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Partikel bzw. Feinstaub (PM bzw. PM10)
Die Partikelfiltertechnologie sorgt für ein stark reduziertes Emissionsniveau.
IIm Folgenden werden die Umweltwirkungen und Emissionen von Partikel (bzw. Feinstaub) in Österreich, Deutschland und EU27 diskutiert.
Umweltwirkungen:
Unter dem Begriff PM (aus dem Englischen: Particulate Matter) werden alle flüssigen und festen Bestandteile des Abgases verstanden. Es ist ein komplexes und heterogenes Gemisch mit unterschiedlichster stofflicher Zusammensetzung, welches bei der unvollständigen Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine entsteht. Der mit 60 bis 70% größte Bestandteil der PM-Gruppe ist der als Ruß bezeichnete, unverbrannte elementare Kohlenstoff. Weiters sind unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Sulfate, Schwermetalle u.a. enthalten. [1], [2]
Neben der Kategorisierung der PM nach ihrer Zusammensetzung werden die Partikel in unterschiedliche Größenklassen unterteilt. Die nach Luftqualitätskriterien derzeit wichtigste Größenklasse ist PM10. PM10 wird auch als Feinstaub bezeichnet und beinhaltet alle Teilchen, welche einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der bei einem aerodynamischen Durchmesser von 10 μm einen Abscheidegrad von 50 % aufweist¹. Der aerodynamische Durchmesser eines Teilchens beliebiger Form, chemischer Zusammensetzung und Dichte ist gleich dem Durchmesser einer Kugel mit der Dichte 1 g/cm³, welche in ruhender oder wirbelfrei strömender Luft dieselbe Sinkgeschwindigkeit hat wie das betrachtete Teilchen. [3]
Abbildung 1 zeigt wie weit Partikel, abhängig von ihrer Größe, in das Atemwegsystem vordringen können. Partikel mit 10 μm dringen maximal bis zum Kehlkopf vor. Partikel der Größenklasse PM2,5 (kleiner gleich 2,5 μm) dringen dahingegen bereits bis zu den Bronchien und Bronchiolen vor.
Jene Partikel, die die Härchen der Nase passieren, bzw. die durch den Mund eingeatmet werden, werden zum Großteil wieder ausgeatmet. Partikel, welche bis in die Lunge vordringen, werden mit Hilfe der Flimmerhärchen, welche sich an der Innenoberfläche der Lungenwege befinden, wieder nach außen abtransportiert. Die Teilchen der Größenklasse PM1 erreichen jedoch aufgrund ihrer Kleinheit die Alveolen, wo es keine Flimmerhärchen gibt und der Abtransport entsprechend verlangsamt wird. Dadurch steigt die Verweildauer und es kann zu einem Übertritt der Partikel in den Blutkreislauf kommen, wodurch das Infektionsrisiko deutlich erhöht wird. [1], [4], [5]
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| Das Immissionsschutzgesetz-Luft beschränkt den Tagesmittelwert der PM10 Konzentration mit 50 μg/m³, wobei pro Kalenderjahr 25 Überschreitungen zulässig sind. Weiters sieht es einen maximal zulässigen Jahresmittelwert von 40 μg/m³ vor. Parallel dazu ist der Blei-Anteil im PM10 mit 0,5 μg/m³ als Jahresmittelwert limitiert. [7] |
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| Abbildung 1: Partikel-Abscheidecharakteristik des menschlichen Atemsystems (Grafik von [6]; [1]) |
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Auswirkungen auf die Umwelt:
Feinstaub besteht als Stoffgruppe aus einer Vielfalt von chemischen Komponenten, welche unterschiedlichste Auswirkungen auf die Umwelt haben. Je nach regionaler Zusammensetzung sind die Vor- und Nachteile unterschiedlich. Wirken beispielsweise Sulfat und Nitrat bodenversauernd, so weisen kalziumhaltige Staubanteile kalkende und somit Versauerung puffernde Wirkungen auf. [4]
Auswirkungen auf den Menschen:
Zahlreiche Studien kommen zu dem Ergebnis, dass Feinstaub gesundheitliche Auswirkungen aufweist. Insbesondere epidemiologische Studien weisen auf Änderungen der Lungenfunktion, Einschränkungen der Leistungsfähigkeit [4] und Beeinträchtigung des Herz-Kreislaufsystems hin. [8] Toxische Kohlenwasserstoffe (Aromaten, Polyzyklen), welche sich an den Partikeln anlagern, werden zum Teil als krebserregend eingestuft. [1]
Die von Feinstaub ausgehende Gesundheitsgefährdung lässt sich durch eine Kombination physikalischer (Einatmung des Staubes an sich) und chemischer (gesundheitsrelevante Anlagerungen) Eigenschaften erklären. Eine umfangreiche Betrachtung ist in [9] zu finden.
