Immissionsschutz by Erich Schmidt Verlag

Immissionsschutz (ImS)

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Inkl. Kapitel zu Auch als Luftreinhalteplänen und Dieselfahrverboten

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FACHBEITRAG

HERMANN KOCH-GRÖBER

Emissionsminderung der Neufahrzeuge nach Euro 5, 6 und 7 versus Flotten- Überwachung auf Hochemittenten

Die Gesetzgebung zur Euro 5 und 6 (vor RDE mit Euro 6d) brachte durch die Einführung von Dieselpartikelfiltern DPF einen großen Fortschritt für die Luftqualität. Jedoch wurde eine nominelle Emissionsminderung an NOx festgelegt, ohne dass ‚normale Betriebsbedingungen‘ umsetzbar definiert wurden. Durch den Interpretationsspielraum bei ‚Abschalteinrichtungen‘ und falscher Priorisierung seitens der Hersteller blieben NOx -Emissionen der Diesel-Pkw ein Jahrzehnt lang erheblich erhöht, ebenso die Partikelanzahl-Emissionen bei Benzinern. Der vorliegende Entwurf einer Euro 7 fokussiert zu stark auf einer minimierten Emission in nur selten auftretenden Betriebsweisen, die einen weit überproportionalen Aufwand bedeuten würden. Für die Luftqualität wäre es deutlich förderlicher, die Emissionen der Bestandsflotte zu vermindern, welche durch einen kleinen Anteil an Hochemittenten dominiert werden. Ein substanzieller Beitrag der Hersteller dazu wäre für vertretbare Zugeständnisse bei der Einführung der Euro 7 zielführend.

1. ‚Skandalträchtige‘ Euro 5, graduell verbesserte Euro 6a,b,c und Quantensprung Euro 6d Mit der Verordnung 715 [EU715] hat der EU-Gesetzgeber 2007 die Emissionsklassen Euro 5 und 6 festgelegt, abgestuft in Grenzwerten für NOx und PM-Emissionen. Diese waren einzuhalten unter ‚normalen Betriebsbedingungen‘, die in der Verordnung jedoch nicht explizit definiert wurden. Der bis 2018 mit Euro 6b vorgeschriebene Prüfz yklus NEFZ repräsentierte normale Betriebsbedingungen nicht, abzuleiten aus der unrealistisch niedrigen Beschleunigungsdynamik von 0 auf 50 km/h in 26 s. In [EU715] war jedoch die Minimierung von Schadstoffkonzentrationen in der Umgebung als Ziel klar formuliert, so dass indirekt normale Betriebsbedingungen diejenigen sein mussten, die für die Immissionen an Straßen dominant sind. Die Begrifflichkeit von ‚Abschalteinrichtungen‘, mit Ausnahmetatbeständen in [EU715] definiert, verfehlte ihren Zweck, missbräuchliche Ausführungen der Emissionsmin derung zu verhindern, indem eine enge Interpretation ein Ausnutzen von Graubereichen mit der Folge erhöhter Real

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emissionen1 ergab – und eine weite Interpretation keine marktfähigen Diesel-Pkw ermöglichte. Hintergrund ist eine multikriterielle Optimierung bei der Emissionierung von Serienfahrzeugen in den Zielkonflikten von Emissionen, Verbrauch, Fahrleistung, Ausfallrisiken und Kosten, die bei Entwicklung und Applikation seit Jahrzehnten Stand der Technik ist. Postuliert eine Gesetzgebung jegliche Abweichung von einem Minimum (an Emissionen) als „Abschalteinrichtung“ und damit unzulässig, zwang sie die Unternehmen im Markt zu einer Ausnutzung des Graubereiches der Interpretation des Gesetzestextes. Eine finale Klärung der Interpretationsspielräume durch höchstrichterliche Rechtsprechung bis zum EUGH ergibt Zeitkonstanten, die weder für einen Fortschritt der Luftqualität noch für die handelnde Industrie zielführend sind. Keineswegs sind ob dieses fundamentalen Mangels des Gesetzes die Hersteller ihrer Verantwortung gerecht geworden: neben dem unsäglichen Vorgehen seitens des Volks wagen-Konzerns, eine Zykluserkennung (cycle beating) in Millionen von Fahrzeugen zu verkaufen, war die erhebliche Diskrepanz zwischen den motorischen Betriebsbedingungen des NEFZ, nur kleine Lastbereiche und begrenzte Drehzahlen als ‚abgasrelevanten‘ Bereich abzubilden (z. B. Bild 4.13 S.31 in [vBSc15]2), und der realen, ‚normalen‘ Betriebsweise der Fachwelt lange bekannt und publiziert, z. B. in [LAI10], [HBEFA31]. Es wäre ein Leichtes gewesen, einen realistischen Prüfzyklus zu definieren, nicht zuletzt in Verantwortung der firmenübergreifenden Verbände ACEA oder auch VDA. Erst 2017/18 wurde der Mangel mit dem WLTC und vor allem der RDE-Gesetzgebung seit der Euro 6d behoben. Letztere hat zu einer drastischen Reduktion der mittleren Realemissionen auch gegenüber Fahrzeugen nach Euro 6 a,b,c geführt [HBEFA42]. Daher wird eine Gesamtdarstellung von Emissionen aller Euro 6-Fahrzeuge der Realität nie gerecht, sondern es sollte immer Euro 6d (inkl. -temp) getrennt bewertet werden. Der Euro 5-Grenzwert für Diesel von 180 mg/km NOx war jedoch mit der auch im Gesetz vorgesehenen Technologie

Prof. Dr.-Ing. Hermann Koch-Gröber vertritt im Studiengang ASE Automotive Systems Engineering in der Fakultät für Technik der Hochschule Heilbronn die Antriebstechnik des Kraftfahrzeugs in Lehre und Forschung.

