Straßenverkehr - Emissionen und Immissionen 2014

Datengrundlage

Emissionskataster Kraftfahrzeugverkehr

Das Emissionskataster Kfz-Verkehr ist auf der Basis der Verkehrszählungen für das Jahr 2014 neu erhoben worden, weil diese Verursachergruppe nach den bisherigen Erfahrungen erheblich zu den Feinstaub- und Stickoxid-Belastungen beiträgt. Seit dem Jahr 2001 sind in den Hauptverkehrsstraßen Berlins an vielen Stellen Detektoren errichtet worden, die die dort fahrenden Kraftfahrzeuge zählen. Diese Daten dienen primär dazu, die aktuelle Verkehrssituation in Berlin zu kennen und sie in die Verkehrssteuerung mit einzubeziehen. Diese Informationen werden in der Verkehrsregelungszentrale (VKRZ) ausgewertet, um die Bevölkerung und insbesondere die Autofahrer über Rundfunk, Internet und Anzeigetafeln an zentralen Punkten über die aktuelle Verkehrssituation zu informieren und gegebenenfalls Routenempfehlungen zur Umfahrung von Staus zu geben. Mit dem Ausbau der VKRZ soll das Ziel einer dynamischen Verkehrssteuerung nach aktueller Verkehrslage und -belastung ermöglicht werden.

Erhebung der Verkehrsbelastung

Seit 2002 stehen die Daten von ca. 400 Detektoren an etwa 300 Standorten innerhalb des Berliner Hauptstraßennetzes bei der Verkehrslenkung zur Verfügung. Viele dieser Detektoren unterscheiden zwischen Pkw und Lkw und können für jährliche überschlägige Verkehrsmengenerhebungen genutzt werden.

Für das Jahr 2014 standen zusätzlich die Verkehrszahlen für Pkw, Lkw, Busse und Motorräder durch eine alle 5 Jahre durch die Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz in Auftrag gegebene amtliche Zählung durch geschulte Personen an vielen Verkehrsknotenpunkten zur Verfügung. Diese amtliche Verkehrszählung hat gegenüber der Zählung durch die Detektoren den Vorteil, dass die Lkw unter und über 3,5 t besser von den sonstigen Kfz getrennt werden können. Daher wurde für 2014 diese Verkehrszählung als Grundlage für eine “Emissionserhebung Kfz-Verkehr 2015 im Rahmen der Fortschreibung des Luftreinhalteplans 2011-2017” gewählt, so wie bei den bisherigen Emissionskatastern Kfz-Verkehr der Jahre 1994, 1999, 2005 und 2009 auch.

Die Auspuffemissionen wurden dann wie folgt bestimmt:

• die Hochrechnung der punktbezogenen Knotenzählungen auf das gesamte Berliner Hauptstraßennetz mit einem Verkehrsfluss-Rechenmodell (VISUM) durch die Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz lieferte als Resultat die mittleren täglichen Verkehrszahlen (DTV) und die Lkw-Anteile für alle Hauptstraßen;
• die Ermittlung der abschnittsbezogenen Belastung des Hauptverkehrsstraßennetzes mit Linienbusverkehr der Berliner Verkehrsbetriebe (BVG) wurde aus den Fahrplandaten 2014 errechnet;
• die Berechnung der Emissionen mit den Emissionsfaktoren aus dem UBA-Handbuch für Emissionsfaktoren (Version 3.3) unter Berücksichtigung der Straßenart und -funktion wird mit Hilfe des Programms IMMIS^em/luft ermittelt.

Erhebung der Emissionen

Zu den Schadstoffemissionen des Kfz-Verkehrs zählen die Auspuff- und Abriebemissionen des fließenden Verkehrs, die Verdunstungsemissionen des ruhenden Verkehrs und Verdunstungsemissionen an Tankstellen. Abbildung 2 gibt eine Übersicht über die Erhebungssystematik. Die Emissionen an Tankstellen werden dem Kleingewerbe zugeordnet.