Entwicklung und Prognose der Straßenverkehrsemissionen:
Die Emission von Partikeln war bisher ein Thema, welches ausschließlich die dieselmotorischen Kraftfahrzeuge betroffen hat. So war auch bis inkl. Euro 4 für PKW-Ottomotoren kein Grenzwert vorgesehen.
Die Direkteinspritztechnologie im Ottomotor kann jedoch eine Berücksichtigung der Ottomotoren in der Emissionsentwicklung und -prognose erforderlich machen. In einem ersten Ansatz wurden die Wirkungen der Partikelemissionen der direkteinspritzenden PKW-Ottomotoren denen der PKW-Dieselmotoren gleichgesetzt.
Der Anteil an Ottomotoren mit Direkteinspritzung am Otto-PKW-Bestand wurde so abgeschätzt, dass diese Gruppe im Jahr 2005 1% des Bestandes repräsentiert und im Jahr 2030 73% des Otto-PKW-Bestandes darstellt.
ÖSTERREICH:
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Wie Abbildung 2 entnommen werden kann, führte der Anstieg des Bestandes an Diesel-PKW zu einem deutlichen Anstieg der Partikelemissionen. Durch die Abgasgesetzgebung erfolgte die Einführung des Partikelfilters, welcher seit den Kraftfahrzeugen der Euro4-Kategorie zu massiven Reduktionen führte. Durch diese Technologie wird im Zeitraum 1990 bis 2030 eine Emissionsreduktion von 74,2% erreicht.
Anzumerken ist, dass im Jahr 2030 entsprechend der Prognose 36,1% der Partikelemissionen von direkteinspritzenden Otto-PKW verursacht werden. |
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| Abbildung 2: Entwicklung und Prognose der PKW PM-Emissionen in Österreich in kt/a |
Das Segment der Nutzfahrzeuge unterliegt ebenfalls einer kontinuierlichen Reduktion der Partikelgrenzwerte. Im Gegensatz zum PKW spielen die Partikelemissionen der Ottomotoren mit Direkteinspritzung jedoch eine verschwindende Rolle.
Die Emissionen des Nutzfahrzeugsektors werden in Abbildung 3 wiedergegeben. Es ist festzustellen, dass die Bestand- und Fahrleistungszunahmen durch die Emissionsreduktionen überkompensiert werden und es daher im Vergleich zum PKW-Sektor zu keinem Emissionsanstieg kommt. Das Emissionsniveau sinkt zwischen 1990 und 2030 um 93,6%. Der Emissionseinbruch im Jahr 2009 folgt aus der Berücksichtigung der Auswirkungen der Wirtschaftskrise. |
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| Abbildung 3: Entwicklung und Prognose der Nutzfahrzeug PM-Emissionen in Österreich in kt/a |
Der in Abbildung 4 wiedergegebene Sektorenvergleich für Österreich zeigt die Relevanz des Verkehrssektors bis heute auf. Aufgrund der wiedergegebenen Berechnungen ist jedoch von einer kontinuierlichen Reduktion des Einflusses auszugehen, sodass andere Sektoren zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Emissionsberechnungen des Sektorenvergleichs basieren auf den in Österreich verkauften Kraftstoffen. Die Emissionen des Verkehrssektors beinhalten somit auch jene Emissionen, die aufgrund des im Inland verkauften, aber im Ausland verfahrenen Kraftstoffes entstehen. Der Sektor Verkehr beinhaltet die Bereiche: Straßenverkehr, Bahnverkehr, Schifffahrt, nationaler Flugverkehr und Kompressoren der Gaspipelines. Der land- und forstwirtschaftlichen Verkehr sowie Militär sind im Sektor Haushalte und Kleinverbraucher enthalten.