Realemissionen sei in diesem Beitrag der Ausdruck für Emissionen der Fahrzeuge, die sie bei einem typischen bzw. ‚vernünftigen‘ Betrieb im Straßenverkehr ausstoßen, ohne dass die Betriebsweise und damit auch ihre Höhe exakt festgelegt wird. Diese unvermeidliche Unschärfe impliziert, dass es ‚unnormale‘, ergo seltene Betriebsweisen gibt, die höhere Emissionen bedeuten. Mit der Darstellung eines begrenzten Kennfeldbereiches als „abgasrelevant“ gibt das renommierte Autorenkollektiv eine früher weit verbreitete Auffassung wieder.

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ohne Abgasnachbehandlung ANB im Normalbetrieb bei weitem nicht zu erreichen. Legislative und Exekutive haben das zumindest in Deutschland nachträglich anerkannt, indem die Nachrüstungsvorschrift [BMV19] 270 mg/km festgelegt hat. Sie betraf den nachträglichen Einbau einer aufwändigen SCR-Abgasnachbehandlung, deren Reduktionspotenzial ganz grob auf 50 % abgeschätzt werden kann. Des Weiteren wurden die Software-Updates der VW-Skandal- Motoren EA189 mit Realemissionen eines Mehrfachen von 180 mg/km akzeptiert. Einen Euro 5-Grenzwert von 500 mg/km unter Prüfbedingungen, die ‚normale‘ Betriebsweisen abbildeten, wäre machbar und wirksam gewesen: die besseren Euro 5-Diesel erreichten das (z. B. [ICCT19]) und hätten eine durchaus signifikante Verminderung der Ge samtemissionen und damit Immission ergeben, weil Fahrzeuge der höchsten Realemissionen von über 1000 bis zu 2000 mg/km nicht auf die Straße gekommen wären. Schon 2007 unterlag die Gesetzgebung dem ‚Zwang‘, eine „Reduktion“ der NOx -Emissionen von 250 der Euro 4 auf 180 (‚unter 200‘) der Euro 5 der Öffentlichkeit zu ‚ver kaufen‘, also nominelle Werte aus einem vollkommen unrealistischen Prüfzyklus, anstatt real wirksame Reduktionen zu priorisieren, auch wenn die Werte nominell erhöht worden wären. Die SCR-Hardware-Nachrüstung von Euro 5-Diesel-Pkw ist ob der zurückgehenden Bestandszahlen, wirtschaftlichen Konsequenzen für Halter und Anbieter (teilweise insolvent) und stark zurückgehenden Immissionswerten an Hot Spots obsolet. Auf der Hand liegt jedoch der Ansatz, das Niveau der Realemissionen der noch großen Fahrzeuggruppe Euro 6 vor 6d im Bestand zu senken. Die technischen Anforderungen der Euro 5 Nachrüstung-Verordnung NOxMS-Pkw [BMV19] könnten übertragen werden. Es erscheint nur recht und billig, dass Fahrzeuge, die im Unterschied zu ihrer Vorgängergeneration, ANB-Systeme schon serienmäßig an Bord haben, die gleichen Realemissionen erreichen können sollten, wie es von nachgerüsteten Euro 5 Dieseln verlangt worden ist – trotz Fortschritten liegen bei vielen Fahrzeugen der Euro 6 vor 6d die Realemissionen zum Teil deutlich über 270 mg/km NOx z. B. [ICCT19], [HBEF42]. Nach Publikation des VW-Skandals 2015 war eine öffentliche Fokussierung, nicht zuletzt durch Umweltorganisati onen, auf Dieselfahrzeuge zu verfolgen, deren dominante Verantwortung für lange kaum sinkende NO2 -Immissionen an verkehrsnahen Messstationen und im Hintergrund gut belegt ist [LUBW22]. Andererseits wurde damit – bei Fachkenntnis billigend – in Kauf genommen, dass Feinstpartikel-Emissionen tendenziell erhöht wurden durch einen Anstieg der Anzahl Fahrzeuge mit Benzinmotor, zumindest bis diese mit Euro 6d ab 2018 auch mit Partikelfiltern PF ausgestattet wurden. Auf der Immissionsseite macht sich das legal bzw. formal nicht bemerkbar, weil die Gesetzgebung bis auf weiteres nur die Partikelmasse als PM10 und PM2,5 limitiert, wo die erhebliche Anzahl an Feinstpartikeln zwischen 50 und 200 nm aus motorischen Emissionen ohne Filter kaum eingehen. Da es vielerlei Hinweise auf eine überproportionale Toxizität und Kanzerogenität von UFP gibt, z. B. [Munj18], [Ayal21], wäre eine Nachrüstung von Benzinfahrzeugen mit PF eine effektive Maßnahme, die Luftqualität gerade nahe den Straßen zu verbessern. Immissionsschutz 3·2023

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Dieser Abschnitt 1. fußt zu einem erheblichen Teil auf der eigenen Publikation des Autors [KoGr20], wo kritische Diskrepanzen von Gesetzestext und Technologie vertieft dargestellt werden konnten.

