Staubemissionen durch Lkw-Verkehr auf befestigten innerbetrieblichen Fahrwegen

Quelle: PantherMedia/ Craig Robinson

1 Einleitung

Die Ableitung von Rechenansätzen zur Beschreibung der diffusen Staubemissionen von befestigten Fahrwegen ist noch nicht allgemeingültig gelungen und weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen [1; 2]. Ent­sprechend einschränkend verweist die Richtlinie VDI 3790 Blatt 3 [3] auf die derzeit zu diesem Zweck häufig genutzte amerikanische Richtlinie AP-42 [4]:

„Dieser EPA-Ansatz zur Berechnung von Emissionsfaktoren für befestigte Fahrwege basiert für den Geltungsbereich dieser Richtlinie auf einem begrenzten Datenkollektiv, das zudem branchenspezifisch ermittelt wurde. Die Anwendung der EPA-Formel im industriellen Bereich sollte daher unter sorgfältiger Prüfung der Übertragbarkeit der Grundlagendaten der EPA auf den konkreten Einzelfall erfolgen.“

Das im Abschnitt 13.2.1 der Richtlinie AP-42 beschriebene Modell für befestigte Fahrwege erlaubt es, Emissionsfaktoren für Fahrzeugbewegungen in Form von Jahresmittelwerten abzuschätzen. In der Berechnung werden die durchschnittliche Masse der Fahrzeugflotte, die Verschmutzung der Oberfläche (Flächenbeladung) sowie die Anzahl von Tagen mit Niederschlägen berücksichtigt. Bei der Herleitung des Berechnungsansatzes verwendete die Environmental Protection Agency (EPA, US-amerikanische Um­weltbehörde) sowohl Daten aus Messreihen an öffentlichen Straßen mit niedriger Fahrzeugflottenmasse als auch an industriellen Fahrstrecken mit hoher Fahrzeugflottenmasse. Entsprechend breit ist die Verteilung der Fahrzeuggeschwindigkeiten von 1 bis 88 km h^-1. Auffällig ist jedoch, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit im Gegensatz zur mittleren Flottenmasse bei dem derzeitig gültigen Ansatz nach AP-42 keine Variable ist, obwohl sie in einigen Studien als signifikanter Faktor ermittelt wurde [5; 6].

Ein weiterer Kritikpunkt ist die große Spannweite der dem Berechnungsansatz zugrunde liegenden Flächenbeladungen während der Versuchsreihen. Im Jahr 2000 wies Venkatram auf die Tatsache hin, dass eine Schwankung von 0,03 bis 400 g m^-2 der Flächenbeladungen mit Schluff (sL) nicht einheitlich in eine Berechnungsvorschrift für Emissionsfaktoren einfließen sollte. Er ermittelte unterschied­liche Ansätze für schwach verschmutzte Oberflächen (sL ≤ 4 g m^-2) und stark verschmutzte Oberflächen [7]. Dies entspricht auch den Erkenntnissen aus der im Jahr 2003 für das Land Baden-Württemberg durchgeführten Studie von Pregger und Friedrich für öffentliche Verkehrswege [8]. Die aus der Bestimmung der Flächenbeladung sL von Fahrwegen resultierenden Schwankungen des berechneten Emissionsfaktors wurden auch in einer Studie von Düring et al. [9] für das Emissionskataster des Landes Sachsens im Jahr 2004 bestätigt.

Aufgrund der dargestellten Probleme und Einschränkungen der EPA-Berechnungsmethode wurde von der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN ein Richt­linienausschuss ins Leben gerufen, der mit der Erarbeitung der neuen Richtlinie VDI 3790 Blatt 4 über die diffusen Staubemissionen durch Fahrbewegungen im nicht öffentlichen Straßenverkehrssektor (innerbetriebliche Fahr­strecken) beauftragt wurde. Aufgrund der spezifischen Bedingungen im innerbetrieblichen Verkehr wird das Hauptaugenmerk auf Fahrzeugflotten mit hoher mittlerer Masse gelegt. Zielsetzung hierbei ist das Aufzeigen der Anwendungsgrenzen des derzeit genutzten Emissionsfaktorenmodells sowie die Vereinfachung und Vereinheit­lichung der künftigen Anwendung.

