"Umweltzone" von flickr.com von Mika Meskanen

Umwälzzone oder Umweltzone: Sinn und Unsinn der Feinstaubmessung

by Paul Balzer on 10. November 2012

3 Comments

Die EU Luftqualitäts-Rahmenrichtlinie (Richtlinie 96/62/EG des Rates über die Beurteilung und die Kontrolle der Luftqualität sowie Tochterrichtlinie) regelt verbindlich für alle Staaten die Grenzwerte für Luftqualität und schädliche Stoffe in der Luft. Die Kommunen sind gezwungen einen Maßnahmenplan zu ergreifen um die Grenzwerte einzuhalten. Dazu gehören nun die Luftreinhaltungsmaßnahme „Umweltzone“, welche Fahrzeugen die Einfahrt in die Innenstadt verweigert, die hohe Partikelemissionen (v.a. Diesel und in Zukunft auch Otto-Motoren) aufweisen. Der Messwert dazu ist PM (Partikelmasse). Der gängige limitierte Wert ist PM10, deren aerodynamischer Durchmesser weniger als 10 Mikrometer (10 µm) beträgt.

Überschreiten die Städte den EU-Grenzwert sind Strafzahlungen vom Bund fällig. Somit führen die Städte Umweltzonen ein, welche Fahrzeuge mit roten oder gelben Plaketten aussperren. Weiter Informationen sind im Zukunft-Mobilität Blog zu finden.

Doch macht das Sinn?

Feinstaubbelastung in Städten

Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI hat die PM10 Belastung zwischen 2001 und 2003 in den deutschen Städten Frankfurt, Karlsruhe, Mannheim und Stuttgart gemessen.

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 war, dass die Grenzwertüberschreitung in allen vier 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 fahren oder es gibt eine gemeinsame Variable, deren Auftreten sich in allen Städten zeitlich überlagert.

Klimadaten und Feinstaubbelastung

Neben den Partikelwerten werden in den Messstationen ebenfalls Klimadaten 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.

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

Bezieht man die Klimadaten relative Luftfeuchte, Temperatur und Niederschlag in die Analyse 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).

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

Das Fraunhofer IVI beschäftigte die Frage: Wie müsste ein Vorhersagemodell für die Feinstaubbelastung aussehen, um Städten vorab sagen zu können, wann die Belastung einen kritischen Wert erreicht und welche Maßnahmen gestartet werden müssen, um die Grenzwertüberschreitung eventuell noch verhindern zu können. Denn eine Überschreitung ist für die Kommunen teuer.

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 [siehe Klingner, Matthias; Sähn, Elke – Prediction of PM10 concentration on the basis of high resolution weather forecasting].

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

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 Umweltzone, 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 Deutschland 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.

Der Artikel entstand in Zusammenarbeit mit dem Zukunft-Mobilität Blog in welchem weiterführend Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität aufgeführt werden.

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

3 Comments

  1. Sorry, aber die Schlüsse sind aufgrund gravierender methodischer Fehler mist.
    Richtig ist, dass das Wetter einen erheblichen Einfluss auf die Feinstaubbelastung hat. Aber bei den kritischen Inversionslagen können sich nur Feinstäube etc. ansammeln wenn auch welche Emmitiert werden. Wird weniger Emittiert, kann sich weniger ansammeln – allerdings können natürlich trotzdem Wetterbedingt Grenzwerte überschritten werden. Wobei die Grenzwerte auch nur eine Annäherung sind – weniger Feinstaub ist besser, unabhängig vom absoluten Pegel.

    Die Betrachtung der Durchschnittswerte für die Emissionen ist sinnfrei, da die verschiedenen Emissionsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind. Richtig ist das bei anderen Feinstaubquellen teils zu wenig getan wird.

    Falsch ist das nur 5% reduziert werden können:
    Die 14% Dieselruß beziehen sich nicht auf den Verkehrsanteil, sondern auf den Gesamtanteil.

    Die Wikipedia als „Datengrundlage“ zu sehen und ihr dazu noch eine „gewissen Unabhängigkeit“ zu unterstellen, gewöhn dir besser ganz schnell ab bevor ein Prof es dir um die Ohren haut: Wikipedia ist keine Datengrundlage, sondern basiert immer auf anderen Quellen, und ist auch nicht Unabhängig sondern von jeder Interessensgruppe manipulierbar. Wobei es in der Praxis tatsächlich großartig funktioniert, für seriöse wissenschaftliche Argumentation muss man sich aber die zitierten Quellen anschauen und prüfen.

    In Berlin wurde nach einführung der Umweltzone ein Rückgang von PM10 von 10% gemessen, also 200% des deiner Ausführungen nach möglichen Reduktion wären erreicht. Und das, obwohl es Ausnahmen gibt und fast keine Kontrollen (wobei da Berlin vergleichsweise fleißig ist), daher mancher wohl lieber die Strafen (derzeit 40€, wird gerade versucht anzuheben) zahlt als die Umrüstung.

    Wichtiger sind aber die feinsten Feinstäube PM2,5: Diese sind Gesundheitlich noch bedenklicher, da sie tiefer in den Körper eindringen. In Berlin wurde mit der Umweltzone ein Rückgang von 58% [1] gemessen, also ein erheblicher Gesundheitsnutzen erreicht. Für die PM10-Grenzwerteinhaltung ist die Wirksamkeit der Maßnahme natürlich beschränkt, allerdings ist der gesundheitliche Nutzen sehr hoch. Schöner wäre natürlich, wenn wir PM2,5 Grenz- und flächendeckende Messwerte hätten und diese Problematik damit detailierter Betrachten könnten.

    Für mich als Radfahrer ist die in Würzburg durchgeführte Nachrüstung der Busse super: Ein Bus der Anfährt führt nur zu nem kleinen Anstieg in der Messstation, hüllte mich aber in eine Rußwolke, die ich dank körperlicher Aktivität besonders tief inhalierte.

    [1] http://www.duh.de/pressemitteilung.html?&tx_ttnewstt_news=2788

    1. Hallo Jan,
      falls du der Meinung bist, dass Fraunhofer methodische Fehler macht und „Mist“ veröffentlicht, dann bitte auch einen Artikel/Paper in einem Peer-Reviewed Magazin veröffentlichen, wo du die ganzen Fehler darlegst und deine eigene „wissenschaftliche Erkenntnis“ veröffentlichst.
      Allein, dass du die Tonnen Feinstaub, wie sie in der Wikipedia stehen, nicht in % zusammenrechnen kannst und behauptest meine Grafik wäre falsch, zeigt mir aber, dass auch auf deiner Seite etwas Nachholebedarf ist.
      Falls du eine bessere Quelle für anthropologische Feinstaubquellen hast, würde ich mich über einen Verweis freuen, aber so kann ich mit der Kritik nichts anfangen. Mein Blog ist keine wissenschaftliche Fachzeitschrift, sondern mein privater Blog. Da darf ich die Wikipedia als Quelle wählen.

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