2. Euro 7 – signifikanter Fortschritt oder vertane Chance? Seit Ende Oktober 2022 liegt ein Entwurf für die Euro 7/VII Emissionsnorm vor [EU7_22], dem intensive Diskussionen zwischen Fachexperten, EU-Kommission, Fraktionen des EU-Parlamentes und Stakeholdern wie Umwelt-NGOs und Vertretungen der Autoindustrie vorausgingen. Im EU-Gesetzgebungsverfahren über Parlamente und nationale Regierungen werden die Interessenskonflikte weitergeführt. Trotz öffentlicher Kritik von beiden Seiten sind einige Emis sionsminderungen unstrittig ➤ Die bisherigen Unterscheidungen nach Kraftstoffart entfallen ➤ Ein Diesel darf nicht mehr NOx ausstoßen als ein Benziner (60 mg/km NOx) ➤ Ein Benziner muss gleich wenig CO und HC sowie Partikelanzahl emittieren ➤ Bei der Messung der Partikelanzahl wird nun ab 10 nm statt bisher 23 nm erfasst, so dass ein gleichbleibender Grenzwert von 6 · 1011 eine deutliche Verminderung der Emissionen bedeutet ➤ Einführung einer Begrenzung von Ammoniak (NH3) als Schadstoff sowie Lachgas (N20) und Methan (CH4) wegen ihrer Klimawirkung als CO2 -Äquivalent in der CO2/Verbrauchs-Limitierung ➤ Eine Verlängerung der ‚Lebensdauer‘ aller relevanter System im Fahrzeug von 5 Jahren/100 Tkm auf 8 Jahre/160 Tkm ➤ Keine Aufweitung von Grenzwerten bzw. Addition von Messtoleranzen über cf (Conformity Factors) ➤ Eine Verkürzung der relevanten Fahrdauern von RDE- Messungen RDE-Nachweise brachten bahnbrechende Fortschritte mit der Einführung von Euro 6d, was von allen Seiten anerkannt wird, so dass die RDE-Definition bei Euro 7 wesentlich ist. Zentraler Konfliktpunkt ist die Bewertung der Betriebsweise eines Fahrzeuges während einer RDE-Messung: nach der Euro 6d-Norm wurden extreme Fahrweisen, sowohl undy namisch ‚langsame‘ als auch hochdynamische ‚agressive‘ Fahrweisen über Begrenzungen von Dynamikparametern ausgeschlossen. Der Euro 7-Entwurf schließt nun keine Fahrweisen mehr definiert 3 aus, was Umweltorganisationen und Teile der EU-Organe fordern, wohingegen die Industrievertretung ACEA dies als „nicht umsetzbar“ bzw. „unverhältnismäßigen Aufwand“ brandmarkt. Es ist ob physikalischer und chemischer Zusammenhänge unbestreitbar, dass in üblichen, oft günstigen Fahrbedingungen gemessene mittlere Emissionen weit unter den Grenzwerten (so emittieren Euro 6d-Pkw

Jüngste (17.02.203) Verlautbarungen aus der EU-Kommission nennen, dass ein „abusive driving“ bei den Testkriterien einer Euro 7 ausgeschlossen würde, wie z. B. eine „pumpende“ Fahrweise von kurzen Hochlast-Beschleunigungen hintereinander.