Die PM-Emissionen des Verkehrssektors in Österreich setzen sich in dieser Abbildung aus den Verbrennungsemissionen und den Emissionen durch Abrieb (Reifen- und Bremsabrieb) und Aufwirbelung zusammen. Die Aufwirbelung von Staub wird seit 2004 in der österreichischen Emissionsinventur berücksichtigt. |
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| Abbildung 4: Sektorenvergleich der PM10-Emissionen in Österreich [10] |
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| ¹ Definiert in: Richtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft, ABl. L 163 vom 29.6.1999, S. 41–60 |
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| ENTWICKLUNG / PROGNOSE für DEUTSCHLAND |
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Der in Abbildung 5 dargestellte Emissionsverlauf für den Sektor PKW zeigt die Auswirkungen des im Vergleich zu Österreich späteren und weniger ausgeprägten Anstieges an Diesel-Neuzulassungen. Die sich ergebende Reduktionsrate zwischen 1990 und 2030 liegt bei 82%.
Im Jahr 2030 werden 37,3% der Partikelemissionen von direkteinspritzenden Otto-PKW verursacht werden.
Für den in Abbildung 6 wiedergegebenen Emissionsverlauf des NFZ-Sektor ist ein zu Österreich analoger Trend feststellbar. Im Zeitraum 1990 bis 2030 wird eine Emissionsreduktion von 93,7% erreicht. Der Emissionseinbruch im Jahr 2009 folgt aus der Berücksichtigung der Auswirkungen der Wirtschaftskrise. |
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Abbildung 5: Entwicklung und Prognose der PKW PM-Emissionen in Deutschland in kt/a |
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Abbildung 6: Entwicklung und Prognose der Nutzfahrzeug PM-Emissionen in Deutschland in kt/a |
Der in Abbildung 7 wiedergegebene Sektorenvergleich für Deutschland bestätigt den starken Rückgang des Verkehrseinflusses auf die PM-Emissionen. Die Emissionsberechnungen des Sektorenvergleichs basieren auf den in Deutschland verkauften Kraftstoffen. Die Emissionen des Verkehrssektors beinhalten somit auch jene Emissionen, die aufgrund des im Inland verkauften, aber im Ausland verfahrenen Kraftstoffes entstehen. Der Sektor Verkehr beinhaltet die Bereiche: Straßenverkehr, Bahnverkehr, Schifffahrt, nationaler Flugverkehr und Kompressoren der Gaspipelines. Der land- und forstwirtschaftlichen Verkehr, sowie Militär sind im Sektor Haushalte und Kleinverbraucher enthalten.
Die PM-Emissionen des Verkehrssektors in Deutschland beinhalten ebenfalls die Emissionen aus Straßen-, Reifen- und Bremsenabrieb. |
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Abbildung 7: Sektorenvergleich der PM10-Emissionen in Deutschland [11]
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| ENTWICKLUNG / PROGNOSE für EU27 |
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Ein zeitlicher Sektorenvergleich über die Jahre 1990 bis 2007 ist aufgrund der teilweise unvollständigen Daten der Mitgliedsländer der EU27 für PM10 nicht möglich. Abbildung 8 zeigt jedoch für das Jahr 2007 die aktuelle Gewichtung der einzelnen Sektoren. EU-weit ist bereits heute der Personenverkehr von untergeordneter Bedeutung und wird aufgrund der Einführung weiter drastisch an Relevanz verlieren. Eine weitere Reduktion der Feinstaubemissionen kann demnach nur durch die strengere Limitierung anderer Sektoren erfolgen. |
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| Abbildung 8: Sektorenvergleich de rPM10-Emissionen in der EU27 für das Jahr 2007 [12] |
Wichtige Hinweise zu Abbildung 8:
Parties to the LRTAP Convention are formally requested to report emissions of particulate matter (PM) only for the years 2000 onwards.