Abb.2: Emissionserhebung Kfz-Verkehr 2015 im Rahmen der Fortschreibung des Luftreinhalteplans 2011-2017

Mit Hilfe von Emissionsmodellen werden die Schadstoff- und CO₂-Emissionen für Linienquellen (Hauptverkehrsstraßen) und Flächenquellen (Nebenstraßennetz und Verdunstungsemissionen) berechnet.

Die Auspuff- und Abriebemissionen treten als Linienquellen auf Hauptverkehrs- und Nebenstraßen auf. Sie werden jedoch nur für das Hauptverkehrsstraßennetz als Linienquellen berechnet, weil nur für diese Straßen DTV-Werte und Angaben zur stündlichen Kapazität aus Zählungen vorliegen. Die Emissionen der Linienquellen werden anschließend dem Rasternetz als Flächenwerte zugeordnet. Die Emissionen im Nebenstraßennetz werden dagegen aus Annahmen zum Verkehrsaufkommen und zum Lkw-Anteil direkt für die einzelnen Raster abgeleitet.

Emissionsmodelle Hauptverkehrsstraßen (Linienquellen) und Nebenstraßennetz (Flächenquellen)

Die Auspuffemissionen durch den Kraftfahrzeugverkehr hängen von Faktoren ab, die sich in verkehrsspezifische und kraftfahrzeugspezifische Kenngrößen zusammenfassen lassen.

Die verkehrsspezifischen Kenngrößen werden durch die Verkehrsdichte, d.h. die Anzahl der auf dem betrachteten Straßenabschnitt (Quelle) bewegten Fahrzeuge und deren Fahrverhalten (Fahrmodus) beschrieben. Das Fahrverhalten wird den verschiedenen Straßentypen (Stadtkernstraße, Nebenstraße, Hauptverkehrsstraße mit oder ohne Lichtsignalanlage, Autobahn) und Funktionen (Geschäftsstraße, Wohngebietsstraße oder Einfallstraße) zugeordnet.

Die kraftfahrzeugspezifischen Kenngrößen, im Allgemeinen ausgedrückt durch die Abgasemissionsfaktoren, werden bestimmt durch:

• die Art des motorischen Antriebsverfahrens (Viertakt-, Zweitakt- oder Dieselmotor),
• die Art der Gemischaufbereitung (durch Vergaser oder Einspritzung beim Otto-Motor),
• die Art des Kraftstoffes (Zweitaktgemisch, Benzin, Diesel),
• die Art eventuell vorhandener Reinigungssysteme (geregelter und ungeregelter Katalysator, Abgasrückführung, Partikelfilter, Entstickungssysteme) sowie
• sonstige, den technischen Zustand des Motors charakterisierende Größen.

Die Emissionsfaktoren hängen auch vom Fahrverhalten (Fahrmodus) ab und werden daher für unterschiedliches Fahrverhalten angegeben. Als wesentliche kraftfahrzeugspezifische Größe werden auch der Kaltstarteinfluss, der zu erhöhten Schadstoffemissionen während der Warmlaufphase des Motors führt, und die Verdunstungsemissionen berücksichtigt.

Die Emissionsfaktoren werden im UBA-Handbuch für Emissionsfaktoren (Version 3.3) für jedes Jahr seit 1990 bis zum Jahr 2030 zur Verfügung gestellt. Hier finden sich für jede Fahrzeuggruppe (Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, motorisierte Zweiräder, Busse und schwere Nutzfahrzeuge), für zurzeit mindestens sechs Minderungsstufen (80er Jahre ECE-Zyklus, Euro I/1, Euro II/2, Euro III/3, Euro IV/4, EURO V/5und EURO VI/6) und für jeden Straßentyp die Emissionsfaktoren aller relevanten emittierten Stoffe.

