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Verkehrsbedingte Luftbelastung durch Benzol, Stickoxide und Dieselruß 1993

Datengrundlage

Emissionskataster Kraftfahrzeugverkehr

Um die Ursachen der Luftbelastung in Berlin differenziert beurteilen und zu deren Beseitigung beitragen zu können, werden bei der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Umweltschutz und Technologie für die Hauptverursachergruppen Emissionskataster geführt, so auch für die Verursachergruppe Verkehr.

Das Emissionskataster Kraftfahrzeugverkehr 1993 zeichnet erstmalig ein geschlossenes Bild der durch den Kraftfahrzeugverkehr verursachten Luftschadstoffemissionen für die gesamte Stadt Berlin.

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.

Erhebung der Verkehrsbelastung

Grundlagen sind die erstmals im Jahr 1993 flächendeckend durchgeführte Straßenverkehrszählung 1993 im Hauptverkehrsstraßennetz sowie die Fahrpläne des Busverkehrs. Damit stehen für jeden Straßenabschnitt im Hauptverkehrsstraßennetz folgende Angaben zur Verfügung:

  • durchschnittlicher täglicher Kfz-Verkehr (DTV) in Kfz/Tag,
  • durchschnittlicher täglicher Lkw-Verkehr in Lkw/Tag für schwere Lkw,
  • Omnibusbelegung im Linienverkehr.

Diese wurden ergänzt durch umfassende Bestands- und Fahrleistungsanalyen der in Berlin zugelassenen Kraftfahrzeuge und die diese Flottenzusammensetzung beschreibende Emissionsfaktoren für Pkw und Nutzfahrzeuge (vgl. Karte 07.01 SenStadtUm1995).

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: Erhebungssystematik des Emissionskatasters Verkehr 1993
Abb. 2: Erhebungssystematik des Emissionskatasters Verkehr 1993
Bild: Umweltatlas Berlin

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

Die Auspuff- und Abriebsemissionen treten als Linienquellen auf Hauptverkehrs- und Nebenstraßen auf. Sie werden jedoch nur für das Hauptverkehrsstraßennetz als Linienquellen berechnet, weil nur für diese Straßen die bereits erwähnten 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 sind dagegen aus Annahmen zum Verkehrsaufkommen und zum Lkw-Anteil direkt für die einzelnen Raster abgeleitet.

HC-Verdunstungsemissionen entstehen durch Druckunterschiede im Gasraum der Kraftstoffbehälter und der Vergaser-Schwimmerkammer der Fahrzeuge. Sie treten auf:

  • beim stehenden Fahrzeug durch den Temperaturverlauf über den Tag als Tankatmungsemissionen,
  • beim Heißabstellen nach Langstreckenfahrten,
  • beim Warmabstellen nach Kurzstreckenfahrten.

Die Verdunstungsemissionen für HC und deren Benzol-Anteile werden ebenfalls für die Raster ermittelt. Ergänzend werden Verdunstungsemissionen beim Betanken der Fahrzeuge berechnet. Die Verdunstungsemissionen des fließenden Verkehrs können vernachlässigt werden, weil diese sehr gering sind.

Emissionsmodelle Hauptverkehrsstraßen (Linienquellen) und Nebenstraßennetz (Flächenquellen)

Mit Hilfe des Emissionssimulationsmodells EMISS lassen sich die Schadstoff und CO2-Emissionen (vgl. Karte 08.03 CO2-Emissionen, SenStadtUmTech in Vorbereitung) sowie der Kraftstoffverbrauch des Kfz-Verkehrs im Hauptverkehrsstraßennetz berechnen.

Abbildung 3 stellt die einzelnen Ausgangsgrößen des Modells, wie Fahrleistungsfaktoren, Stop-and-Go-Zuschläge, Kaltstartfaktoren etc. sowie die Ergebnisse vor. Im einzelnen wird der methodische Hintergrund in Liwicki, Garben 1993 beschrieben.

