Dieselmotoremission

Der Dieselmotor ist aufgrund seines im Vergleich zum Ottomotor prinzipbedingt höheren Wirkungsgrades ein Antriebskonzept, das sich zunehmender Beliebtheit erfreut. Der Anteil des Dieselantriebs im Pkw-Bereich hat seit Beginn der 90er Jahre von rund 10 % auf ca. 25 % zugenommen (Herzner und Christ 2001). In Deutschland wird mittlerweile jeder dritte Neuwagen mit einem Dieselmotor geliefert. In der deutschen Automobilindustrie gilt jetzt eine Einbaurate von 40 % als Nahziel. Länder wie Spanien (48 % Marktanteil), Frankreich (52 %) oder Österreich (64 %) können als Vorbild gelten (Herr, 2002). Nach der Berechnungen des Länderausschusses für Immissionsschutz (LAI, 1991) sind die PAK neben Dieselrußpartikeln die wichtigsten Kanzerogene in der Luft.

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Die Zusammensetzung der Motorabgase unterscheidet sich nach Motortyp (Ottomotor, Dieselmotor) und Fahrmodus sowie Kraftstoff und Kraftstoffqualität.

Sowohl Otto- als auch Dieselmotoren emittieren beim Betrieb Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NOx), organische Verbindungen (CH) und abhängig vom Schwefelgehalt des Treibstoffs Schwefeldioxid (SO2). Die Komponente CH ist ein Gemisch aus mehreren hundert Stoffen.

Während der unvollständigen Verbrennung des Dieselkraftstoffes kommt es zu zunehmender Dehydrierung von Kohlenwasserstoff-Molekühlen in Stufen bis zu Acetylen (C2H2), aus dem durch Pyrolyse über freie Radikale PAK gebildet werden (El-Gamal, Warnatz, 1995). Von lufthygienischem Interesse sind insbesondere Aromaten, wie Benzol, Toluol, Xylol, und PAK. Dieselruß besteht aus einem unlöslichen Kohlenstoffkern, an den anorganische und organische Verbindungen (u.a.

PAK) adsorbiert sind. Dieselruß liegt etwa in einem Größenbereich zwischen 10 nm und 2 µm. Das Maximum der Größenverteilung liegt bei 0,1 µm, also im ultrafeinen Bereich (Mollenhauer 2002). Die an Dieselruß adsorbierte organische kohlenstoffhaltige Fraktion ist vorwiegend aus höher molekularen Stoffen zusammengesetzt, insbesondere PAK. Wenn PAK freigesetzt werden, können sie mit dem OH-Radikal schnell, mit O3, NOx und anderen Oxidantien in der Atmosphäre langsam zu PAK-, NPAK-Oxidationsprodukten und möglicherweise auch aromatischen Polycarbonsäuren reagieren.

Bild 2-7 gibt die Entwicklung der verkehrsbezogenen Kohlenwasserstoffemissionen in Berlin seit Beginn der 80er Jahre sowie eine Schätzung für das Jahr 2000. Die weit reichende Neugestaltung der Berechnungsmethodik in 1994 lässt Vergleiche mit vorhergehenden Emissionserhebungen auf der Grundlage einer wesentlich einfacheren Methode allerdings nur sehr eingeschränkt zu. Die Emissionsangaben für das Jahr 1989 zeigen Kohlenwasserstoffemissionen im Ostteil der Stadt, die trotz der nur halb so hohen Bevölkerungszahl und der geringeren Zahl von Kraftfahrzeugen fast genauso hoch waren wie im Westteil. Ursache hierfür sind die hohen Kohlenwasserstoffemissionen der bis 1989 in Ost-Berlin fast ausschließlich genutzten Zweitaktfahrzeuge und die Qualität der Kraftstoffe. Von 1989 bis 1996 haben die Kohlenwasserstoffemissionen um rund 30 % abgenommen. Diese Entwicklung ist auf die Umstrukturierungen der Fahrzeugflotte im Ostteil der Stadt, die allgemeinen technischen Verbesserungen der Motoren einschließlich der weiten Verbreitung des Abgaskatalysators für Pkw und die verbesserten Kraftstoffqualitäten zurückzuführen (Bake et al., 1998).