2 Historie der EPA-Formel

Die Dokumentation „Compilation of Air Pollutant Emissions Factors“ (AP-42) wird seit 1968 von der EPA erstellt und veröffentlicht. Die Staubemissionen durch Aufwirbelung von befestigten Fahrwegen („paved roads“) sind seit 1985 Bestandteil der Richtlinie AP-42. Seitdem wurde die Formel zur Berechnung der Staubemissionen von befestigten Fahrstrecken mehrfach modifiziert [10].

Von September 1985 bis Januar 1995 wurde in der Berechnung unterschieden zwischen städtischen und industriellen Straßen („Urban Paved Roads“ und „Industrial Paved Roads“). Die Berechnungsformel für die „Industrial Paved Roads“ berücksichtigte als Einflussgrößen für die Gesamtstaubemission die An­zahl der Fahrstreifen, die Staubbeladung der Oberfläche, den prozentualen Feinkornanteil s („silt content“) an der gesamten Staubbeladung L, die mittlere Flottenmasse sowie einen „Industrial Augmentation Factor“ (Verstärkungsfaktor im Ver­gleich zu „Ur­ban Paved Roads“). Ergänzend wurde für kleine Korngrößenklassen eine Formel angegeben, die nur die Flächenbeladung sL (Produkt aus Feinkornanteil und Staubbeladung) als ortsbezogene Einflussgröße berücksichtigte. Diese Flächenbeladung sL ist nach Definition der US-EPA der Anteil einer Probe des einen Verkehrsweg verschmutzenden Materials, der ein 200-mesh-Sieb passieren kann und somit eine Korngröße ≤ 74 μm (laut Richtlinie AP-42 ≤ 75 μm) aufweist [11]. Zur Bestimmung der Flächenbeladung sL wird in der Regel eine Teil­oberfläche des Fahrwegs abgesaugt und die aufgenommene Gesamtmasse mithilfe eines Siebverfahrens [12] fraktioniert.

Seit Januar 1995 wird nicht mehr zwischen „Urban Paved Roads“ und „Industrial Paved Roads“ unterschieden. Für beide Straßentypen wird eine einheitliche Formel mit den Variablen mittlere Flottenmasse und Flächenbeladung sL der Straßenoberfläche angegeben. Im Zeitraum von 2002 bis 2010 wurden die Parameter und Exponenten der Formel (bei gleichen Variablen) mehrmals angepasst. Eine Auswahl der Zwischenschritte zum heute gültigen Berechnungsansatz ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1. Entwicklung des Berechnungsansatzes. tn. sh. = US short ton

3 Herleitung der EPA-Formel

Die Entwicklung der Berechnungsformel durch die EPA erfolgte auf der Grundlage eines rein statistischen Ansatzes über eine Auswahl von Messwerten. Die Bandbreiten der aktuell zur Verfügung stehenden Daten können Tabelle 2 entnommen werden [10].

Tabelle 2. Bandbreite der zur Herleitung der Formel genutzten Daten.

Die verfügbaren Datensätze (insgesamt 103 Messdatensätze mit PM₁₀-Emissionsdaten) werden ohne Unterscheidung in öffentliche oder industrielle Fahrstrecke als Grundlage genommen. Von den gemessenen PM₁₀-Gesamtemissionen werden die Emissionen durch Motoren und Brems- bzw. Reifenabrieb abgezogen. Durch schrittweise lineare Regression werden die kritischen Einflussgrößen ermittelt. Nach EPA sind dies die Flächenbeladung sL, die mittlere Flottenmasse W und die mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit S. Von den ursprünglichen 103 Datensätzen enthielten 81 die Fahrzeuggeschwindigkeit als gemessenen Parameter.

Durch Korrelationsrechnung ermittelte die EPA, dass die Flächenbeladung sL die höchste Korrelation mit dem Emissionsfaktor (Korrelationskoeffizient R = 0,801) aufweist. Die Zusammenhänge zwischen Emissionsfaktor und Flottenmasse (R = 0,328) und Fahrgeschwindigkeit (R = -0,407) sind deutlich schwächer ausgeprägt.

Durch schrittweise multiple lineare Regressionsrechnung mit den potenziellen Einflussgrößen

• Flächenbeladung (sL),
• mittlere Flottenmasse (W) und
• mittlere Fahrgeschwindigkeit (S)

wurden die mathematisch-funktionalen Zusammenhänge ermittelt. Die Regressionsanalyse der EPA zur Ermittlung unabhängiger Variablen ergab, dass die Verwendung der Fahrgeschwindigkeit als unabhängige Variable zu nicht logischen Zusammenhängen (z. B. zunehmende Emission mit abnehmender mittleren Flottenmasse) führt und daher nicht als Einflussgröße infrage kommt. Daraufhin wurden verschiedene weitergehende statistische Prüfungen durch die EPA durchgeführt, um eine Gleichung zu erhalten, die einen hohen Korrelationskoeffizienten, einen geringen Stichprobenfehler und eine ausreichende Vorhersagegenauigkeit für die Datensätze gewährleistet.

