Select Page

Umwälzzone oder Umweltzone: Sinn und Unsinn der Feinstaubmessung~7 Minuten Lesezeit

Umwälzzone oder Umweltzone: Sinn und Unsinn der Feinstaubmessung<span class="wtr-time-wrap after-title">~<span class="wtr-time-number">7</span> Minuten Lesezeit</span>

Dies ist ein Gastartikel von Paul Balzer. Er betreibt einen sehr empfehlenswerten Blog über Fahrzeugtechnik. Wenn auch Sie Interesse haben, hier einen Gastartikel zu veröffentlichen, dann schreiben Sie uns bitte. Alles Wissenswerte zum Thema Luftverschmutzung durch den Verkehr, Feinstaub, Luftreinhaltepläne und Umweltzonen finden Sie in unserem Dossier.

Aufgrund der oftmals schlechten Luftqualität und strikten Grenzwerten seitens der EU (siehe auch Umweltzonen in Deutschland – eine Einführung) führen deutsche Umweltzonen ein, welche Fahrzeuge mit roten oder gelben Plaketten aussperren.

Doch macht dieses Instrument eigentlich Sinn?

Feinstaubbelastung in Städten

Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI hat in den Jahren 2001 – 2003 die Belastung in den deutschen Städten Frankfurt, , und gemessen und miteinander verglichen. Die Partikelmasse (PM) ist ein Messwert für die Bestimmung der Luftqualität. Der gängige limitierte Wert ist , deren aerodynamischer Durchmesser weniger als 10 Mikrometer (10 µm) beträgt.

Feinstaubbelastung in Frankfurt Karlsruhe Mannheim Stuttgart PM 10

Feinstaubbelastung (PM10) zwischen 2001 und 2003 für die Städte FR=Frankfurt, KA=Karlsruhe, MA=Mannheim und S=Stuttgart. Rot gestrichelt=Grenzwert
Quelle: Vorlesung “Modellierung und Simulation” von Dr. Matthias Klingner, Fraunhofer IVI Dresden

Auffällig ist, dass die Belastungen und die damit verbundenen Grenzwertüberschreitungen in allen vier getesteten Städten ungefähr zur gleichen Zeit auftraten. Dies bedeutet, dass entweder unabhängig von der Stadt und dem Tag in allen Städten ungewöhnlich viele Fahrzeuge mit starken Feinstaubemissionen zur gleichen Zeit fuhren oder es eine gemeinsame Variable gibt, deren Auftreten sich in allen Städten zeitlich überlagert.

Klimadaten und Feinstaubbelastung

Das Wetter hat auf die Feinstaubbelastung eines Ortes einen größeren Einfluß, als man zunächst annehmen möchte. Je nach Windrichtung, Windstärke und Temperatur verbleiben die Staubteilchen am Emissionsort oder dessen unmittelbarer Umgebung oder sie gelangen an andere Orte. Im Winter kommt es zudem zu sogenannten austauscharmen „“, in denen der nicht aus einer Stadt heraustransportiert wird.

Dies lässt sich auch in folgendem Diagramm erkennen:

Feinstaubbleastung Korrelation zwischen Wetter und PM10-Belastung

Darstellung: Dunkelrot=niedrige Feinstaubbelastung und weiß=hohe Feinstaubbelastung für 730 Tage in 1/2h Ryhtmus gemeinsam mit relativer Luftfeuchte, Temperatur und Niederschlag.
Quelle: Vorlesung “Modellierung und Simulation” von Dr. Matthias Klingner, Fraunhofer IVI Dresden

Neben den Partikelwerten werden in den Messstationen auch Wetterdaten wie Luftdruck, Luftfeuchte, Temparatur, usw. erhoben. Die folgende Darstellung zeigt farblich die Feinstaubbelastung über 2 Jahre (horizontal) und in 1/2h-Auflösung (von oben nach unten), wobei dunkelrot eine geringe Belastung und weiß eine sehr starke Belastung darstellt.