PM10 totals for the EU-27 in the figures above exclude emissions from Bulgaria, the Czech Republic, Greece, Lithuania, Luxembourg, Poland and Romania as sectoral data were not reported by these countries in every year. Emissions from '1 A 4 b i — Residential: stationary plants' for Malta (2003–2004) and Hungary (2000–2001) were not estimated (NE). Emissions for Finland in 2007 were reported as not occurring, Emissions from Malta (2001–2002,2005–2007) were reported as being included elsewhere.
Emissions from '4 D 2 a — Farm-level agricultural operations including storage, handling and transport of agricultural products' were only estimated by France, Germany, and Sweden (2000–2007) and by Finland and Slovenia (2007). Other Member States did not report values.
Emissions from '2 A 7 a — Quarrying and mining of minerals other than coal' were only estimated by Austria, Belgium, France, Slovakia, Sweden and the United Kingdom (2000–2007) and Finland (2007). Other Member States did not report values.
Emissions from '1 A 2 f i — Stationary combustion in manufacturing industries and construction: other' were not estimated for Hungary (2000–2001) or Malta (2000). Emissions estimates for Finland (2007) were not applicable (NA).
Emissions from '1 A 1 a — Public electricity and production' for Hungary (2000–2002) were not estimated (NE). |
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| LITERATURVERZEICHNIS |
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[1] Geringer, B.: Skriptum zur Vorlesung 315.018 - Verbrennungskraftmaschinen Grundzüge. Wien: Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der TU Wien, 2006. B06006.
[2] Merker, G., et al.: Verbrennungsmotoren – Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung. Stuttgart: B.G. Teubner, 2004. ISBN 3-519-16382-9.
[3] Umweltbundesamt Deutschland: Hintergrundpapier zum Thema Staub/Feinstaub (PM). Berlin: Umweltbundesamt Deutschland, 2005.
[4] Spangl, W., et al.: Jahresbericht der Luftgütemessungen in Österreich 2006. Wien: Umweltbundesamt GmbH, 2007. ISBN 3-85457-902-0, REP-0104.
[5] Gehr, P.: Feinstaub: Ein Teil bleibt in der Lunge – für immer. Bundesamt für Umwelt BAFU. [Online] 12. 1 2007. [Zitat vom: 14. 11 2008.] http://www.bafu.admin.ch/dokumentation/fokus/03233/index.html?lang=de.
[6] Gäbel, P.: Atemberaubend. [Hrsg.] Bosch BKK Gesetzliche Kranken- und Pflegeversicherung. Stuttgart: LexisNexis Deutschland GmbH, 2006. Artikel-Nr. 50 00 18 – 5/06.
[7] Nationalrat der Republik Österreich: Bundesgesetz zum Schutz vor Immissionen durch Luftschadstoffe, mit dem die Gewerbeordnung 1994, das Luftreinhaltegesetz für Kesselanlagen, das Berggesetz 1975, das Abfallwirtschaftsgesetz und das Ozongesetz geändert werden (IG-L). Bundesgesetzblatt für die Republik Österreich. 2006, BGBl. I Nr. 115/1997 zuletzt geändert durch BGBl. I Nr. 34/2006.
[8] Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Auswirkungen der Luftverunreinigungen auf die menschliche Gesundheit. Bericht für die Umweltministerkonferenz. Bonn : Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, 1987.
[9] Schneider, J., et al.: Schwebstaub in Österreich. Wien: Umweltbundesamt GmbH, 2006. ISBN 3-85457-787-7, BE-277.
[10] Anderl, A. et al.: Emissionstrends 1990-2007 - Überblick über die österreichischen Verursacher von Luft-schadstoffen (Datenstand 2009). Wien: Umweltbundesamt GmbH, 2009. Report REP-0234, ISBN 978-3-99004-033-1.
[11] Umweltbundesamt: Emissionsentwicklung 1990 - 2007, Treibhausgase, inkl. erweiterte Auswertung und Äquivalentemissionen der Treibhausgase. Dessau: Umweltbundesamt, 2009.
[12] EEA: European Community emission inventory report 1990–2007 under the UNECE Convention on Long-range Transboundary Air Pollution (LRTAP). Kopenhagen: European Environment Agency, 2009. EEA Technical report No 8/2009, ISBN 978-92-9213-005-3. |
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