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Abb. 3: EMISS-Emissionsmodell für Hauptverkehrsstraßen (Linienquellen)
Bild: Liwicki, Garben 1993

Emissionen für motorisierte Zweiräder können wegen fehlender Verkehrszählungen im Hauptverkehrsstraßennetz nicht angegeben werden. Ihr Beitrag zur Gesamtemission wird auf der Grundlage bundesdeutscher Durchschnittsfahrleistungen und verfügbarer Emissionsfaktoren ermittelt.

Für Gebiete mit ausgeprägter Orographie sind die Straßenabschnitte in Längsneigungsklassen einzuordnen. In Berlin kann dieses jedoch vernachlässigt werden.

Emissionsmodell Nebenstraßennetz (Flächenquellen)

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Abb. 4: EM-NEBEN - Emissionsmodell für das Nebenstraßennetz (Flächenquellen)
Bild: Liwicki, Garben 1993

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.

Unter der Annahme, daß es im Nebenstraßennetz zu keinen nennnswerten Staus kommt, brauchen keine “Stop-and-Go”-Zuschläge berechnet werden, so daß keine Tages-, Wochen- und Jahresganglinien für das Nebenstraßennetz benötigt werden.

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

Immissionen – Ergebnisse der Straßenmessungen

Zur Erfassung der durch den Kfz-Verkehr verursachten Schadstoffbelastung werden im Rahmen des automatischen Luftgütemeßnetzes BLUME fünf Straßenmeßstationen betrieben; außerdem wurden Stichprobenmeßprogramme (1990, 1991, 1993/94, 1996) durchgeführt. Die Ergebnisse des im Jahre 1996 durchgeführten Stichprobenmeßprogrammes, bei dem an 16 Meßpunkten an Hauptverkehrsstraßen und an vier Meßpunkten in innerstädtischen Wohngebieten Benzol und Ruß gemessen wurden, enthält Tabelle 4.

Die Meßergebnisse zeigen, daß an den untersuchten Hauptverkehrsstraßen die Immissionsbelastung um das Zwei- bis Dreifache höher ist als in innerstädtischen Wohngebieten.

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Tab. 4: Jahreskennwerte von Straßenmessungen (Stichprobenmeßprogramme 1993/94 und 1996)
Bild: Umweltatlas Berlin

Anmerkungen:

  • Angaben zum Verkehrsaufkommen beruhen auf ´93er Zähldaten
  • Die 98 %-Werte für Stickstoffdioxid des Stichprobenmeßprogrammes 93/94 wurden aus Jahresmittelwerten hochgerechnet (Faktor 2.2)

Die Höhe der Konzentration ist dabei 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 1 zeigt eine typische Schadstoffverteilung in einer Straßenschlucht. Eine solche Verteilung entsteht, wenn die Windrichtung (über Dach) vom Meßpunkt zur Straße zeigt und sich in der Straßenschlucht eine Wirbelströmung ausbildet. Diese treibt die Kfz-Emissionen auf die Straßenseite mit der Meßstation.

Die Ergebnisse der bis 1997 an Hauptverkehrsstraßen durchgeführten Messungen zeigen weiterhin