Bezieht man die Klimadaten relative Luftfeuchte, Temperatur und Niederschlag in die mit ein, so lässt sich eine hohe Korrelation zwischen den Klimadaten und der Feinstaubbelastung erkennen. Durch die lange Beobachtungsdauer und die gute Auflösung (1/2h Rythmus) sind diese Daten valide und können für eine qualifizierte Bewertung verwendet werden.

Desweiteren ist auffällig, dass die Feinstaubbelastung sehr stark von der Temperatur abhängt. Erwärmt sich die Luft um ein paar Grad (beispielhaft Temperaturdifferenz zwischen 5 Uhr und 13 Uhr), so verändert sich die Feinstaubbelastung massiv (siehe nachfolgende Abbildung links). Eine stärkere Verkehrsbelastung an der Messstation konnte im gleichen Zeitraum jedoch nicht festgestellt werden (siehe Abbildung rechts).

PM10-Belastung Abhängigkeit Temperatur Tagesganglinien

Links: Gemittelte PM10-Tagesgänge (48 Halbstundenwerte) aller Tage mit entsprechender Temperatur (blau) sowie Temperaturdifferenz nach Klassenbildung (z.B. rot=5…7.5°C wärmere Tage als blau) sowie rechts: an den gleichen Tagen ermittelte durchschnittliche PKW-Verkehrsbelastung

Der Knick um die Mittagszeit lässt sich damit erklären, dass sowohl der horizontale als auch der vertikale Luftaustausch zu dieser Zeit am größten ist. Die Luft wird in den oberen Höhenlagen “gereinigt”. Wärme selbst verbessert die Feinstaubprobleme, im Sommer gibt es keine, da die Mischungsschichthöhe deutlich über der im Winter liegt. Ganz schlecht sind kalte Wintertage mit hoher Sonneneinstrahlung, wenig Luftbewegung und Inversionswetterlagen.

Fraunhofer Feinstaubmodell zur Vorhersage der Feinstaubbelastung

Bislang wissen Kommunen nur in den seltensten Fällen, wie sich die Feinstaubbelastung in einem 24-Stunden-Zeitraum entwickeln wird. Mit Hilfe einer Prognose wäre es möglich, mögliche grenzwertüberschreitungen frühzeitig zu erkennen und dynamisch zu reagieren. Denkbar wären beispielsweise Einfahrverbote für gewisse Fahrzeugtypen, den Schwerlastverkehr oder die Sperrung bestimmter Straßenabschnitte für den gesamten . Mit einem solchen Modell würden Fahrzeuge nicht wie heute üblich, generell ausgesperrt werden, sondern nur bei entsprechender Notwendigkeit.

Da die Modellierung der Gesamtsituation extrem Nichtlinear und auch teilweise die Zusammenhänge unbekannt sind, entschied sich das Fraunhofer dazu das Modell mittels Neuronaler Netzwerke abzubilden und mit den vorhandenen Messungen zu trainieren 1.

Die Zuverlässigkeit und Güte des Modells konnte durch folgenden Vorhersageverlauf nachgewiesen werden:

Vorhersage PM10 Belastung durch das Fraunhofer IVI

Vorhersage (grün) und tatsächlicher Feinstaubbelastungsverlauf (blau) des Fraunhofer Feinstaubmodells
Quelle: Klingner, M.; Sähn, E.: Prediction of PM10 concentration on the basis of high resolution weather forecasting. Meteorologische Zeitschrift, Volume 17, Number 3, June 2008, pp. 263-272

Verkehrsbelastung hat kaum Auswirkung auf Feinstaubbelastung

Das Modell bezieht Klimadaten mit ein und sagt die Feinstaubbelastung voraus. Es ist auffällig, dass die Anzahl der passierenden Fahrzeuge kaum relevant ist. Daher sind kurzfristige Maßnahmen, wie die Einführung einer , eher als sinnfrei anzusehen. Wenn man bedenkt, dass mittlerweile 1L/100km Kraftstoff benötigt wird um die Abgasnachbehandlung betreiben zu können, das Fahrzeuggewicht dementsprechend steigt, ist es umso fraglicher, ob wir da die richtigen Maßnahmen ergreifen. Herr Dr. Klingner, Institutsleiter der Fraunhofer IVI, formuliert es politisch korrekt mit:

[…] dabei das Verhältnis zwischen Aufwand und Wirkung bei der Umsetzung von Maßnahmen im Rahmen von Luftreinhalteplänen zu wahren […]

Was er damit vermutlich sagen möchte: Man sollte keine sinnlosen, kurzfristigen Aktionen starten, welche offensichtlich kaum/keine Wirkung haben. Das Aussperren von Fahrzeugen mit gelber oder roter Plakette hat mitunter keine Auswirkung (man berechnete eine Verringerung um 4% auf die Feinstaubbelastung) aber drangsaliert viele Gewerbetreibende und Besucher von Innenstädten. Sogar das vollständige Aussperren von allen Fahrzeugen ist ein Aktionsplan der genutzt wird.

Hauptverursacher des anthropogenen (vom Menschen verursachten) Anteils am Feinstaub in um 2001 (laut Bundesumweltministerium und ergänzender Quellen), Datengrundlage http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub

Durch die Umweltzone, welche ja trotzdem alle Fahrzeuge mit grüner Plakette passieren lässt, kann nur der 14% Anteil des 32% Anteils, also insgesamt nur knapp 5%, reduziert werden. Andere Zahlen aus anderen Quellen nennen ähnliche Größenordnungen für das Reduzierungspotential. Es wurde sich bewusst auf die Datengrundlage Wikipedia bezogen, da dort eine gewisse Unabhängigkeit gewahrt wird.

In der Studie “Möglichkeiten und Grenzen verkehrsbeschränkender Maßnahmen zur Einhaltung der zulässigen PM10-Tagesgrenzwerte in der Stadt Ulm”, welche von der IHK Ulm in Auftrag gegeben wurde, sank die Wahrscheinlichkeit die Grenzwerte an mehr als 35 Tagen im Jahr zu überschreiten von 99.9% (ohne Umweltzone) auf 99.8% (mit Umweltzone).

Fazit

Natürlich sind leisere, verkehrsberuhigte und/oder fußgängerfreundlichere Städte angenehmer. Aber darum soll es an dieser Stelle nicht gehen. Problematisch ist vor allem die Wahl unserer Maßnahmen und Werkzeuge. Mit viel (Verwaltungs)Aufwand werden Umweltzonen geschaffen, Fahrzeuge ausgesperrt und Kosten, beispielsweise für Partikelfilter, verursacht, ohne dass dies eine signifikante Auswirkung auf die Feinstaubbelastung und die Luftqualität in den Innenstädten hat. Das ist schade, denn man könnte das Engagement ja auch in eine sinnvolle Richtung bündeln.

Zusammenfassend kann man sagen:

Das Wetter bestimmt weitgehend die Feinstaubbelastung, weil es die Luft mehr oder weniger umwälzt.

Nicht der LKW und schon gar nicht der PKW.

Wie man hört waren die EU Kommissare nicht sehr interessiert an den Ergebnissen, denn sie würden das bisherige in Frage stellen. Zumindest wurde erreicht, dass die Grenzwerte für Jahresdurchschnittswerte wieder etwas gelockert wurden. Das Fraunhofer IVI ist seither allerdings nicht mehr mit der Modellierung solcher Sachverhalte betraut worden.

Vielen Dank an Elke Sähn vom Fraunhofer IVI für die wissenschaftliche Beratung zu diesem Artikel.

Verfasst von

Paul Balzer

Dipl.-Ing. (FH) Fahrzeugtechnik, arbeitete im Labor für Fahrzeugmechatronik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden und beschäftigte sich dort mit modellbasierter Softwareentwicklung (Fahrdynamikregelsysteme, Fahrerassistenzsysteme) und promoviert nun an der TU Dresden zum Thema Umfeldsensorik und Algorithmenentwicklung.