Die strengere Norm Euro VI für schwere Nutzfahrzeuge ist seit Januar 2013 gültig, der Euro 6 – Standard für Pkw ist seit September 2014 bzw. in Stufen verschärft seit September 2017 und ab Januar 2020 vorgeschrieben. Diese Abgasnormen können mit der jetzigen Version des UBA-Handbuchs berücksichtigt werden, so dass realistische Prognosen der Kfz-Emissionen möglich sind.

Ermittlung der Emission durch Abrieb und Aufwirbelung des Straßenverkehrs

Nach heutiger Erkenntnis geht man davon aus, dass ein großer Anteil der verkehrsbedingten PM10-Emissionen nicht aus dem Auspuff der Fahrzeuge stammt, sondern über Aufwirbelung von auf der Straßenoberfläche liegenden Partikeln und vom Reifen- und Bremsabrieb herrührt.

Grundlage der Berechnung dieser Emissionen mit IMMIS^em/luft bildet die modifizierte EPA-Formel aus entsprechenden Untersuchungen. Diese Formel wurde in Berlin durch Messungen an der Schildhornstraße und an der Frankfurter Allee entwickelt und basiert auf der Erkenntnis, dass bezogen auf das Jahr 2001 ca. 50 % der in Straßenschluchten gemessenen Zusatzbelastung von Feinstaub nicht der Auspuffemission der Kraftfahrzeuge zugeordnet werden kann, sondern durch die fahrzeugbedingten Abriebe (Brems-, Straßen- und Reifenabrieb) und Aufwirbelungen verursacht werden. Da die Auspuffemissionen durch die verbesserte Motortechnik seitdem weiter vermindert wurden, ist der Anteil der nicht Auspuff bedingten Emissionen an der Zusatzbelastung heute deutlich höher als 50 %.

Abbildung 3 stellt die einzelnen Ausgangsgrößen zur Berechnung der Auspuff- und Abriebemissionen des Verkehrs, wie Fahrleistungsfaktoren, Stop-and-Go-Zuschläge, Kaltstartfaktoren etc. sowie die Ergebnisse vor.

Abb. 3: Emissionsmodell zur Berechnung der emittierten Schadstoffmengen in Hauptverkehrsstraßen

Für Gebiete mit ausgeprägter Orographie sind die Straßenabschnitte in Längsneigungsklassen einzuordnen. In Berlin wurde dies für das Emissionskataster „Verkehr 2015“ erstmalig angewandt.

Emissionsmodell Nebenstraßennetz (Flächenquellen)

Abb. 4: EM-NEBEN - Emissionsmodell für das Nebenstraßennetz (Flächenquellen)

Die Verkehrsbelastung der Nebenstraßen für das Jahr 2015 wurde mit Hilfe des Verkehrsumlegungsprogramms VISUM aus den zugrunde gelegten Quell-Ziel-Relationen berechnet. Die daraus ermittelten Gesamtfahrleistungen und Anteile an schweren Nutzfahrzeugen wurden den Verkehrszellen in der Stadt zugeordnet. Die aus dem Auspuff und durch Aufwirbelung und Abrieb bedingten Emissionen im Nebennetz wurden mit dem Emissionsmodul von IMMIS^em/luft bestimmt.

Im Nebenstraßennetz werden die Emissionen nicht für einzelne konkrete Straßenabschnitte berechnet, sondern für Rasterflächen von jeweils einem Quadratkilometer. Die Fahrleistung in den Rasterflächen wird auf der Grundlage folgender Angaben ermittelt:

• überwiegende Nutzung des Gebietes, unterteilt in
  • Wohnen in Außenbereichen,
  • Gewerbe- und Industrie,
  • Innenstadt und Subzentren,
• Anzahl der Einwohner und der Arbeitsplätze, differenziert nach
  • Handel und Dienstleistungen,
  • produzierendem Gewerbe,
• daraus abgeleitete Quelle-Ziel-Matrizen des Kfz-Verkehrs.

Die weiteren Eingangsgrößen zur Ermittlung der Gesamtemissionen je Schadstoffkomponente für jede Rasterfläche entsprechen denen für die Berechnung im Hauptverkehrsstraßennetz.