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vielfach nicht ein Drittel von 60 bzw. 80 mg NOx pro km oder 6 · 1011 Partikel) nicht zur Schlussfolgerung führen dürfen, unter allen, ergo auch extrem ungünstigen Randbedingungen könne ein vergleichbar niedriges Emissionsniveau dargestellt werden. Auf technologischer Basis erscheinen Kompromisse realisierbar, die das Emissionsniveau gegenüber Euro 6d signifikant senken würde, ohne dass großer Aufwand für extrem seltene Fahrsituationen getrieben werden müsste. Eine klare physikalisch-technisch Definition von „abusive driving“ wird ein zentraler Aspekt der Qualität der Euro 7 Gesetzgebung sein, denn die Erfahrungen der Euro 5 und 6 sollten gelehrt haben, dass eine Klärung über Rechtsprechung auf Klagen von Umweltorganisationen weder Umwelt noch Wirtschaft und Gesellschaft dienlich ist, deren Fortentwicklung dynamisch sein muss. Da die emissions-mindernden Systeme der Abgasnachbehandlung von der Geschwindigkeit ihrer chemischen Reaktionen abhängen, brauchen sie für ausreichende Wirkung Mindesttemperaturen, üblicherweise als „Light off“ charakterisiert. Im Allgemeinen werden diese durch die heißen Temperaturen der Abgase erreicht, weswegen der ‚Kaltstart‘ eines nicht aufgewärmten Motors mit anschließendem ‚Gammelbetrieb‘ bei niedriger Motorlast der kritische Fall ist – der vor allem in Ballungsgebieten durchaus vorkommt, so bei Kurzstrecken über verstopfte ebene Straßen. Wiewohl diese Herausforderung nicht neu und in der Vergangenheit durch Funktionen wie „Katheizen“ (Abgastemperatur nach Kaltstart schneller erhöhen durch uneffizienten Motorbetrieb z. B. durch Zündverstellung) große Verbesserungen erzielt wurden, dominieren die ersten 1 bis 3 Minuten nach einem Kaltstart das gesamte Emissionsverhalten, insbesondere bei Ottomotoren. Würden alle fahrbaren (und damit zu überprüfenden) Arten eines ‚Gammelbetriebes‘ keine erhöhten Emissionen erlauben, müsste die Abgastemperatur durch aufwändige Zusatzsysteme wie die Eindüsung von Kraftstoff extrem schnell erhöht werden, welche nur in seltenen Ausnahmefällen einzelner Fahrsituationen zum Einsatz kämen. Nun liegt seitens der Autoindustrie kein konkreter Vorschlag vor, die durchaus vorhandenen technologischen Möglichkeiten einer weiteren Verkürzung der Aufheizzeiten nach Kaltstart im Gammelbetrieb zur Emissionsminderung zu nutzen: elektrisch beheizte Katalysatoren sind inzwischen Stand der Technik; nicht zuletzt die breite Einführung der 48 V-Bordnetze erlaubt darüber hinaus, die Motorlast nach Kaltstart durch stärkere Generatoren und Batterien weiter zu erhöhen, was die Abgastemperaturen schneller steigen lässt. Eine 50 % Verbesserung gegenüber Euro 6d erscheint machbar. Besonders hohe Emissionen ergeben sich, wenn nach Kaltstart oder aus Gammelbetrieb mit (noch) kalten Katalysatoren dynamisch, aber auch stationär hohe Drehzahlen und Lasten gefahren werden, was durch starke Beschleunigungen, Steigungen oder hohe Auslastungen mit Anhängern auftreten kann. Ein solcher Fahrzustand mit sehr hohen Emissionsfaktoren4 würde jedoch nur wenige Sekunden

bis unter einer Minute dauern, weil die hohe Motorlast die Abgassysteme sehr schnell auf Temperatur bringt. Ein bislang nicht diskutierter Ansatz ist es, für diese kurze Zeiten Drehzahl und Last und damit Fahrleistung im Sinne der Emissionsminderung zu begrenzen, also das Fahrzeug abzuregeln. Unter dem euphemistischen Leitbegriff „Fahrbarkeit“ würde dies von Automobil-Entwicklern und -Verkäufern absehbar zu heftigem Widerspruch führen, selbst wo es um Zeitdauern kaum im Minutenbereich geht. Hier sollten Denkverbote überwunden werden, zumal Abrege lungen bei hochmotorisierten Fahrzeugen und durch Notlauf bei Fehlfunktionen Stand der Technik sind. Außerhalb des Kaltstart-Betriebes sind mittlere hoch lastige Betriebsweisen kaum kritisch, weil die hohen Abgastemperaturen eine wirksame Abgasnachbehandlung fördern. Die früher übliche Volllast-Anfettung von Ottomotoren (λ<1)5, welche Spitzentemperaturen des Abgases begrenzt 6 und zwangsweise um Größenordnungen erhöhte Emissionen an HC und CO bedeutete, muss unter Euro 7 beendet sein, selbst wenn dadurch die maximale (Dauer-)Leistung eines Benziners begrenzt würde. In der US-Gesetzgebung ist λ = 1 inzwischen explizit vorgeschrieben. In der EU kann bei RDE der Euro 7 die oberer Dynamikgrenze entfallen oder auf extrem unsinnige wie unrealistische Fälle nur noch stark erweitert beschränkt werden, so dass implizit die Volllast-Anfettung nicht mehr eingesetzt werden könnte. Die Partikelemissionen des Abgases werden schon seit Euro 6d meist durch Partikelfilter stark minimiert. Trotz der Absenkung der minimalen Teilchengröße auf 10 nm vergibt der Euro 7-Entwurf die Chance, indirekt wirksam die teilweise vorhandene Filtrationslücke im Bereich von 50 bis 200 nm weiter zu schließen, z. B. über eine mögliche verbesserte Porencharakteristik der eingesetzten Substrate. Bei Dieseln tritt eine Filtrationslücke typischerweise in unter 10 % der Betriebszeit (im Neuzustand oder direkt nach und während der Regenration des DPF) auf, denn außerhalb filtert der Rußkuchen auf der Filteroberfläche sehr wirksam. Bei Ottomotoren ist das Partikelaufkommen im Rohabgas zwar geringer, die Filtrationslücke jedoch fast permanent graduell vorhanden, weil sich üblicherweise kaum ein Rußkuchen bildet. Eine weitere angemessene Chance erscheint es, für kleinere und damit billigere Fahrzeuge die Emissionsanforderungen länger bei Euro 6d zu belassen oder graduell abzuschwächen, auch wenn diese überproportional in Ballungszentren gefahren werden und es der Vision Zero widerspricht. Eine einfache, plausible Begrenzung wäre über die maximale Leistung des Verbrennungsmotors von z. B. unter 80 kW vorzunehmen7. Zunächst ergäbe das eine gesellschaftlich überfällige Incentivierung für die Autohersteller, das kostensensible Segment der Klein- und Kompakt

Emissionsfaktor als Begriff für spezifische Emissionen, hier wie eingeführt pro gefahrenem km.