Hinterlasse einen Kommentar

Benachrichtige mich zu:
avatar
Bild(er) hinzufügen
 
 
 
Sortiert nach:   neuste | älteste | beste Bewertung
Florian Rasche
Gast

Aber das Feinstaubbelastungen zu einen relevanten Anteil vom Verkehr stammen ist unstrittig?
Schließe ich also richtig, dass es die lokale Begrenztheit der Umweltzonen ist, die unsinnig ist?

Interessant wäre jetzt, ob die Einführung von Umweltzonen dennoch deutschlandweit zu einer Reduktion des Feinstaubs führt, da eine relevante Anzahl Fahrzeuge mit Filtern ausgestattet werden.
Ob dafür der Verwaltungsaufwand von Umweltzonen gerechtfertigt ist, sei dahingestellt.

Anscheinend ist ja der Abrieb das größere Problem, und hier hilft vermutlich nur eine generelle Reduktion des Verkehrs.

Vielen Dank auf jeden Fall für die beiden informativen Artikel zum Thema!
Schöne Grüße
Florian

Steffen
Gast

Der Artikel zielt offensichtlich von Anfang an darauf ab, die Umweltzone als nutzlos darzustellen. Debei werden Erkenntnisse, die längst Konsenz sind weitgehend ignoriert. So ist Verkehr unbestritten eine wesentliche Quelle für die Feinstaubbelastung. Zudem werdem hier Zitate bewusst unvollständig wiedergegeben und unzulässige Schlüsse (die sich im zitierten Bericht nicht finden) gezogen. Dass allein in Deutschland jährlich mehrere Tausend Menschen an den Folgen der Feinstaubbelastung sterben, und daher selbst geringe Auswirkungen von Umweltzonen schon ein wichtiger Erfolg wären, bleibt ebenfalls unerwähnt.

Ein tendenziöser, wissenschaftlich äußerst fragwürdiger und insgesamt enttäuschender Beitrag.

