Größenspezifische und räumliche Verteilung von verkehrsbedingten Abrieben und partikulären Emissionen

Abstract

Nicht-verbrennungsbedingte Emissionen aus dem Verkehrssektor rücken immer mehr in den Fokus der Wissenschaft, da diese mittlerweile gegenüber den Emissionen aus Verbrennungsprozessen dominieren. Für den Straßenverkehr werden mittlerweile Grenzwerte für Reifen- und Bremsemissionen im Zuge der EURO 7 Gesetzgebung eingeführt. Der Schienenverkehr wurde bis dato noch nicht im selben Detailgrad betrachtet, sodass nach wie vor große Unsicherheiten bezogen auf die Quantität der Emission bestehen. Dies zeigt sich unter anderem anhand publizierter Emissionsfaktoren, die um den Faktor 10 voneinander abweichen. Das gegenständliche Forschungsvorhaben hat zum Ziel diese Unsicherheiten aufzuarbeiten, um eine valide Einordnung der Emissionen gegenüber anderen Verkehrsträgern zu ermöglichen und das Ausbreitungs- und Umweltverhalten der emittierten Schadstoffe bewerten zu können. Um eine solide Basis für alle weiteren Untersuchungen zu generieren, wurden an geeigneten Prüfständen tiefgehende Untersuchungen des Emissionsverhaltens der drei Hauptquellen im Schienenverkehr durchgeführt. Im Zuge dessen wurden unter anderem PM10 Emissionsfaktoren von 0,14 – 0,61 g/km (Stromabnehmer-Fahrdraht), 0,33 – 5,57 g/km (Rad-Schiene-Kontakt), 0,105 - 4,212 g/km (Scheibenbremsen) sowie 0,4 – 28,66 g/km (Klotzbremsen) bestimmt. Die Streubreiten sind ein Resultat der Variation der maßgebenden Parameter, welche das Emissionsverhalten beeinflussen. Die abgeleiteten Emissionsfaktoren wurden anhand von Messungen am Hauptbahnhof Augsburg und einer detaillierten Ausbreitungsrechnung validiert. Diese zeigten auf, dass entlang von Eisenbahnstrecken, Hotspots (Zusatzbelastung ca. 20 μg/m³ als Jahresmittelwert (JMW)) auftreten, die durch Bereiche mit einer hohen Frequenz von Bremseingriffen definiert sind. Diese Zusatzbelastung nimmt bereits mit wenigen Metern Abstand zu den Gleisanlagen deutlich ab. Die Bilanzierung der Emission aller Quellen über ein gesamtes Jahr führt zu einer Reihung der Quellen nach deren Anteil an der Gesamtemission. Demnach sind Bremsemissionen als dominierend (86,00 %) zu charakterisieren, der Rad-Schiene-Kontakt für ca. 12,80 % und der Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste für etwa 1,20 % der Abriebemissionen verantwortlich. Auf Basis des Fallbeispiels Augsburg sowie Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen für Tief- und Kopfbahnhofumgebungen wurde die Auswirkung für Bahnreisende, Bahnpersonal und die Umweltkompartimente beurteilt. Während in freier Umgebung die Belastung für Personen als vernachlässigbar betrachtet werden kann, muss in Tiefbahnhöfen jedoch mit kurzfristigen Konzentrationsspitzen gerechnet werden. Der Eintrag in Böden und Gewässer ist stark von der Depositionsrate, der Bodenbeschaffenheit (Akkumulation von Schadstoffen) sowie der meteorologischen Situation abhängig. Dennoch konnte Kupfer als potentiell kritische Komponente identifiziert werden. Abschließend wurden Maßnahmen und Handlungsempfehlungen formuliert, welche zu einer Reduktion der abriebbedingten Emissionen führen sollen. Hierbei stellen Geschwindigkeitsbeschränkungen, das Verlagern von Bremspunkten in wenig bewohnte Gebiete sowie eine Reglementierung der zulässigen Komponenten in Bremsbelägen jene Maßnahmen mit dem höchsten Reduktionspotential bezogen auf die Quantität und die Auswirkung der Emission dar. Datei-Upload durch TIB Non-exhaust emissions from the transport sector become more and more relevant and are in the focus of scientific attention, as they now dominate over emissions from combustion processes. Limit values for tire and brake emissions are now being discussed for road traffic. Rail transport has not yet been considered in the same level of detail, so there are still major uncertainties regarding the quantity of emissions. This is shown, among other things, by published emission factors that differ by a factor of 10. The aim of this research project is to eliminate these uncertainties in order to enable a valid classification of emissions compared to other modes of transport and to be able to evaluate the dispersion and environmental behaviour of the pollutants emitted. In order to generate a solid basis for all further investigations, in-depth investigations of the emission behaviour of the three main sources in rail transport were carried out on suitable test benches. In the course of this, PM10 emission factors of 0.14 - 0.61 g/km (pantograph contact wire), 0.33 - 5.57 g/km (wheel-rail contact), 0.11 - 4.21 g/km (disk brakes) and 0.4 - 28.7 g/km (block brakes) were determined. The scattering ranges are a result of the variation of the decisive parameters that influence the emission behaviour. The derived emission factors were validated by measurements at Augsburg central station and a detailed dispersion calculation. These showed that hotspots (additional annual average load approx. 20 μg/m³) occur along railroad lines, which are defined by areas with a high frequency of braking operations. Balancing the emissions of all sources over an entire year led to a ranking of the sources according to their share of total emissions. Accordingly, braking emissions can be characterized as dominant (86.00 %), approx. 12.80 % can be assigned to the wheel-rail contact and 1.20 % are caused by the contact between contact wire and pantograph. Based on the Augsburg case study and other simulations for underground and terminus station environments, the impact on rail passengers and the environmental compartments was assessed. While along open tracks, the impact on people can be characterized negligible, in underground stations peak concentrations occur for a short time. The input into soils and waters is strongly dependent on the deposition rate, the soil composition (accumulation of pollutants) and the meteorological situation. Nevertheless, copper was identified as a potentially critical component. Finally, measures and recommendations for action were formulated that lead to a reduction in abrasion- related emissions. Speed restrictions, moving braking points to less populated areas and regulating the permissible components in brake pads are the measures with the highest reduction potential in terms of the quantity and impact of emissions.