Die derzeit gültige Gleichung enthält nur noch die Flächenbeladung sL und die mittlere Flottenmasse W als unabhängige Variablen. Die der Varianzanalyse (ANOVA) zugrunde liegenden Daten wurden dahingehend eingeschränkt, dass nur Datensätze mit einer Schluff-Flächenbeladung von sL < 20 g m^-2 berücksichtigt wurden. Weiterhin wurde ein Nulldurchgang erzwungen. Die Ergebnisse der Regres­sionsanalyse über Schluff-Flächenbeladungen und Fahrzeugmassen der noch in der Auswertung verbliebenen 83 Datensätze sind in Tabelle 3 dargestellt [10].

Tabelle 3. Ergebnisse der Regressionsanalyse zur derzeit gültigen AP-42-Formel.

Die Exponenten wurden mit 0,912 für sL und 1,021 für W ermittelt. Für PM₁₀ resultiert daraus Gl. (1). Dabei gilt zu beachten, dass das angloamerikanische Maßsystem zugrunde liegt und der Emissionsfaktor somit in Gramm pro gefahrener Meile (1,61 km) basierend auf der Masse in amerikanischen Kurztonnen (907,18 kg) ausgegeben wird.

E(PM₁₀) = sL^0,912 ⋅ W^1,021  (1)

Durch Ergänzung von Gl. (1) um einen Faktor k können auch Emissionsfaktoren für andere Staubfraktionen (PM_2.5, PM₁₅ und PM₃₀) berechnet werden. Zudem kann über den Faktor k eine Konvertierung der Emissionsfaktoren in Gramm pro gefahrenen Kilometer erfolgen.

Weiterhin wurde ein Faktor für Tage mit natürlichem Niederschlag eingeführt, über den die berechneten Emissionsfaktoren, basierend auf der prozentualen Anzahl von Tagen mit einer gewissen Niederschlagsmenge reduziert werden. Hieraus folgt die derzeit gültige Gl. (2) zur Berechnung von Staubemissionsfaktoren nach Richtlinie AP-42 [4].

mit

E: Emissionsfaktor (Einheit hängt von k ab)

k: von Partikelgrößen (und von der gewünschten

Einheit für E) abhängiger Faktor

sL: Schluff-Flächenbeladung (Korngröße ≤ 75 μm) des

befestigten Fahrwegs in g m^-2

W: Durchschnittsmasse der Fahrzeugflotte in t

(hier: US short ton, 1 tn. sh. = 907,18 kg)

P: Anzahl von Tagen mit mindestens 0,254 mm

Niederschlag während des Mittelungszeitraums

N: Anzahl der Tage im Mittelungszeitraum

Der partikelgrößenabhängige Faktor k wird entsprechend der Definition luftgetragener Partikel in Anlehnung an die 39. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV) [13] nach PM_2.5 und PM₁₀ sowie nach PM₁₅ und PM₃₀ unterschieden. Im Zusammenhang mit der Richtlinie AP-42 wird PM₃₀ auch als Schwebstaub (total suspended particles, TSP) bezeichnet [4]. Die Unterschiede in den Faktoren für die einzelnen Größenfraktionen stammen aus dem empirisch ermittelten Verhältnis der gemessenen Partikelgrößen zueinander. Würde der Emissionsfaktor für PM₁₀ in Gramm pro gefahrener Meile berechnet werden, so wäre k = 1. Für europäische Anwendungen wird k in „Gramm pro zurückgelegtem Kilometer“ (g VKT^-1) für die jeweilige Konvention nach Tabelle 4 gewählt.

Tabelle 4. Faktor k in g VKT-1.

 

In Bild 1 wird der lineare Zusammenhang zwischen aus den aus amerikanischen Messungen erwarteten Emissionsfaktoren für die reine Aufwirbelung von PM₁₀ ohne Motoremissionen und den mithilfe der AP-42-Formeln aus den Jahren 1983, 1995 und 2011 berechneten Emissionsfaktoren in Gramm pro gefahrenem Kilometer auf logarithmischen Achsen dargestellt.