Auspuff- und Abriebemissionen im Stadtgebiet

Tabelle 2 gliedert die auf Hauptverkehrsstraßen Berlins vom Kraftfahrzeugverkehr erbrachten Fahrleistungen (Mio. Fahrzeug-km/Jahr), den Kraftstoffverbrauch (t) und die Auspuff- und Abriebemissionen des Kraftfahrzeugverkehrs (t/Jahr) nach Fahrzeugarten für das Bezugsjahr 2015.

Tab. 2: Fahrleistungen (Mio. Fahrzeug-km/Jahr), Kraftstoffverbrauch (t) und Auspuff- und Abriebemissionen (t/Jahr) nach Fahrzeugarten auf Hauptverkehrsstraßen - Bezugsjahr 2015

Hier dazugezählt werden müssen noch die Emissionen aus dem Nebenstraßennetz, die ca. 18 % der Gesamtemissionen aus dem Straßenverkehr ausmachen. Eine Übersicht über die Emissionen aus Industrie, Gebäudeheizung und Verkehr bietet die Tabelle 2 der Umweltatlaskarte „Langjährige Entwicklung der Luftqualität (03.12)“.

Die für dieses Kataster entwickelte neuartige Emissionsberechnungsmethode ist auch als Grundlage für Ausbreitungsrechnungen zur Ermittlung der Schadstoffbelastungen an Straßen geeignet. Die weitreichende Neugestaltung der Berechnungsmethodik lässt Vergleiche mit vorhergehenden Emissionserhebungen auf der Grundlage einer wesentlich einfacheren Methode nur sehr eingeschränkt zu.

Immissionen – Ergebnisse der stationären Messungen

Zur Erfassung der durch den Kfz-Verkehr verursachten Schadstoffbelastung werden im Rahmen des automatischen Luftgüte-Messnetzes BLUME Straßen-Messstationen betrieben; um den EU-Richtlinien und der daraus hervorgegangenen Novellierung des BImSchG und der 39. BImSchV von 2010 Rechnung zu tragen, werden kontinuierlich Anpassungen im Berliner Luftgüte-Messnetz vorgenommen.
Da die Konzentration von Schwefeldioxid und Kohlenmonoxid nur noch einen Bruchteil der Grenzwerte beträgt, konnten die Messungen dieser Komponenten entsprechend reduziert werden. Gleichzeitig wird aufgrund der Problemlage besonderes Augenmerk auf die Bestimmung von Feinstaub (PM₁₀) und Stickstoffdioxid (NO₂) vor allem in Verkehrsnähe gelegt.

Für die detaillierte und lückenlose Online-Darstellung der langfristigen Entwicklung der Luftbelastung in Berlin wurde ein Archiv aufgebaut, welches über die Umweltatlaskarte “Langjährige Entwicklung der Luftqualität (03.12)” abgerufen werden kann.

Messungen der Immissionsbelastung im Stadtgebiet

Im Jahr 2016 wurden an insgesamt 16 Messcontainern (5 am Stadtrand, 5 im innerstädtischen Hintergrund und 6 an Straßenstandorten) und an 23 RUBIS-Messstellen Luftschadstoffmessungen durchgeführt. Mit diesen miniaturisierten Geräten wurden Benzol und Ruß als Wochenproben gesammelt. Zusätzlich wurden Passivsammler an diesen Orten zur Bestimmung von Stickoxiden angebracht. Die Geräte sammeln Proben über eine Probenahmezeit von 14 Tagen, die dann im Labor analysiert werden. Die Lage der einzelnen Messstellen ist schematisiert Abbildung 5 zu entnehmen. Die genauen Adressen sind in den Monatsberichten zur Luftreinhaltung der Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz zu finden.

Die Lage der automatischen Container-Messstellen des Berliner Luftgüte-Messnetzes (BLUME) sowie der RUBIS-Kleinmessstellen werden einschließlich der dazugehörigen z.T. langjährigen Jahreskennwerte im Geoportal mit der Karte und den Sachdaten zur „Langjährigen Entwicklung der Luftqualität – Immissionen“ angeboten.

