Projekt 07352/01

Untersuchungen der Lachgasemissionen von Kraftfahrzeugen – Umwelteinfluß und Minderungsmaßnahmen –

Projektdurchführung

Bergische Universität - Gesamthochschule WuppertalPhysikalische Chemie - FB 9
Gaußstr. 20
42119 Wuppertal

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

N2O ist ein wichtiges atmosphärisches Spurengas, dessen Kreislauf bisher nur ungenügend verstanden ist. Insbesondere sind die N2O-Emissionsraten von Kraftfahrzeugen mit großen Unsicherheiten behaftet. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Langzeit-N2O-Immissionsmessungen in einem Kraftfahrzeugtunnel durchgeführt. Mit Hilfe dieser Messungen sollte das Emissionsverhalten einer großen Zahl verschiedener Kraftfahrzeuge über einen längeren Zeitraum erfasst und dann durch Extrapolation der Messergebnisse, der Einfluss von Kraftfahrzeugen auf den globalen N2O-Kreislauf abgeleitet werden.
Die Ziele des Forschungsprojektes waren im einzelnen:
1. Verbesserung eines bereits im Feld erprobten Probenahmesystems und Anpassung an einen WLD/ECD-Gaschromatographen zur Durchführung von Echtzeitmessungen.
2. Automatisierung des Probenahme- und des Analysesystems.
3. Durchführung von Langzeit-N2O-Immissionsmessungen im Wuppertaler Kiesbergtunnel mit Hilfe des automatisierten Probenahme- und Analysesystems, um das Emissionsverhalten einer großen Zahl verschiedener Kraftfahrzeuge über einen längeren Zeitraum zu erfassen. Die bisherigen Emissionswerte von Automobilen sind noch sehr unvollständig und wurden zumeist nur durch die Untersuchung einzelner Fahrzeuge erhalten.
4. Extrapolation der Messergebnisse und Bewertung des Einflusses von Kraftfahrzeugen auf den globalen N2O-Kreislauf.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZusammen mit der Firma Airmotec, Essen, wurde ein Meßsystem bestehend aus einem Gaschromatographen mit ECD und TCD und einem Probenahmesystem aufgebaut, das für den kontinuierlichen automatischen Betrieb geeignet ist. Das Meßsystem wurde im Labor eingehend getestet. Parallel zu den Laborarbeiten wurden im Kiesbergtunnel in Wuppertal, in dem die Messungen durchgeführt wurden, Vorbereitungen für die Online-Messungen getroffen. Neben dem Betrieb des Gaschromatographen wurde eine spezielle Verkehrserfassung durchgeführt, um einen Bezug der N2O-Emissionswerte zum Kraftfahrzeugverkehr zu erhalten.