  • für Stickstoffdioxid (nur Dauermeßstationen) eine geringe Abnahme der Belastung seit 1990. Der Konzentrationswert der 23. BImSchV wird an der Meßstation in der Silbersteinstraße überschritten.
  • Für Benzol ist im Vergleich zu vorhergehenden Messungen (Stichprobenmeßprogramme 1990 und 1993/94) insgesamt eine Abnahme der Belastung zu erkennen. Diese Entwicklung ist zum Teil darauf zurückzuführen, daß der Anteil an Kfz mit Zweitaktmotoren, die sehr hohe Kohlenwasserstoffemissionen verursachen, in den letzten Jahren stark abgenommen hat. Weiterhin wird durch den steigenden Anteil von Pkw mit geregeltem Katalysator die Benzolemission deutlich vermindert. Überschreitungen des ab 1998 gültigen Konzentrationswertes für Benzol von 10 μ/m3 wurden im Stichprobenmeßprogramm 1996 an drei Straßen festgestellt, der seit 1.7.1995 gültige Konzentrationswert von 15 μg/m3 wurde nicht erreicht. Automatische Meßverfahren für Benzol sind erst seit wenigen Jahren verfügbar; entsprechend liegen für die Dauermeßstationen nur Daten für die Jahre ab 1995 vor.
  • Für Ruß zeigen sowohl die Dauermeßstationen als auch die Stichprobenmeßprogramme eine gleichbleibend hohe Belastung. An fast allen untersuchten Hauptverkehrsstraßen wird der ab 1.7.1998 gültige Konzentrationswert von 8 μg/m3 deutlich überschritten. An zwei Meßpunkten (Silbersteinstraße und Grünauer Straße) wird sogar der derzeitig gültige Grenzwert von 14 μg/m3 überschritten.

Eine deutliche Verminderung der Ruß-Belastung, die vorwiegend durch Dieselfahrzeuge und Reifenabrieb verursacht wird, ist in den nächsten Jahren nicht zu erwarten.

Immissionen – Ergebnisse der Einschätzung des Untersuchungsbedarfes an hoch belasteten Straßenabschnitten durch Ausbreitungsrechnungen

Die Ergebnisse der Straßenmessungen zeigen, daß die Konzentrationswerte der 23. BImSchV an einer großen Anzahl von Hauptverkehrsstraßen – insbesondere beim Ruß – überschritten werden. Da eine meßtechnische Untersuchung an allen Straßen im Stadtgebiet allein aus Kostengründen nicht möglich ist, wurden die Immissionsbelastungen für das gesamte Berliner Hauptverkehrsstraßennetz mit einer Emissions- und Ausbreitungsberechnung abgeschätzt. Dabei werden die Straßenzüge ermittelt, in denen die Konzentrationswerte der 23. BImSchV mit großer Sicherheit überschritten bzw. eingehalten werden.

Eine solche Abschätzung für alle Hauptverkehrsstraßen (Screening) ist mit dem hierfür entwickelten Berechnungsinstrument IMMIS-Luft möglich.

IMMIS-Luft ist ein Screening-Programm zur Abschätzung der Luftschadstoffbelastung an Straßen. Es wurde speziell für Anwendungen im Zusammenhang mit der 23. BImSchV entwickelt. Mit Hilfe dieses Programms ist – vorausgesetzt, daß die notwendigen Eingabegrößen bekannt sind – eine schnelle Berechnung der Immissionsbelastung sowohl für einzelne Straßen als auch für ein umfassendes Straßennetz möglich.

Hierbei wird die Immissionsbelastung auf beiden Straßenseiten für je einen Punkt in 1,5 m Höhe und 1,5 m Entfernung zur Gebäudekante berechnet (vgl. Abbildung 1). Das Mittel der errechneten Immission an diesen beiden Punkten wird als charakteristische Abschätzung der Immissionsbelastung in diesem Abschnitt angesehen.

Zur Anwendung dieses Modells mußten für die ca. 3 000 Hauptverkehrsstraßenabschnitte in Berlin die für das Modell erforderlichen Eingabegrößen bereitgestellt werden:

  • die mittlere, tägliche Verkehrsmenge (ermittelt auf der Basis von Zählungen im Jahr 1993),
  • der Anteil von schweren Nutzfahrzeugen (Lkw) und Bussen an der Verkehrsmenge,
  • Straßenbreite,
  • Gebäudehöhe,
  • Koordinaten der Straßenendpunkte und
  • Anteil der Bebauung an der Straßenlänge (Porosität).