Bei der kleinräumigen Ortsbestimmung der Probenahmestellen und der Durchführung der Messungen sind folgende Vorgaben der 39. BImSchV soweit wie möglich zu beachten:

• Der Luftstrom um den Messeinlass darf in einem Umkreis von mindestens 270 Grad nicht beeinträchtigt werden und es dürfen keine Hindernisse vorhanden sein, die den Luftstrom in der Nähe der Probenahmeeinrichtung beeinflussen, das heißt Gebäude, Balkone, Bäume und andere Hindernisse sollen einige Meter entfernt sein und die Probenahmestellen für die Luftqualität an der Baufluchtlinie müssen mindestens 0,5 Meter vom nächsten Gebäude entfernt sein.
• Im Allgemeinen muss sich der Messeinlass in einer Höhe zwischen 1,5 Meter (Atemzone) und 4 Meter über dem Boden befinden. Eine höhere Lage des Einlasses (bis zu 8 Meter) kann unter Umständen angezeigt sein, z.B. wenn die Messstation für eine größere Fläche repräsentativ sein soll.
• Der Messeinlass darf nicht in nächster Nähe von Emissionsquellen angebracht werden, um die unmittelbare Einleitung von Emissionen, die nicht mit der Umgebungsluft vermischt sind, zu vermeiden.
• Die Abluftleitung der Probenahmestelle ist so zu legen, dass ein Wiedereintritt der Abluft in den Messeinlass vermieden wird.
• Bei allen Schadstoffen sollten verkehrsbezogene Probenahmestellen mindestens 25 Meter vom Rand verkehrsreicher Kreuzungen und höchstens 10 Meter vom Fahrbahnrand entfernt sein.

Die Höhe der gemessenen Konzentration ist nicht alleine von der Anzahl der Fahrzeuge und der dadurch bedingten Emissionen abhängig, sondern auch von den Bedingungen für den Luftaustausch, die einerseits durch meteorologische Parameter (z.B. den Wind), andererseits durch Art und Umfang der Bebauung gegeben sind. So werden hohe Immissionsbelastungen an beidseitig bebauten Straßen (Straßenschluchten) wie in der Silbersteinstraße in Neukölln oder der Schildhornstraße in Steglitz registriert, während an der Stadtautobahn, die ein wesentlich höheres Verkehrsaufkommen aufweist, geringere Schadstoffkonzentrationen zu verzeichnen sind. Die Abbildung 5 zeigt eine typische Schadstoffverteilung in einer Straßenschlucht. Eine solche Verteilung entsteht, wenn die Windrichtung (über Dach) vom Messpunkt zur Straßenmitte zeigt und sich in der Straßenschlucht eine Wirbelströmung ausbildet. Diese treibt die Kfz-Emissionen auf die Straßenseite mit der Messstation.

Abb. 5: Schadstoffverteilung in einer Straßenschlucht mit Messbereich nach der 39. BImSchV und Aufpunkten für die Berechnung mit dem Straßenschluchtmodell IMMISem/luft

Langjähriger Trend der Stickstoffdioxidkonzentration im Stadtgebiet

Die Ergebnisse der bis 2016 im Stadtgebiet durchgeführten Messungen zeigen im langjährigen Trend (vgl. Abbildung 6):

• Bis etwa 1995 wurde durch die Ausrüstung der Berliner Kraftwerke mit Entstickungsanlagen und die Einführung des geregelten Katalysators für Otto-Fahrzeuge ein deutlicher Rückgang der Stickstoffdioxidkonzentrationen erreicht.
• Die Belastung mit NO₂ hat sich an allen drei dargestellten Stationskategorien während der letzten zehn Jahre kaum verändert. Die Werte an verkehrsreichen Straßen (rote Kurve) liegen immer noch deutlich über dem EU-Grenzwert von 40 µg/m³ im Jahresmittel.
• Die durch die Verbesserung der Abgastechnik der Fahrzeuge zu erwartende Abnahme der Stickoxidemissionen hat nicht zu einem Rückgang der Stickstoffdioxidbelastung geführt.

