Luftqualität in der Stadt

Wie beeinflusst der Verkehr die Ozonbildung?

Wir beschäftigen uns lange schon mit den komplexen Faktoren der Ozonbildung in der unteren Schicht (1-2 km) unserer Atmosphäre. Um zu verstehen, wie der Verkehr die Ozonproduktion beeinflusst, betrachten wir zunächst die Eigenschaften von Benzinern und Diesel-Fahrzeugen.

Wir haben anhand von Messungen herausgefunden, wie stark Kohlenwasserstoff- (VOC) und Stickoxidkonzentrationen in deutschen Innenstädten in den letzten 20 Jahren zurückgegangen sind. Mit diesen Ergebnissen haben wir die Ozonproduktionsrate modelliert.

Kohlenwasserstoffkonzentrationen in Innenstädten sind aufgrund der Katalysatoren stärker zurückgegangen als gedacht. Der Stickoxidausstoß ist durch die vielen Dieselfahrzeuge kaum weniger geworden. Dadurch ist die Stickstoffdioxidbelastung in deutschen Innenstädten unverändert zu hoch.

Natürlich müssen die Stickoxide reduziert werden. Allerdings wird durch das niedrigere Verhältnis von Kohlenwasserstoffen zu Stickoxiden wird in den Städten kaum noch Ozon produziert!

An der Ozonbildung sind sowohl Kohlenwassersstoffe als auch Stickoxide beteiligt. Bei sehr geringen Stickoxidkonzentrationen wird mehr Ozon gebildet, je mehr Stickoxide in der Luft sind. In deutschen Innenstädten ist die Stickstoffoxidkonzentration aber so hoch, dass die Ozonbildung gebremst wird.

Wie ändert sich die Ozonbildung?

Ozonbildung 1990 und jetzt

Seit den 1990er Jahren hat sich durch die Einführung von Katalysatoren für Fahrzeuge einiges für die Ozonbildung verändert. Um diese Änderungen zu erstehen, kann man sich zunächst ansehen, was mit einem Luftpaket geschieht, das aus der Stadt Richtung Wald wandert...

Vereinfacht kann man annehmen: Ein hohes Verhältnis von Kohlenwasserstoffen zu Stickoxiden in den Abgasen führt zu stark gesteigerter Ozonproduktion. In den 90ern waren sowohl die Stickoxid- als auch die Kohlenwasserstoff-Konzentrationen in den Städten sehr hoch – da durch ebenfalls die Ozonproduktion. Wanderte das Luftpaket Richtung Umland, wurden zwar die Schadstoffe verdünnt; sie reichten aber für eine durchgehend starke Ozonproduktion.
Heute werden dank der Katalysatoren in den Städten kaum noch Kohlenwasserstoffe ausgestoßen. Stickoxid-Ausstöße sind nur leicht zurückgegangen. Das kleinere Verhältnis von Kohlenwasserstoffen zu Stickoxiden sorgt für eine deutlich geringere Ozonproduktion!
Natürlich muss zukünftig auch der Stickoxid-Ausstoß reduziert werden, da diese ebenfalls klima- und gesundheitsschädlich sind. Das ist aber aus Sicht der Ozonproduktion unserer Forschung zufolge bei den aktuellen Kohlenwasserstoff-Konzentrationen kein Problem mehr.

Weltweit betrachtet ist die Ozon-Problematik noch nicht gelöst. Unser Ergebnis der stark zurückgegangenen Ozonproduktion bezieht sich nur auf Deutschland. In Europa ist zwar überwiegend ein ähnlicher Trend zu erwarten, es gibt aber auch etliche Länder mit stark veralteter oder gänzlich anders zusammengesetzter Fahrzeugflotte!

Stickoxide in deutschen Innenstädten

Aus unseren bisherigen Forschungen geht hervor, dass die Problematik der hohen Ozonproduktionsrate in Städten aus unserer Sicht vorerst gelöst ist. Nun gilt es unter anderem auch die Problematiken der Stickoxid-Ausstöße und Feinstaub-Belastungen anzugehen.
Dabei muss darauf geachtet werden, dass man sich alte Probleme nicht wieder zur Hintertür herein holt oder ganz neue Probleme schafft- daher sind luftchemische Untersuchungen unerlässlich!
Besonders hohe Feinstaub- und Schadstoffbelastungen treten dann auf, wenn die abgasgefüllte Luft aus der Stadt nicht abtransportiert werden kann. Dies ist insbesondere in sogenannten Kessel-/Senkenlagen oder bei stabilen Hochdruck-Wetterlagen der Fall.

Bei Städten, die von Bergen umgeben sind (z.B. Stuttgart) kann die Stadtluft nicht so einfach seitlich Richtung Felder und Wälder wandern. Kommt es hier zu einer leichten Inversion oder ungünstigen Windverhältnissen, wird auch ein Aufsteigen der Luft unterdrückt. So bleibt sie lange in der Stadt gefangen und wird immer weiter mit Abgasen gefüllt.

Ein ähnlicher Effekt wird durch eine sogenannte stabile Hochdruck-Wetterlage erzeugt: Absinkende Luftmassen sorgen dafür, dass die Stadtluft nicht aufsteigen kann und zurück in die Stadt gedrückt wird. In solchen Senken oder bei diesen speziellen Wetterlagen kommt es häufig zu Alarmwerten für Feinstaub und Stickoxiden Dank moderner Katalysator-Technik werden zwar die früheren Spitzenwerte für Ozon nicht mehr erreicht, problematisch bleiben jedoch Partikel und besonders Stickoxide.

Was wird dagegen getan?

EU-Regelungen greifen dieses Problem bereits auf und haben Grenzwerte festgesetzt – dies zwingt die Automobilbranche zu reagieren. Wenn erst eine neue Technologie entwickelt ist, dauert es in der Regel aber noch etwa ein Jahrzehnt, bis ein Großteil der Autoflotte damit ausgestattet ist.

Umweltzonen sind eine weitere Maßnahme, welche die Schadstoffkonzentrationen in den Innenstädten reduzieren soll. Dies kann langfristig zu einem Austausch der Fahrzeugflotte führen, wenn sich Anwohner ein Auto mit „grüner Plakette“ kaufen müssen. Allerdings besteht auch die Gefahr einer Verlagerung des Problems ins Umland. Auf kurz oder lang muss an den Schadstoffverursachern selbst gearbeitet werden.

SCR-Katalysatoren für Dieselmotoren sollen für das Erreichen der EU-Grenzwerte von Stickoxiden sorgen. Diese verwenden Ammoniak, der mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert. Für die Versorgung mit Ammoniak wird Harnstoffverwendet, der zusätzlich getankt werden muss und im Katalysator durch Aufspaltung bei hoher Temperatur zu Ammoniak umgesetzt wird.

Wo kommen wir dort ins Spiel?

Mit neuen Technologien kommen auch immer neue Forschungsfragen auf.

Bei den SCR-Katalysatoren stellt sich beispielsweise die Frage, ob und wieviel Ammoniak entweichen kann. Zudem wird als Produkt der Thermolyse von Harnstoff neben Ammoniak auch die extrem toxische Isocyansäure gebildet. Diese soll zwar durch eine Reaktion mit Wasser wieder umgesetzt werden - fraglich ist aber, ob dies vollständig geschieht.

Auch in Zukunft werden wir die Entwicklungen von Verkehrsemissionen mit unseren Messungen begleiten. Um unerwünschte Nebeneffekte neuer Technologien zu vermeiden, ist schon im Vorfeld der Markteinführung eine luftchemische Untersuchung sinnvoll.