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Derzeit emittieren Dieselfahrzeuge insgesamt ca 25,84 kt Partikel, davon entfallen 8,38 kt auf Diesel-Pkw und 17,46 kt auf Lkw. Die Berechnungen des Umweltbundesamtes zeigen, dass spätestens 2010 die Partikelemissionen aus Pkws höher als die der Lkw sein werden, sofern keine weiteren strengeren Grenzwerte beschlossen werden. Ohne Regelung werden aufgrund eines steigenden Anteils der Diesel-Pkw an der Fahrleistung auf 34% der gesamten Pkw-Fahrleistung ab 2010 die Partikelemissionen der Pkws wieder zunehmen.

Außer dem Motor, sind die wesentlichen Emissionsquellen von Kraftfahrzeugen die Tankentlüftung und das Fahrwerk (Reifen und Bremsen). Vom Abrieb der Reifen (Pkw: ca. 0,03 - 0,01 g/km; Lkw: ca. 0,1 - 0,8 g/km) sind die Inhaltsstoffe Ruß und Zink und ggf. Cadmium von lufthygienischem Interesse. Beim Bremsen und Kuppeln werden von älteren Reibbelägen Asbestfasern freigesetzt. Zur Zeit sind Brems- und Kupplungsbeläge ohne Verwendung von Asbest hergestellt. Die davon ausgehenden Emissionen sind jedoch hinsichtlich des Gehaltes an toxischen Elementen wie Blei, Antimon unter Wirkungsaspekten weiter zu beobachten. Die Kraftstoffemissionen durch Tankatmung und Verdunstung aus dem Vergaser betragen auch bei konventionellen Pkw mit Ottomotor ohne Abgasreinigung im Tagesdurchschnitt etwa 20 g/Kfz (Rabl, 2001).

In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen zur Erforschung der biotoxischen Wirkung von Dieselabgasen unternommen. Dieselabgase induzieren Tumoren im Tierversuch (Leiter und Shear, 1942) und neben den bekannten karzinogenen PAK, wie BaP wurden auch andere bis jetzt nicht identifizierte karzinogene Substanzen

Bild 2-7: Kohlenwasserstoff-Emissionen des

Kraftfahrzeugverkehrs in Berlin (Tonnen pro Jahr)

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sowie die im Abgas auftretenden Rußpartikel selbst für die Krebsentstehung in den Versuchstieren verantwortlich gemacht (Schmeiser et al., 2003).

Dieselmotoremissionen sind als krebserzeugend in die Gefährdungsgruppe II (stark gefährdend) ohne Konzentrationsangabe mit dem Einstufungsmerkmal III A2 gemäß eines Berichtes der internationalen Krebsforschungsagentur IARC (International Agency for Research on Cancer) eingestuft. Sie haben sich in Tierversuchen als eindeutig krebserzeugend erwiesen (Pott und Heinrich, 1987).

Nachdem sich vor über zwei Jahrzehnten Dieselrußextrakte im Bakterientest als mutagen herausgestellt hatten, wurde in den Vereinigten Staaten ab 1982 die Partikelemission von Dieselfahrzeugen begrenzt. In Europa wurde die erste Begrenzung im Jahr 1988 eingeführt. Danach folgten in der EU-Abgasgesetzgebung mit Euro 1-5 weitere Limitierungen. Zur Höhe der 2001 in Kraft getretenen Euro 3-Grenzwerte ist auszuführen, dass bei der Einführung von Euro 2 im Jahr 1997 bereits ein erheblicher Teil der Pkws mit Ottomotor die schärferen Grenzwerte Euro 3 und 4 unterschritt. Bei Diesel-Pkws, die bisher ohne Abgasnachbehandlung betrieben werden dürfen, ist dieser Anteil erheblich geringer. Mit dem Euro 4-Grenzwert werden sich die Emissionsfaktoren für Pkws mit Ottomotor bezogen auf das Jahr 1987 um 89 % für Kohlenmonoxid und um 96 % sowohl für Kohlenwasserstoffe als auch für die Stickstoffoxide reduzieren. Für Diesel-Pkws betragen die erwarteten Minderungsraten für Kohlenmonoxid 82 %, für Stickstoffoxide 74 %, für Kohlenwasserstoffe und Dieselrußpartikel jeweils 89 % (SRU 2000, UBA 2000a).