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Luftzahl Lambda: λ =1 bedeutet, für die zugeführte Luftmenge wird genau so viel Kraftstoff eingespritzt, dass dessen Verbrennung allen Sauerstoff der Luft aufbraucht. Eine Regelung auf λ =1 im Mittel ist essentiell für die Wirkung des 3-Wege-Katalysator. Der hier eingeführte Begriff „Bauteilschutz“ ist zwar technisch nachvollziehbar, jedoch ebenfalls euphemistisch, da eine opportune Bewertung im Vergleich zu „Umweltschutz“ oder „Gesundheitsschutz“ ausblendend. Oder eine stufenweise Einführung: >150 kW ab 2025, >110 kW ab 2026, > 80 kW ab 2027, ab 2028 alle.

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wagen nicht zu vernachlässigen, statt einer Luxusstrategie zu folgen, die zu immer schwereren und höher motorisierten Fahrzeugen führt. Des Weiteren würde es insgesamt der Luftqualität zu Gute kommen, denn diese Klein- und Kompaktwagen, von sozial schwächeren Menschen in der gesamten EU, nicht zuletzt in ärmeren Regionen in hoher Anzahl genutzten Fahrzeuge würden sonst noch länger als Altfahrzeuge betrieben werden, deren Emissionen oft um Faktoren höher liegen. Eine alleinige Strategie, diese Wagenklasse in der Flotte zeitnah vollständig zu elektrifizieren, ist auf mindestens zwei Jahrzehnte absehbar eine Illusion und damit kontraproduktiv für die Vision Zero.

3. Perspektiven einer Flottenüberwachung auf Hochemittenten In den letzten Jahren sind einige Untersuchungen veröffentlicht worden, z. B. [Bern21] [Burt19] [Domi18], welche die Verteilung von Flottenemission über Stichproben einzelner Fahrzeuge quantifizieren. Dabei wird generell eine stark schiefe Verteilung über die einzelnen Bestandsfahrzeuge festgestellt (siehe Abb. 1 und Abb. 2). Auch wenn diese Verteilungsfunktion zwischen den Publikationen variiert, ist eine zentrale Aussage konsistent: die Gesamtemissionen werden durch ‚Hochemittenten‘ dominiert; typisch sind Quantifizierungen derart, dass 80 % oder 90 % der Gesamt emissionen von dem kleinen Anteil Fahrzeugen verursacht werden, welche die höchsten Emissionen aufweisen.

Auch wenn eine Quantifizierung eines Limits für ein hoch emittierendes Fahrzeug diesen Beitrag sprengt, geht es nicht um Überschreitungen von einigen Prozent bis zur Verdoppelung, sondern um mindestens eine bis über zwei Größenordnungen, d. h. um den Faktor 10 bis über 100. Letzteres würde bedeuten, dass ein Fahrzeug als Hochemittent mehr als 100 „gesunde“ Fahrzeuge ausstößt!

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Abb. 1: Verteilung Partikelanzahl PN von 400000 Benzinfahrzeugen in Mexico City [Domi18] nach [AMay23]

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Aus Fachkenntnis der Fahrzeugtechnologie, insbesondere der Abgasnachbehandlung ist eine Ausbildung von Hochemittenten in der Flotte erklärbar. Dominante Mechanismen einer stark reduzierten Effektivität der Emissionsminderungs-Technologie sind: (1) Benzinfahrzeuge erreichen seit Jahrzehnten sehr geringe Emissionen an HC, CO und NOx durch den Drei-Wege-Katalysator und eine Regelung auf Lambda 1. a. Ist die Lambda-Regelung verstimmt oder gestört, geht der Ausstoß von CO und HC im Fall von λ < 1 (fettes Gemisch) um Faktoren hoch, bei λ > 1 der von NOx. b. Ist die katalytische Wirksamkeit herabgesetzt, sei es durch Alterung oder auch mangelhafte Beschichtung von schlecht überwachten Ersatzteilen, werden die Dauern stark erhöhter Emissionen nach Kaltstart oder im Betrieb bei niedriger oder dynamisch stark schwankender Last erheblich ausgeweitet. (2) Dieselfahrzeuge haben seit Einführung der serienmäßigen geschlossenen DPF ab den 2000er Jahren (schon in vielen Fahrzeugen der Euro 4, komplett mit Euro 5) generell sehr geringe Emissionen an Partikeln, sowohl in Masse PM als auch in Anzahl PN [HBEF42]. Bei diesen DPF treten Defekte dreier dominanter Kategorien auf: a. Die weit überwiegende Anzahl an DPF sind Kanal filter als keramisches Substrat. Sofern Defekte auftreten, sind Risse oder andere Öffnungen typische Schadensbilder, die unentdeckt im Betrieb durch thermische und mechanische Belastungen sich rasch vergrößern können. Die Druckverlust-Charakteristik treibt dann einen überproportional steigenden Anteil des Abgases durch die defekten Stellen, wo kaum noch Partikel abgeschieden werden. Zur Beachtung: Rohemissionen bei Dieseln sind typischerweise 100‑fach höher, DPF ohne Defekt erreichen Filtrationswirkungen von im Allgemeinen > 99 %. b. Die zyklische Regeneration des DPF durch Oxidation des gesammelten Rußes erfolgt über eine modellierte Berechnung der Rußbeladung in der Motorsteuerung, keineswegs allein getriggert durch Differenzdrucksensoren. Die dabei dynamisch und lo-