Aus der Abbildung wird deutlich, dass die Übereinstimmung zwischen den aus den Originaldaten abgeleiteten Emissionsfaktoren für PM₁₀ mit den berechneten Werten je nach verwendeter Richtlinie durch die Anpassung der Formeln deutlich variiert. Der Korrelationskoeffizient für die derzeit gültige Formel liegt mit R = 0,57 am höchsten und in einem für derartige Berechnungen vertretbaren Bereich.

4 Anwendungsgrenzen der derzeit gültigen Formel

Im Rahmen der Erstellung der Richtlinie VDI 3790 Blatt 4 für diffuse Staubemissionen durch Fahrbewegungen auf innerbetrieblichen befestigten Fahrstrecken wurde geprüft, ob die derzeit gängige Praxis und damit die Berechnungsmethode nach Richtlinie AP-42 beibehalten werden sollte. Hierzu wurde diskutiert, ob und ab welcher Oberflächenbeladung ein befestigter Fahrweg hinsichtlich der Staubemissionen analog zu einem unbefestigten Fahrweg zu bewerten ist. Um dies darstellen zu können, wurden für einen optischen Vergleich 500,  1 000, 2 000 und 4 000 g einer Testmischung aus Sand und Kalkstein [6] auf einer Fläche von einem Quadratmeter ausgebracht (Bild 2).

Bereits bei einer Flächenbeladung von 500 g m^-2 mit der Testmischung ist die Fahrbahnoberfläche komplett be­deckt. Die Grenze 500 g m^-2 entspricht in etwa auch der Aufteilung der EPA-Datensätze in Schluff-Flächenbeladungen sL < 20 g m^-2 und sL ≥ 20 g m^-2, wie sie für die Berechnung der in Tabelle 3 dargestellten Koeffizienten vorgenommen wurde.

Somit wäre zu überprüfen, ob für die Anwendungsgrenzen des Berechnungsansatzes nach Richtlinie AP-42 eine Obergrenze der Flächenbeladung von 500 g m^-2 oder der Schluff-Flächenbeladung von 20 g m^-2 festzulegen ist und ob ab diesen Grenzen ein Wechsel der Berechnungsmethode von befestigten Fahrwegen zu unbefestigten Fahrwegen erfolgen sollte.

5 Vergleich des Berechnungsansatzes mit eigenen Messdaten

Zum Vergleich werden die Ergebnisse aus der Bestimmung der Emissionskenngrößen aus den eigenen Versuchsergebnissen den Berechnungen nach Richtlinie AP-42 (Stand 2011) in Tabelle 5 gegenübergestellt. Der Vergleich erfolgt für die für Geschwindigkeiten von 30 km h^-1 ermittelten Emissionswerte (vgl. [6; 14]). Diese Geschwindigkeit entspricht der mittleren Geschwindigkeit aus den Originaldatensätzen ohne Schnellstraßen (31,6 km h^-1).

Tabelle 5. Gegenüberstellung der Ergebnisse nach AP-42 (Original) und eigener Messdaten.

Die Größenordnung der Ergebnisse nach Richtlinie AP-42 (2011) und der eigenen Messungen ist vergleichbar. Für die in Europa relevanten PM_2.5– und PM₁₀-Emissionsfaktoren führt die Berechnung nach der AP-42-Formel zu einer Überschätzung der Emissionsfaktoren. Die Ergebnisse können aufgrund der wenigen vorliegenden Messdaten bisher jedoch nicht verallgemeinert werden.

6 Anpassung der Richtlinie AP-42-Formel auf europäische Verhältnisse

Die Werte für den partikelgrößenabhängigen Faktor k werden aus den EPA-Daten übernommen (Tabelle 4).

Die Exponenten bleiben ebenfalls unverändert. Der Faktor für die Durchschnittsmasse der Fahrzeugflotte wird durch Multiplikation mit 1,1 an die Nutzung von Mg (ein Megagramm entspricht einer metrischen Tonne) angepasst. Der Reduktionsfaktor der EPA-Formel für Tage mit Niederschlag bezieht sich auf einen Schwellenwert von 0,01 inch (0,254 mm) Niederschlag. Dieser Wert ist in Europa ungebräuchlich, da die frei zugänglichen Übersichten mit der Anzahl der Niederschlagstage für Schwellen von 1 mm Niederschlag vorliegen (z. B. [15]). Somit ist auch die Anpassung des Terms bezüglich der Tage mit natürlichem Niederschlag notwendig.