Ergebnisse und Diskussion

Die Langzeitmessungen wurden im Wuppertaler Kiesbergtunnel durchgeführt. Dieser Kraftfahrzeugtunnel verbindet das Stadtzentrum Wuppertal-Elberfeld mit der nach Düsseldorf führenden Autobahn A46. Er ist 1,1 km lang und verläuft in Ost-West-Richtung. Die beiden Fahrröhren sind übereinander angeordnet. Als Messstandort wurde in der unteren stadteinwärts führenden Röhre ein unbenutzter Sicherungskasten ausgewählt. Dieser befindet sich ca. 200 m vor dem Tunnelausgang, wodurch man davon ausgehen kann, dass die untersuchten Luftmassen homogen durchmischt sind. Außerdem kann man annehmen, dass sich die Fahrzeuge überwiegend in einem warmen Betriebszustand befinden, da sie kurz vor Verlassen des Tunnels bereits mehrere Kilometer auf der Autobahn zurückgelegt haben. Die Belüftung des Tunnels wird praktisch ausschließlich durch die den Tunnel passierenden Fahrzeuge hervorgerufen. Eine zusätzliche Belüftung mit Ventilatoren wird nur in Ausnahmefällen bei großen CO-Mischungsverhältnissen in der Tunnelluft eingeschaltet.
Um die gemessenen N2O-Mischungsverhältnisse auf den Kraftfahrzeugverkehr beziehen zu können, wurden ebenfalls die CO2-Mischungsverhältnisse im Tunnel erfasst. Nimmt man an, dass die Erhöhung der Mischungsverhältnisse von CO2 und N2O in der Tunnelluft gegenüber der Außenluft proportional zur Emissionsstärke der betrachteten Komponente ist, kann daraus letztlich das Emissionsverhältnis von N2O zu CO2 bestimmt werden.
An den Werktagen ist die Verkehrsverteilung im Tunnel stark vom Berufsverkehr geprägt mit einem hohen Verkehrsaufkommen am Morgen und einer zweiten Verkehrsspitze am Nachmittag. Die Gesamtzahl der Fahrzeuge ist an Werktagen mit 13317 ± 272 sehr konstant. Am Wochenende werden dagegen nur zwischen 8500 und 7000 Fahrzeuge pro Tag gezählt.
Das aus den Langzeitmessungen erhaltene Emissionsverhältnis N2O/CO2 beträgt im Mittel (6,1±1,2)´10-5.
Legt man das in der vorliegenden Arbeit bestimmte N2O-Emissionsverhältnis als Mittelwert für die Fahrzeugflotte der Bundesrepublik zu Grunde, dann kann bei Kenntnis des jährlichen Kraftstoffverbrauchs in der Bundesrepublik die durch den Fahrzeugverkehr emittierte N2O-Menge abgeschätzt werden. Für die Bundesrepublik erhält man im Jahr 1996 eine durch den Kraftfahrzeugverkehr bedingte jährliche N2O-Emission von ca. 11.000 t. Extrapoliert man die Ergebnisse auf den globalen Kraftstoffverbrauch, der 1995 bei ca. 964 Mt lag, so ergibt sich eine globale N2O-Emission durch den Kraftfahrzeugverkehr von (180.000 ± 60.000) t/Jahr.
Geht man von einer jährlichen Zunahme der atmosphärischen N2O-Konzentration von ca. 4,7 Mio. t aus, dann trägt der Autoverkehr global ca. 2-6 % zum beobachteten N2O-Anstieg in der Atmosphäre bei. Unter Berücksichtigung des relativen Treibhauspotentials von N2O, leistet das durch den Fahrzeugverkehr emittierte N2O einen Beitrag zur globalen Erwärmung, der ca. 1-3 % des Treibhauspotentials des von Fahrzeugen emittierten CO2 entspricht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Ergebnisse dieses Projektes wurden auf dem 7th International Workshop on Nitrous Oxide Emissions in Köln im April 1997 präsentiert. Ein Manuskript mit den Ergebnissen wurde bei der internationalen Zeitschrift Science zur Veröffentlichung eingereicht.


Fazit

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Langzeit-N2O-Immissionsmessungen im Wuppertaler Kiesbergtunnel durchgeführt. Es wurde ein kompaktes Probenahme- und Analysesystem zur vollautomatischen Messung von N2O und CO2 entwickelt und an die in einem Kraftfahrzeugtunnel herrschenden experimentellen Bedingungen angepasst. Die Langzeitmessungen zeigen eine deutliche Variation der N2O- und CO2-Konzentration mit der Zahl der den Tunnel passierenden Fahrzeuge.
Das aus den Daten der Langzeitmessungen berechnete Emissionsverhältnis stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit gut mit neueren Untersuchungen auf Rollenprüfständen überein.
Abschätzungen mit Hilfe des im Rahmen des Projektes bestimmten Emissionsverhältnisses ergeben, dass der Einfluss des Autoverkehrs auf den globalen N2O-Kreislauf geringer ist als in älteren Arbeiten abgeschätzt worden war. Insbesondere scheint der Beitrag von Fahrzeugen mit Katalysator zum N2O-Budget überschätzt worden zu sein, da sich der Anteil der Fahrzeuge mit Katalysator in den vergangenen 5 Jahren von 20% auf ca. 80% erhöht hat, ohne dass eine signifikante Veränderung des Emissionsverhältnisses EVN2O beobachtet worden ist.