Abb. 6: Langjähriger Trend der Stickstoffdioxidwerte in Berlin

(weitere Informationen werden unter Langfristige Entwicklung der Luftqualität angeboten)

Langjähriger Trend der PM₁₀-Konzentration im Stadtgebiet

Die Abbildung 7 zeigt die Entwicklung der PM₁₀- und Gesamtstaubkonzentration in Berlin und Umgebung über die letzten etwa 30 Jahre (1997 fand die Umstellung der Messungen von Gesamtstaub auf Feinstaub (PM10) statt).

Die rote Kurve zeigt die Belastung an drei verkehrsnahen Messstellen, während die blaue und die grüne Linie die gemittelten Konzentrationen an drei Messstellen in innerstädtischen Wohngebieten bzw. an fünf Messpunkten am Stadtrand wiedergeben.

Abb. 7: Langjähriger Trend der PM10- und Gesamtstaubkonzentration in Berlin sowie Anzahl der Überschreitungstage

(weitere Informationen werden unter Langfristige Entwicklung der Luftqualität angeboten)

Beim Vergleich der Kurven fällt folgendes auf:

• Die PM₁₀-Konzentration am Stadtrand und in ländlicher Umgebung in Brandenburg beträgt bis zum Jahr 2003 bereits mehr als die Hälfte der PM₁₀-Belastung in Berliner Hauptverkehrsstraßen der Innenstadt; durch die im jährlichen Mittel weiter zurückgehende Konzentration im Verkehrsbereich nähert sich das Verhältnis danach bis 2016 auf etwa 2:3 Stadtrand zu Hauptverkehrsstraße an.
• Der bis Ende der 90er Jahre anhaltende Rückgang der Staubwerte hat sich in den letzten Jahren nicht fortgesetzt. Im Gegensatz dazu ging die Rußbelastung an Hauptverkehrsstraßen von 1998 bis 2008 kontinuierlich um über 60 % zurück (vgl. Verlauf der absoluten Jahresmittelwerte in µg/m³ für Ruß am BLUME-Messcontainer 174); ein Resultat u.a. der abgastechnischen Verbesserung der Fahrzeuge, so zum Beispiel auch der Busflotte der Berliner Verkehrsbetriebe BVG.
• Die über das Jahr gemittelte Feinstaubbelastung in Verkehrsnähe liegt seit 2004 unter dem EU-Grenzwert von 40 µg/m³. Allerdings traten bis 2006 und ab 2009 noch Überschreitungen des strengeren 24h-Grenzwerts auf. Der 24h-Grenzwert von 50 µg/m³ darf 35 Mal pro Kalenderjahr überschritten werden. Die Abnahme des Jahresmittelwertes und der Anzahl an Überschreitungstage an Hauptverkehrsstraßen ist auch auf günstige meteorologische Bedingungen und auf die Einführung der Umweltzone zurückzuführen. Im Jahr 2010 wäre ohne die Umweltzone die Anzahl der Überschreitungstage mit Tagesmittelwerten von über 50 µg/m³ um etwa 10 Tage höher gewesen.
• Die jährliche Variation der PM₁₀-Werte ist an allen Stationen ähnlich. Insbesondere der deutliche Wiederanstieg der PM₁₀-Werte in den Jahren 2002, 2003, 2005 und 2006 sowie 2010 und 2014 ist ein Phänomen, das gleichzeitig überall im Stadtgebiet, einschließlich der Stadtrandstationen und der Umlandstationen auftrat. Die Ursache ist deshalb nicht in erster Linie bei den Berliner PM10-Emissionen zu suchen, sondern auf ungünstige Witterungsbedingungen (große Anzahl winterlicher austauscharmer Süd- und Südost-Wetterlagen) und die großräumige Verfrachtung der Feinstaubpartikel zurückzuführen.