Abgasmessung im fliessenden Verkehr
Lasergestützte Messeinrichtungen entlang von Strassen haben das Potenzial, den Abgasausstoss jedes einzelnen Fahrzeugs im fliessenden Verkehr zuverlässig zu bestimmen. Dadurch können Emissionssünder ermittelt und Emissionsprofile für Fahrzeugklassen und -modelle erstellt werden. So das Fazit der Empa.
Die Abgasemissionen des Strassenverkehrs sind eine globale Herausforderung. So ist es folgerichtig, dass sich auch die Internationale Energieagentur (IEA) diesem Thema widmet. Die IEA unterhält mehrere Dutzend Forschungsprogramme, sogenannte Technology Collaboration Programmes. In einem davon befassen sich Expertinnen und Experten aus 14 Staaten mit einer Reihe von Fragestellungen rund um nachhaltigen Transport befassen.
Eine Forschungsgruppe geht der Frage nach, ob sich Abgasemissionen von Personen- und Lastwagen mit Messstationen entlang der Strassen zuverlässig erheben lassen. Die dafür eingesetzte Messtechnik wird als Remote Emission Sensing (RES) bezeichnet. Ein Forscherteam der Empa in Dübendorf hat sich im Rahmen des Forschungsprojekts ReMOVES, das vom Bundesamt für Strassen (ASTRA) finanziert wird, mit RES befasst. Das Bundesamt für Energie (BFE) hat das Projekt mit unterstützt und die Einbindung in den internationalen IEA-Kontext ermöglicht.
Viele Fahrzeuge in kurzer Zeit erfasst
Abgas-Messungen mit RES-Technologie wurden in den letzten Jahren im Rahmen von Forschungsprogrammen beispielsweise im Kanton Zürich, vereinzelt aber auch in Städten und Regionen weltweit durchgeführt. Sie sind zu unterscheiden von den Prüfstandsmessungen, die Fahrzeuge vor einer Neuzulassung durchlaufen müssen. Während auf Prüfständen der Abgasausstoss für verschiedene Fahrsituationen ermittelt wird, bieten RES-Messungen nur eine Momentaufnahme. Sie haben aber andere Vorteile, wie Empa-Wissenschaftler Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler sagt: «RES-Abgasmessungen im fliessenden Verkehr erfassen in kurzer Zeit sehr viele Fahrzeuge. Damit lassen sich potenzielle Emissionssünder ermitteln, und man kann Emissionsinventare erstellen, die aufzeigen, welche Fahrzeuge wie viele Schadstoffe ausstossen.» Dank der Vielzahl der erfassten Fahrzeuge lassen sich sogar Emissionscharakteristika bestimmter Antriebsarten, Hersteller und eventuell Fahrzeugmodelle erstellen sowie Alterungseffekte der Katalysatoren untersuchen. RES-Systeme eignen sich zur Messung der Emission einzelner Fahrzeuge und können nicht die Schadstoffbelastung der Umgebungsluft ermitteln. Zu dem Zweck werden in vielen Städten Immissionsmessungen mit separaten Messstationen durchgeführt.
Heute sind zwei RES-Messsysteme im Einsatz: Bei OPUS wird ein Laserstrahl quer über die Strasse geschickt, dort reflektiert und am Ausgangsort wieder aufgefangen und vermessen. Beim EDAR-System befindet sich die Laserlichtquelle über der Fahrbahn, und der aufgefächerte Laserstrahl wird von einem auf der Fahrbahn angebrachten Reflektorstreifen zurückgeworfen.
Laser erkennt Menge und Art des Schadstoffs
Menge und Zusammensetzung der Abgase werden anschliessend mit Absorptionsspektroskopie ermittelt: Je stärker der Laserstrahl durch die Abgase geschwächt wurde, desto höher deren Konzentration. Da verschiedene Schadstoffe unterschiedliche Wellenlängen absorbieren, kann der Laser verschiedene Abgase unterscheiden. RES-Messungen erfassen neben den Emissionen auch Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fahrzeuge – sowie deren Kennzeichnen. Damit lassen sich die technischen Daten der Fahrzeuge abfragen und zu den Emissionsmesswerten in Beziehung setzen.
RES-Messungen sind bislang nicht zertifiziert, und die Aussagekraft der gewonnenen Daten ist umstritten. Vor diesem Hintergrund haben Empa-Wissenschaftler in ihrem Projekt die RES-Messungen vertieft untersucht und mit anderen Messmethoden verglichen. Um die Qualität der Messungen beurteilen zu können, erstellten sie numerische Simulationen der Verteilung der Abgaskomponenten in der Fahrzeugnachlaufströmung. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten der Abgasströmung realitätsnah beschreiben – und zugleich überprüfen, ob die RES-Messungen korrekt sind.
Verlässliche Methode, aber…
Die Empa-Forscher stellen der RES-Messtechnologie in ihrem Projekt-Schlussbericht grundsätzlich ein gutes Zeugnis aus: «Die umfangreichen Forschungsarbeiten und Messungen haben gezeigt, dass RES eine verlässliche Methode ist, um die realen Emissionen von Fahrzeugen im Strassenverkehr zu ermitteln. Allerdings eignet sich die Messmethode nicht, um die Emissionen von einzelnen Fahrzeugen verlässlich zu bestimmen. Beschleunigt oder bremst zum Beispiel ein Fahrzeug im Moment der Messung stark, ist die Messung für das Fahrzeug nicht repräsentativ. Ihre Stärke hat RES dort, wo die Abgase einer Vielzahl von Fahrzeugen bestimmt werden sollen. Dabei gilt eine wichtige Einschränkung: Bei Lastwagen – so das Fazit der Empa-Forscher – bestehen erhebliche Zweifel an der Zuverlässigkeit der RES-Messungen.
Die Ergebnisse der Forschung in der Schweiz und in weiteren Ländern helfen dabei, RES weiter zu verbessern. Welche Rolle die Messtechnik in Zukunft spielen wird, hängt wesentlich von der Weiterentwicklung der Fahrzeugantriebe ab, wie Empa-Forscher Dimopoulos Eggenschwiler festhält: «Solange auf unseren Strassen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren unterwegs sind, bietet RES eine gute Lösung zur Überwachung der Schadstoffemissionen. Für die Elektromobilität mit ihren emissionsfreien Antrieben ist die Methode hingegen bedeutungslos.»
Beitrag von: Benedikt Vogel, im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)
Bildquelle: Empa/InNET Monitoring