Abb. 2: Verteilung Partikelanzahl PN bei unterem Leerlauf über 1000 Diesel F ahrzeuge mit DPF in Zürich [Burt21] nach [AMay23]

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kal verteilt auftretenden erhöhten Temperaturen stressen das Filtermaterial. Diese Zusammenhänge sind seit ca. 2 Jahrzehnten verstanden und im All gemeinen beherrscht. Wird dieses System gestört, z. B. durch stark erhöhte Rußemissionen bei gealterten Motoren oder hohem Ascheeintrag in den DPF und dadurch reduzierter Filterfläche, können während der Regeneration Defekte initiiert werden, wie sie unter a. beschrieben wurden. c. Selbst wenn sie nur einen geringen Anteil in der Flotte haben, müssen Manipulationen, insbesondere der Ausbau oder mutwillige mechanische Zerstörung von Filtern beachtet werden, wegen der Zwangsfolge eines Hochemittenten. Dies erfordert eine Überwachung der Flotte, auch wenn seit langem die Onboard-Diagnose OBD den Anspruch haben muss, eine Manipulation zu erkennen. (3) Die NOx-Emissionen von Diesel-Pkw im Realbetrieb waren vor der RDE-Vorgabe im Allgemeinen um Faktoren über den nominalen Grenzwerten von 180 bzw. 80 mg/km (Euro 5 bzw. 6 a,b,c). Mit der Normstufe Euro 6d wurden SCR-Systeme hoher Effektivität appliziert, welche a. durch Fehlfunktionen der dosierten Einspritzung des Reduktionsmittels AdBlue in den Abgasstrang b. durch die Bildung von polymerisierten Ablagerungen dortselbst c. durch verminderte Wirkung der eingebauten SCR- Katalysatoren d. durch Manipulation insb. des nachzufüllenden Reduktionsmittels AdBlue zu Hochemittenten werden können, selbst wenn diese Fälle über eine wirksame OBD zu identifizieren sein sollten. (4) Die NOx-Emissionen von Diesel-Pkw der Norm Euro 5 und zum Teil der Euro 6 a,b,c wurden in weiten Teilen über Abgasrückführung, also AGR-Strecken zwischen Abgas strang und Frischgas-Seite gemindert. Deren Fehlfunktion z. B. durch Ablagerungen am Ventil und Wärmeübertrager dürfte zu graduell erhöhten NOx-Emissionen führen, die von Serienapplikationen schwerer zu unterscheiden sind, welche ihren Schwerpunkt der Emissionsminderung im begrenzten Bereich der Prüfzyklen hatten. (5) Partikelfilter sind bei Benzinfahrzeugen erst seit Euro 6d und damit 2018 im Einsatz, so dass weniger Betriebserfahrungen aus Fahrzeugen mit hoher Laufleistung vorliegt. Trotz andere Charakteristik der Partikelspeicherung sind ein gewisser Anteil an Funktionsminderung gemäß (2) a. und c. nicht auszuschließen. Einige Unschärfe in Kauf nehmend sei hier quantitativ an Beispielen ausgeführt, wie viel wirksamer eine Eliminierung von Hochemittenten im Vergleich zu einer (fragwürdig öffentlichkeitswirksamen) Minderung der Neufahrzeug-Emissionen um nominell 50 % wäre: I. Ein Diesel mit serienmäßigem, gesunden DPF nach Euro 5 und 6 emittiert im Mittel 2 mg/km PM bzw. 2 · 1011 PN, der Euro 7 Diesel erreiche dann die Hälfte. Diese Minderung würde bei 100 Neufahrzeugen von einem einzigen Hochemittenten mehr als zunichte gemacht, wenn er