Günther
Gast
Hallo Paul, ich hätte mir einen kritischeren Bericht gewünscht. Schade, dass du dich auf doch sehr alte Untersuchungen beziehst. Natürlich ist die bezeichnung „Umweltzone“ sehr irreführend. Inzwischen kriegen auch die neuen „umweltfreundlichen“ Benzin-Direkteinspritzer (blue-motion etc) die plakette obwohl sie das 10fache an Feinstaub eines Diesels auspesten. Zudem sind die Teilchen kleiner und damit gefährlicher. http://j.mp/UGrDxY oder auch http://j.mp/UGrBpN “Ein tendenziöser, wissenschaftlich äußerst fragwürdiger und insgesamt enttäuschender Beitrag.” Veraltet, muss man vielleicht noch hinzufügen. Aus deinem Beitrag „Wie man die Anzahl der Toten durch Feinstaubbelastung exakt ermittelt ist mir auch unklar.“ Du weißt, dass niemand die exakt ermitteln kann. Ebenso wenig, wie man im Einzelfall etwa eine Asbestose wissenschaftlich einwandfrei auf einen beruflichen Umgang mit Asbest zurückführen kann. Du weißt aber auch, dass es recht gute statistische Methoden und Modelle gibt, durch Feinstäube verursachte Mortalität, Hospitalität etc pp zu berechnen. Siehe z.B. Krüger, B. C., Schicker, I., Formayer, H., Moshammer, H. (2009): Feinstaub und Klimawandel – Gibt es Zusammenhänge in Nordostösterreich? (Endbericht StartClim2006. A,Juli 2007) http://j.mp/UGrBpS dort Kapitel A-4 Gesundheitliche Implikationen (PDF ab S.31). Dort heißt es u.a.: Der Einfluss von im Zeitverlauf wechselnden Luftschadstoffkonzentrationen auf akute Gesundheitseffekte der betroffenen Bevölkerung ist in der Zwischenzeit wissenschaftlich anerkannt und in Studien aus… Read more »
Günther
Gast
Man sollte bei Äußerungen aus dem Fraunhofer-Institut bedenken, dass dieses Institut die traditionell drittmittelstärkste Forschung in Deutschland betreibt. Ca 68% des Haushalts stammt aus Drittmitteln, knapp die Hälfte davon aus privaten Quellen (Industrie etc); siehe Antwort auf die Anfrage der GRÜNEN im Bundestag, Drucksache 17/3655. Vor diesem Hintergrund (Wes Brot ich fress, des Lied ich sing) sind die von Ihnen ausgeführten Äußerungen des Herrn Klinger zu gewichten. „Wenn man bedenkt, dass mittlerweile 1L/100km Kraftstoff benötigt wird um die Abgasnachbehandlung betreiben zu können, das Fahrzeuggewicht dementsprechend steigt, ist es umso fraglicher, ob wir da die richtigen Maßnahmen ergreifen. Herr Dr. Klingner, Institutsleiter der Fraunhofer IVI, formuliert es politisch korrekt mit: […] dabei das Verhältnis zwischen Aufwand und Wirkung bei der Umsetzung von Maßnahmen im Rahmen von Luftreinhalteplänen zu wahren […] Was er damit vermutlich sagen möchte: Man sollte keine sinnlosen, kurzfristigen Aktionen starten, welche offensichtlich kaum/keine Wirkung haben.“ So wird deutlich, weshalb selbst bei den von Ihnen als besonders gefährlich, weil besonders kleinteiligen, Feinstaubemissionen der Benzin-Einspritzmotoren kein Filter zum Schutz der Bevölkerung vorgeschrieben ist und das Auto trotzdem als umweltfreundlich gelten darf. Der Filter soll vergleichsweise lächerliche ca 50€ kosten. Das Problem sind nicht die Kosten: Der Filter wirkt negativ auf… Read more »
Martin Randelhoff
Webmaster
Hallo Günther, bei aller Kritik an der Fraunhofer Gesellschaft, sollte man nicht vergessen, dass es ja Sinn der Fraunhofer Institute ist, anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft durchzuführen. Fraunhofer ist an der Schnittstelle von Forschung und Wirtschaft und dass dieser Platz von dieser Gesellschaft eingenommen wurde, ist sicherlich nicht von Nachteil. Ich kenne auch einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die bei Fraunhofer Instituten arbeiten, die nach eindeutig klaren wissenschaftlichen Prinzipien und Grundsätzen arbeiten und nicht käuflich sind. Das ist auch nicht notwendig, da die Querfinanzierung im Fraunhofer Verbund und auch in den Instituten selber die Möglichkeit eröffnet, Aufträge auch abzulehnen. Da habe ich mehr Bedenken bei einigen Uniprofessoren, die stark von Drittmitteln abhängig sind. Ich glaube nicht, dass es sich hierbei um ein Gefälligkeitsgutachten von Seiten Klingers handelt. Das angesprochene Vorhersagemodell scheint durchaus Anwendung zu finden und die realen Feinstaubentwicklungen gut vorherzusagen. Wieso denn auch nicht? Wenn das Wetter durch Temperatur und Luftfeuchte einen Einfluss auf die Dichte der Luftschichten, die den Feinstaub transportieren, könnte es doch durchaus möglich sein, dass die Feinstaubbelastung stark durch das Wetter beeinflusst wird. Wieso denn auch nicht? Man kann natürlich darüber streiten, ob Umweltzonen nun sinnvoll sind oder nicht.… Read more »
Matthias
Gast
Eine Umweltzone hat auch Auswirkungen außerhalb des direkt betroffenen Gebietes und außerhalb des bloßen Einbaus von Filtern oder dem Ersatz von Fahrzeugen, die hier – und anderswo – weitgehend ignoriert werden. So verringern sich bei dem obigen Rechenbeispiel – abseits der 14% Dieselruß – auch Reifen- und Bremsenabrieb. Es sein denn, man unterstellt, dass jedes ausgeschlossene Fahrzeug sofort durch ein anderes mit grüner Plakette ersetzt wird. Desweiteren frage ich mich, ob der Emmisionsanteil in den Zentren von Großstädten (und um die geht es bei der Umweltzone) nicht deutlich anders aussieht als in der gezeigten Tortengraphik dargestellt: Die Anteile für Schüttgutumschlag, Landwirtschaft, Elektrizität, aber auch für Flug- und Schiffsverkehr dürften deutlich geringer sein, auch die Emmisionen der Privathaushalte sind möglicherweise geringer (diese stammen vor allem aus Heizungsanlagen, durch die geringere Wohnfläche pro Einwohner sinkt mit zunehmender Bevölkerungsdichte (und damit mit sinkendem Abstand zu Stadtzentren) die Emmisionsmenge pro Einwohner, während der Verkehr in Städten auch wesentlich durch Personen von weiter außen verursacht wird). Zudem kann sich durch die Einführung einer Umweltzone das Verkehrsverhalten verändern, und die positiven Effekte damit deutlich oberhalb der Reduktion innerhalb der Umweltzone liegen. Angenommen, jemand wohnt einige -zig Kilometer von einer Großstadt entfernt, arbeitet in deren Zentrum und… Read more »
Simon
Gast
Lieber Paul, ich möchte einmal Stellung beziehen und werde versuchen dabei wissenschaftlich korrekt und objektiv zu bleiben. Ob dein Artikel den Anspruch hat wissenschaftlich zu sein, war mir beim Lesen nicht ganz klar. Jeder der sich ernsthaft mit dem Thema beschäftigt, weiß dass die Konzentration von Staub sehr stark von meteorologischen Bedingungen abhängt. Das ist vor allem die Verdünnung durch frische Luft (Wind) und Regen. Temperatur und Luftfeuchte tragen auch geringfügig dazu bei, wobei natürlich diese zwei Faktoren von den ersten nicht zu trennen sind. Die Temperatur ist eher dafür verantwortlich das belastete Luft turbulent aufsteigt und frische Luft in Boden- und vor allem Atemhöhe nachzieht. Im Winter ist die Inversionswetterlage das gefährliche, da hast du Recht, da der Luftaustausch durch die oben liegende warme Luft zum Erliegen kommt. Obendrein sind hier durch die Temperatur die Aerosole (feste Partikel, die in der Luft gelöst sind) stabiler (das stellst du etwas anders da im Artikel). Die Umweltzone ist ein hoher Aufwand. Da die Beziehung zwischen der Belastung durch feine Stäube und negativen gesundheitlichen Folgen jedoch linear ist, sollte man meinen, dass sich jede Mühe lohnt. Zwei generelle Aspekte möchte ich zum Schluss noch erwähnen, da sie häufig vergessen werden. Feinstaub ist… Read more »
wpDiscuz
Leserbefragung 2017 Zukunft Mobilität ZM

