auswertung zeigt auch, dass die Umgebungstemperatur für Diesel-Pkw und die Alterung bei Otto-Pkw eine wichtige Rolle spielen. Ohne Berücksichtigung der Laufleistung würden die realen Stickstoffoxid-Emissionen mit dem Modell im Mittel um mehr als 20 % unterschätzt.

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Das Vorkommen von möglichen Hochemittenten, d. h. Fahrzeugen bei denen die Abgasreinigung nicht richtig funktioniert, wurde für Benzin- und Diesel-Pkw analysiert. In jeder Fahrzeugschicht waren nur wenige Fahrzeuge auffällig; in der vorliegenden Kampagne wurden bis zu 1% (hier: Benzin-Pkw Euro 5) als auffällig identifiziert. Genauere Aussagen wären nur bei einem größeren Stichprobenumfang möglich.

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Die Anwendung von RSD-Messungen zu Unterstützung der Kontrolle von Dieselfahrverboten erweist sich unter den Bedingungen der Fahrverbotsstrecken in Berlin (große Bandbreite an Fahrweisen, mehrere Fahrspuren) machbar, aber sehr anspruchsvoll und aufwändig.

Die Ergebnisse der RSD-Abgasmessungen wurden von der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz intern auch darauf geprüft, ob das Verfahren unterstützend bei einer automatisierten Kontrolle von Dieseldurchfahrtsverboten angewendet werden kann. In Berlin werden die Fahrverbote manuell kontrolliert, d. h. die Fahrzeuge werden von der Polizei gestoppt und die Fahrzeugpapiere kontrolliert. Grundsätzlich ist es inzwischen nach einer Änderung des Straßenverkehrsgesetzes zulässig, zum Zweck der Kontrolle die Kennzeichen aller durch eine Fahrverbotsstrecke fahrenden Fahrzeuge zu scannen und eine Datenabfrage beim Kraftfahrbundesamt durchzuführen. Dabei werden jedoch überwiegend Fahrzeuge erfasst, die nicht unter das Fahrverbot fallen. Dies ist aus Sicht des Datenschutzes durchaus kritisch zu sehen. Daher wäre es besser, wenn zunächst anhand einer Abgasmessung verdächtige Fahrzeuge identifiziert würden und nur von diesen Fahrzeugen das Kennzeichen gescannt würde. Hierzu müssen sich bei einem Fahrverbot für Dieselfahrzeuge bis einschließlich Euro 5 die NOx-Konzentrationen in der Abgasfahne zwischen Fahrzeugen mit dem Abgasstandard Euro 5 und Euro 6 ausreichend unterscheiden. Die Auswertungen der Stickstoffoxidkonzentrationen in der Abgasfahne zeigen jedoch für die Berliner Messungen an den zwei weitgehend ebenen Strecken eine sehr große Spannweite. So spielt es eine große Rolle, ob das Fahrzeug gerade beschleunigt wird, bei konstanter Geschwindigkeit rollt oder gerade abgebremst wird. Für die Verhältnisse an den ebenfalls weitgehend ebenen Berliner Straßen mit Dieseldurchfahrtverboten ist daher hier verwendete RSD-Technik nicht geeignet, um ausreichend zwischen Fahrzeugen mit Euro 5 oder 6 zu differenzieren. Dieses Problem könnte ggf. mit einem höheren Messaufwand gelöst werden, bei dem mehr Messstellen hintereinander verwendet werden, um pro Fahrzeug eine höhere Zahl von Messungen zu erreichen.

Für die Messung an Straßen mit mehreren Fahrstreifen pro Richtung müsste ein vertikaler Messaufbau verwendet werden, der auch von einem anderen Hersteller verfügbar ist.

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Die Untersuchung ist Teil eines Projektes zur Erarbeitung eines Informationssystems zur aktuellen Luftqualität an Straßen (AkLuSt Berlin). Dieses Projekt wird aus dem “Sofortprogramm Saubere Luft 2017-2020” des Bundes mit einer Fördersumme von insgesamt 155.295 Euro gefördert.

Logo Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur
Bild: BMWI

Gefördert durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Die Durchführung dieser Untersuchung erfolgte im Rahmen der Förder­richtlinie “Digitalisierung kommunaler Verkehrs­systeme”.