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durch defekten DPF 100 mg/km bzw. 2 · 1013 PN emittiert, was durchaus oft beobachtet wurde. II. Ein Euro 6d-Diesel emittiere im Mittel 40 mg/km NOx, der Euro 7 Diesel erreiche dann 20 mg/km. Diese Minderung würde bei 100 Neufahrzeugen von einem einzigen Hochemittenten mehr als zunichte gemacht, wenn es a. Als Euro 5 statt 500 durchaus mögliche 2500 mg/km NOx b. Als Euro 6b statt 300 durchaus mögliche 2300 mg/ km NOx ausstößt. Wichtig ist hier, für die Neufahrzeuge als mittlere Emission nicht die Grenzwerte, sondern die erhebliche niedrigeren ‚Realemissionen‘ ins Verhältnis zu den ebenfalls realen Emissionen von Hochemittenten zu stellen. Mit der Euro 7 soll die gesetzlich definierte Lebensdauer von 5 Jahren/100.000 km auf 8 Jahren/160.000 km erweitert werden, was zu begrüßen ist. Bei heutigen Medianen des Flottenalters bei Pkw in der EU, zwischen 8 Jahren bis zu 14 Jahren in ärmeren Ländern, d. h. 50 % der zugelassenen Fahrzeuge sind älter, erscheint diese Maßnahme als nicht hinreichend. Selbst wenn die Neuzulassungen bis 2035 wie beschlossen voll elektrifiziert sein werden, werden Schadstoffemissionen von Bestands- bzw. dann „Altfahrzeugen“ in der 30er, absehbar auch in den 40er Jahren keineswegs vernachlässigbar sein. Auch bei erhöhten Kraftstoffpreisen und vielfach dargestellten geringeren Kosten über Lebensdauer von E-Fahrzeugen wird es für eine große Anzahl EU-Bürger attraktiv bleiben, ihr bezahltes Bestandsfahrzeug über ein Alter von 15, 20 und mehr Jahren für eine typischerweise geringere Jahresfahrleistung (und damit laufenden Kraftstoffund Wartungskosten) zu nutzen, wie es seit langem vor allem in ärmeren Teilen der EU zu beobachten ist. Wenn darunter ein nicht kleiner, steigender Anteil als Hochemittenten Verkehrsleistung erbringt, was ohne Maßnahmen zu erwarten ist, bleiben wir vom angestrebten Level Zero noch lange entfernt. Austausch von Argumenten und Ausgleich von Interessen sind unverzichtbarer Teil demokratischer Gesetzgebung. Daher erscheint es aus technisch-wissenschaftlicher Sicht opportun, statt Neufahrzeuge auf minimalste Emissionen in selten auftretenden, extremen Betriebssituationen zu verpflichten und damit erheblichen Aufwand an Entwicklung, Ausrüstung und teilweise zusätzlichem Energie-/Kraftstoffverbrauch zu verursachen, im Gegenzug von Kfz-Herstellern einen substanziellen Beitrag bei der Minderung der gesamten Emissionen über die Bestandsflotte außerhalb der bestehenden Gewährleistung zu erreichen. Neben einer gesetzlichen Regelung, deren Realisierung viele Jahre in Anspruch nehmen dürfte, wäre ein Fonds denkbar, den die Hersteller über Jahre proportional zu Anzahl, Alter und Wert der Flottenfahrzeuge ihrer Marke ausreichend ausstatten, aus dem bei Identifikation eines Hochemittenten Fahrzeugs ein Beitrag geleistet würde ➤ defekte Partikelfilter auszutauschen ➤ minder wirksame Katalysatoren auszuwechseln ➤ relevante Systemkomponenten des Motormanagements wie Injektoren, Lambda- und andere Sensoren sowie Software zu ersetzen. 3·2023 Immissionsschutz

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Ein Fahrzeughalter sollte immer einen Eigenanteil über nehmen, so wie bisher die Kosten für typischerweise nicht auf Fahrzeuglebensdauer auslegbare Komponenten wie Zündkerzen, dennoch wird die „Gesundung“ des hoch emittierenden Fahrzeugs aus dem Fonds kofinanziert und damit immer wirtschaftlich sein. Die genaue Ausgestaltung dieses Ansatzes geht über diesen Beitrag hinaus. Bei der Identifikation von Hochemittenten existieren vielfältige Untersuchungen und erste definierte Regulierungen: so können durch Messung der Partikel-Anzahl im Leerlauf, also in einer zertifizierten Werkstatt oder beim technischen Dienst, defekte DPF festgestellt werden. Bei minderwirksamen Katalysatoren erscheint das gleichfalls möglich, jedoch ist noch mehr Forschung und Entwicklung notwendig. Eine substanzielle aktive Beteiligung von Herstellern und System-Zulieferern könnte für sie ein Entgegenkommen bei den Anforderungen an Neufahrzeuge im Rahmen der Euro 7-‚Verhandlungen‘ ergeben. Ebenfalls sind Aktualisierungen der Fahrzeug-Software und -Bedatung für eine nachgewiesene Emissionsminderung im Bestand, z. B. durch Einschränkung der Volllast-Anreichung bei älteren Benzinfahrzeugen positiv anzurechnen. Den Herstellern würde man auch dadurch entgegenkommen, indem einige Ausgaben in die Zukunft verlagert würden, wo sie auf die in diesen Jahren hohen Kosten für die Konversion der Antriebstechnik verweisen. Die zielführende Emissions-Minderung von Hochemittenten im Bestand wäre konsequent auch auf historische Fahrzeuge auszudehnen, denn der Schutz von Gesundheit und der Umwelt sollte klar das höhere Gut im Vergleich zur Pflege des mobilen Kulturgutes Auto sein. Dazu erscheint eine Limitierung des Betriebes der historischen Fahrzeuge auf einige Tage oder wenige km pro Jahr, insbesondere bei Benzinfahrzeugen ohne geregeltem 3-Wege-Kat oder gar mit Vergasern und bei Dieseln ohne serienmäßigem Filter. Auch die in früheren Jahren nachgerüsteten DPF, welche in Deutschland immer noch die gleiche grüne Feinstaub- Plakette haben wie die vielfach effektiver filternden serienmäßige DPF wären durch Begrenzung der Fahrleistung zu belegen, denn ihre üblicherweise offene Konstruktion, die über als Bypass bezeichnete Pfade dem Abgas ungefiltertes Ausströmen bieten, haben weitgehend den gleichen Effekt wie die oben beschriebenen Defektmechanismen eines geschlossenen Filters. Man mag einwenden, dass die diskutierte Euro 7-Gesetzgebung alleine die Zulassung von Neufahrzeugen und deren Verhalten über definierte Lebensdauer umfasst und die Auswirkungen des Betriebs von Bestandsfahrzeugen durch andere Rechtsnormen zu regeln sei. Wo erstere jedoch zen-

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tral sich auf den Schutz von menschlicher Gesundheit und der Umwelt beruft, sei der Hinweis erlaubt, dass diese Zielsetzung wohl ein höheres Gut darstellen sollte als ein striktes Beharren auf getrennten Strukturen unseres legislativen und exekutiven Systems, wenn durch zielgerichtete Verknüpfung signifikante Fortschritte erreicht werden können.