Jetzt abonnieren!

Twitter

Auszeichnungen

Grimme Online Award Preisträger 2012

Zukunft Mobilität hat den Grimme Online Award 2012 in der Kategorie Information erhalten. Ich möchte mich bei all meinen Lesern für die Unterstützung bedanken!

PUNKT Preisträger 2012

Zukunft Mobilität hat den PUNKT 2012 der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) in der Kategorie "Multimedia" gewonnen.

Logo VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen

Der Verband Deutscher Verkehrsunternehmen e.V. (VDV) hat mich im Rahmen der VDV-Jahrestagung 2013 in Mainz als “Talent im ÖPNV” des Jahres 2013 ausgezeichnet. Der VDV vertritt rund 600 Unternehmen des Öffentlichen Personennahverkehrs, des Schienenpersonennahverkehrs, des Schienengüterverkehrs, der Personenfernverkehrs sowie Verbund- und Aufgabenträger-Organisationen.

Lizenz

Zukunft Mobilität Creative Commons

Die Inhalte dieses Artikels sind - soweit nicht anders angegeben - unter CC BY-SA 3.0 de lizensiert. Grafiken sind von dieser Lizenz aus Vereinfachungs- und Schutzgründen ausgenommen (Anwendung aufgrund der Verwendung von Grafiken / Bildern mit unterschiedlichen Lizenzen zu kompliziert) außer die CC-Lizenz ist ausdrücklich genannt.

Weitere Informationen
Share This