Die vorgenommene Anpassung der AP-42-Formel entspricht der durch das vormalige Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend (heute Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft) in Österreich ausgesprochenen Empfehlung [16].

7 Zusammenfassung

Die Überprüfung aller in die Berechnung diffuser Staubemissionen aus dem Fahrzeugverkehr auf befestigten, nicht öffentlichen Verkehrswegen eingehenden Parametern hat ergeben, dass der Berechnungsansatz nach der derzeit gültigen Richtlinie AP-42 auch für europäische Verhältnisse grundsätzlich nutzbar ist. Dabei wurden Hinweise auf sinnvolle Anwendungsgrenzen festgestellt, die in die neue Richtlinie VDI 3790 Blatt 4 einfließen werden. Eine Modifikation der Originalgleichung ist nur hinsichtlich der einzusetzen Einheiten notwendig.

Einen noch offenen Kritikpunkt stellt die Schwierigkeit der Bestimmung des Faktors sL dar. Die hierzu diskutierten Ansätze und Methoden werden in Teil 3 dieser Artikelreihe vorgestellt.

Literatur

1. Denby, B. R. et al.: A coupled road dust and surface moisture model to predict non-exhaust road traffic induced particle emissions (NORTRIP). Part 1: Road dust loading and suspen­sion modelling. Atmos. Environ. 77 (2013), S. 283-300.
2. Kauhaniemi, M. et al.: Comparison of the predictions of two road dust emission models with the measurements of a mobile van. Atmos. Chem. Phys. 14 (2014) Nr. 17, S. 9155-9169.
3. VDI 3790 Blatt 3: Emissionen von Gasen, Gerüchen und Stäuben aus diffusen Quellen; Lagerung, Umschlag und Transport von Schüttgütern. Berlin: Beuth 2010.
4. US EPA AP-42: fifth edition, chapter 13 – Miscellaneous Sources. Hrsg.: United States Environmental Protection Agency 2011.
5. Kühn, G.: Experimentelle Untersuchungen zur Entstehung und Ausbreitung von Staubfahnen hinter Kraftfahrzeugen. Dissertation, Technische Universität Hannover 2002.
6. Klenk, U.; Holst, H.: Staubemissionen durch Lkw-Verkehr auf befestigten innerbetrieblichen Fahrwegen – Teil 1: Messtech­nische Untersuchungen zur Anwendbarkeit der Richtlinie US EPA-AP42. Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft 75 (2015) Nr. 7/8, S. 303-310.
7. Venkatram, A.: A critique of empirical emission factor models: a case study of the AP-42 model for estimating PM₁₀ emis­sions from paved roads. Atmos. Environ. 34 (2000) Nr. 1, S. 1-11.
8. Pregger, T.; Friedrich, R.: Ermittlung der Feinstaubemissionen in Baden-Württemberg und Betrachtung möglicher Minderungsmaßnahmen. Schlussbericht BWPLUS-Projekt BWE20005. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER) – Universität Stuttgart 2003.
9. Düring, I. et al.: Berechnung der KFZ-bedingten Feinstaubemissionen infolge Aufwirbelung und Abrieb für das Emis­sionskataster Sachsen. Endbericht im Auftrag des Sächsischen Landesamts für Umwelt und Geologie. Dresden 2004. www.umwelt.sachsen.de/umwelt/download/luft/abschlussbericht _aufwirbelung_abrieb.pdf
10. US EPA: Emission Factor Documentation for AP-42, Section 13.2.1 – Paved Roads. Washington D. C. 2011.
11. US EPA: AP-42 Appendix C.2 – Procedures for laboratory analysis of surface/bulk dust loading samples. Washington D. C. 1995.
12. ASTM Standard C136-06: Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates. West Conshohocken: American Society for Testing and Materials 2006.
13. 39. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen vom 2. August 2010. BGBl. I, S. 1065, zul. geänd. durch Art. 87 der Verordnung vom 31. August 2015. BGBl. I, S. 1474.
14. Klenk, U.: Staubemissionen durch LKW-Verkehr auf befestigten Betriebsstraßen. LANUV-Fachberichte Bd. 45. Recklinghausen: Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen 2013.
15. Klima Deutschland – Klimadiagramme und Klimatabellen für Deutschland – wetter.de. www.wetter.de/klima/europa/deutschland-c49.html
16. Technische Grundlage zur Beurteilung diffuser Staubemissionen. Wien: Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend 2013. www.bmwfw.gv.at/Unternehmen/Gewerbe/Documents/Diffuse%20Staubemissionen.pdf