Umwälzzone oder Umweltzone: Sinn und Unsinn der Feinstaubmessung

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.

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.

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:

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.

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