Außerdem mußten folgende für die ganze Stadt Berlin gültige Eingabewerte bestimmt werden:

  • Vorbelastungen der Luft für die Stoffe: Jahresmittel für Ruß (4,1 µg/m3) und Benzol (4,0 µg/m3) sowie für den 98 %-Wert von Stickstoffdioxid (72 µg/m3) als Kurzzeitkennwert,
  • mittlere Windgeschwindigkeit (3,2 m/s),
  • mittlere Emissionsfaktoren für Pkw und Lkw für unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten. Hierzu wurden die fahrzeugspezifischen Emissionsfaktoren aus dem ‘Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs’ (Umweltbundesamt) unter Einbeziehung des Reifenabriebs mit der im Rahmen eines Meßprojektes an der Schildhornstraße ermittelten Zusammensetzung der Fahrzeugflotte gewichtet.

Die Pkw-Flotte setzt sich zu

  • 57 % aus Fahrzeugen mit gKat,
  • 17 % aus Fahrzeugen mit Dieselmotor,
  • 1 % aus Fahrzeugen mit 2-Takt-Motoren,
  • 25 % aus Fahrzeugen mit konventionellen Otto- Motoren

zusammen (Stand 1994).

Leichte Nutzfahrzeuge (< 3,5 t) wurden in der Gruppe der Pkw berücksichtigt.

Die Benzolbelastung wurde aus den Kohlenwasserstoffemissionen abgeleitet, wobei der Benzolanteil im Mittel ca. sechs Prozent beträgt. Die Rußbelastung wurde aus der Partikelemission berechnet. Hierbei wurde angenommen, daß 40 % der Partikelemission aus Ruß besteht.

Für die Screening-Rechnung wurde pauschal mit einem Stauanteil von zehn Prozent gerechnet.

Für die Darstellungen in Karte 03.10.9, Berechnete Immissionen Ist-Fall und Szenario 2010 Benzol und Dieselruß, wurden für das Hauptverkehsstraßennetz die Kfz-Belastungen durch Modellrechnungen ermittelt und eine eigene angenommene Fahrzeugflottenzusammensetzung berücksichtigt, die z.B. für das Jahr 2010 von einem 100 %-Anteil an PKW mit geregeltem Katalysator ausgeht.

Da ein derartiges Screening-Verfahren nicht alle lokal sehr unterschiedlichen Emissions- und Ausbreitungsbedingungen berücksichtigen kann, wurden zur Bewertung der Ergebnisse die folgenden drei Kategorien gebildet:

  • “grüner Bereich”: Prüfwert mit Sicherheit unterschritten,
  • “gelber Bereich”: Prüfwert möglicherweise überschritten,
  • “roter Bereich”: Prüfwert mit Sicherheit überschritten.

Straßenabschnitte, deren errechnete Konzentrationswerte im gelben oder roten Bereich liegen, wurden danach beurteilt, ob die Voraussetzungen der Screening-Rechnung erfüllt sind und ob sich im betroffenen Bereich Menschen nicht nur kurzzeitig aufhalten. Straßenabschnitte in denen sich langfristig keine Menschen aufhalten, z.B. einige Autobahnabschnitte, werden bei der weiteren Beurteilung nicht mehr berücksichtigt.

Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 2 bis 4 dargestellt und in der Tabelle 5 zusammengefaßt. Sie zeigen, daß Überschreitungen der ab Juli 1998 geltenden Konzentrationswerte der 23. BImSchV in vielen Straßenabschnitten zu erwarten sind. Insbesondere aufgrund der hohen Ruß-Konzentrationen müssen in Berlin in fast 20 % der Hauptverkehrsstraßenabschnitte, d.h. in über 500 Abschnitten, Überschreitungen befürchtet werden. In einigen dieser Straßenabschnitte wird seit April 1997 nach einer Prioritätenliste die Benzol- und Ruß-Konzentration gemessen.

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Tab. 5: Vergleich der errechneten Konzentrationen im Berliner Hauptverkehrsstraßennetz mit den Prüfwerten der 23. BImSchV (Gesamtlänge der Hauptverkehrsstraßen 1 145 km mit insgesamt 2 967 Straßenabschnitten)
Bild: Umweltatlas Berlin