Die Staubkonzentrationen im Abgas neuerer Selbstzündungsmotoren liegen zwischen etwa 15 mg/m³ und 200 mg/m³. Bei schlecht eingestellten Motoren wurden auch Einzelwerte bis knapp unter 1 g/m³ gemessen. In Abhängigkeit der Motoreinstellung bzw. der Gesamtstaubkonzentration schwankt der Rußanteil am Gesamtstaub zwischen etwa 60 % bei sehr niedrigen Gesamtstaubkonzentrationen und über 95 % bei sehr hohen Gesamtstaubkonzentrationen (Laab et al., 2001).

Der motorisierte Straßenverkehr weist in seinen Verbrennungsabgasen zahlreiche Komponenten bzw. Komponentengemische auf. Dieselfahrzeuge legen zwar gegenüber Ottofahrzeugen 20 − 40% mehr Wegstrecke pro Kraftstoffeinheit zurück, weisen jedoch einen höheren Partikelausstoß auf. Die Abgase von Kraftfahrzeugen stellen ebenso eine signifikante PAK−Quelle dar. Tabelle 2-6 zeigt die Gehalte der PAK und NPAK in Rußpartikeln von Dieselabgas. Die Aufmerksamkeit richtet sich immer mehr auf diese Verbindungen, da sie im Verdacht kanzerogener und mutagener Wirkung stehen.

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Tabelle 2-6: Gehalte der PAK und NPAK in Rußpartikeln von Dieselabgas (U.S. EPA, 2002) PAK Gehalte (µg/g) NPAK Gehalte (µg/g)

PHE 2186 - 4883 2-Nitroanthracen 4,4 ANT 155 - 356 7-Nitrofluoranthen 0,7

Fluo 3399 – 7321 3-Nitrofluoranthen 4,4

PYR 3532 – 8002 1-Nitropyren 18,9

BaA 463 – 1076 6-Nitrobeno(a)pyren 2,5 CHR ^* 657 - 1529 1,3-Dinitropyren 0,3 BbF 421 – 1090 1,8-Dinitropyren 0,53 BkF 91 – 289 3-Nitrobenzanthron 0,6 – 6,6 BeP 487 - 946

BaP 208 – 558 DBahA 50 - 96

IND 30 - 93

BghiP 443 - 1050

* : inklusive Triphenylen

Die PAK−Emissionen von ungereinigten Ottomotoren sind mit den Emissionen des Dieselmotors vergleichbar. Die Emissionen von Ottomotoren mit einem Dreiwege−

Abgaskatalysator hingegen liegen deutlich niedriger. In Autoabgasen wurden 59 verschiedene PAK nachgewiesen (Zander, 1995), in Stadtluft waren es über 100 PAK (Lee et al., 1976). 1NPYR ist überwiegende partikelgebunden, als Konzentration wurde 7 bis 165 µg/g analysiert (Levson, 1988).

Die Konzentration von elementarem Kohlenstoff (EC) liegt an den Berliner Hintergrundstationen ohne direkten Verkehrseinfluss im Jahresmittel zwischen 2 und 3 µg/m³. EC wird im Schwebstaub stellvertretend für Dieselruß gemessen, stammt aber auch aus anderen Verbrennungsprozessen, von denen der Hausbrand die wichtigste Quelle darstellt. Lambrecht et al. (1999) gibt theoretisch ein

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Minderungspotential durch Partikelfilter in Dieselfahrzeugen an, von 3 µg/m³ PM2.5. Es wurden Szenarien vorgestellt, nach denen das reale Einsparpotential bei der Partikelkonzentration (Ruß) durch Partikelfilter bei 92 – 95 % des maximalen Potentials liegt. Daher wird vereinfachend mit einem Minderungspotential von 3 µg/m³ PM2.5 gerechnet.