4. Fazit Der vorliegende Entwurf Euro 7 wird dem Anspruch nicht gerecht, in der EU bestmögliche Luftqualität aus den Emissionen des Straßenverkehrs zu erreichen. Vielmehr verschenkt er wesentliche Chancen: ➤ Die Fokussierung, Emissionen von Neufahrzeugen in seltenen und technologisch anspruchsvollen Betriebssituation zu minimieren, erreicht integral nur eine marginale Verbesserung der Luftqualität. ➤ Selbst die weitere Verminderung der mittleren Emissionen bei ‚normalen‘ Fahrweisen erreicht wenig Verbesserung gegenüber dem mit Euro 6 d bereits stark reduzierten Niveau an Emissionen. ➤ In den kommenden Jahrzehnten werden Emissionen der Bestandfahrzeuge immer stärker dominieren, charakterisiert durch eine wachsende Anzahl von Hochemittenten (z. B. > 10-fach über Grenzwerten) durch gealterte, defekte oder gar manipulierte Abgasnachbehandlungssysteme. ➤ Dem Pareto-Prinzip folgend, Haupteinflussfaktoren eines komplexen Problems zu erreichen, vergeben die laufenden Diskussionen zur Gesetzgebung die große Chance, die Hersteller bei der Minimierung der Emissionen durch Hochemittenten in der Bestandsflotte wirksam einzubinden. n

Abkürzungen ACEA

Association des Constructeurs Européens d’Automobiles, der europäische Automobilherstellerverband AGR Abgasrückführung ANB Abgasnachbehandlung BPF Benzin-Partikelfilter cf conformitiy factor: Verhältnis Messwert zu Grenzwert DPF Dieselpartikelfilter EA Emission Analytics, ref. www.emissionsanalytics.com/about HBEFA Handbuch der Emissionsfaktoren HC Kohlenwasserstoffe NEFZ ‚Neuer‘ Europäischer Fahrzyklus, bis einschl. Euro 6b gesetzlich verankerter Prüfzyklus, inzwischen vom WLTC abgelöst OBD On-Board-Diagnose PEMS portables Emissions-Messsystem

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PM PN RDE SCR UFP VDA WLTC

Particulate Matter, engl. für Partikel-Emissionen; ebenso für Partikelmasse als physikalische Größe, die in Emissionen und Immissionen limitiert ist Partikel-Anzahl, physikalische Größe, die (bislang nur) bei Emissionen limitiert ist Real Drive Emissions, i. e. S. Prüfverfahren einer Emissionsmessung im Straßenverkehr unter einer Bandbreite an Betriebsbedingungen, eingeführt mit Euro 6 d gemäß [EU427] selektiv-katalytische Reduktion (hier von NOx durch Ammoniak, i. a. mittels eingedüster Harnstoff-Wasser-Lösung AdBlue®) Ultrafeine Partikel (i. Allg. kleiner als 100 nm) Verband der Automobilindustrie Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle, seit Euro 6c gesetzlich verankerter Prüfzyklus als Teil der WLTP (P für Prozedur)

Quellen [AMay23] A. Mayer, J. Czerwinski, Th. Lutz, V. Hensel, L. Rubino, L. Larsen, M. Lehmann ,J. Dumno,D. Engelmann; Highly efficient nanofilter system for large scale petrol engine retrofit, core part of the EU Horizon Project AeroSolfd; FILTECH 2023 – Cologne 14– 16 February 2023 [Ayal21] Ayala A./CARB et al in D. Brugger “Ambient combustion ultrafine particles and health”; Nova ed. 2021, ISBN 9781536188318 [Bern21] Bernard Y./ICCT et al.; Evaluation of real-world vehicle emission in Brussels; true-report 2021 [BMV19] Anforderungen an Stickoxid-Minderungssysteme (NOx-Minderungssysteme) mit hoher Minderungsleistung zur Einhaltung eines Emissionswerts von weniger als 270 mg/km NOx für Kraftfahrzeuge mit Selbstzündungsmotor (NOxMS-Pkw) vom 12. Juli 2019, aus www.bmvi.de, abgerufen 23. 09. 2019 [Burt19] Burtscher H./FHNW et al; A new periodic technical inspection of particle emissions of vehicles; Emission Control Science and Technology July 2019 [Domi18] Dominguez C./GESPA; Assessment of particle emission contributions from 400’000 in-use vehicles during PTI in Mexico City 2018; JRC No. CTEX2020D380212-101 [EU715] VERORDNUNG (EG) Nr. 715/2007 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 20. Juni 2007 über die Typgenehmigung von Kraftfahrzeugen hinsichtlich der Emissionen von leichten Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen (Euro 5 und Euro 6) …“ [EU427] Verordnung EU 2016/427: Definition RDE-Prüfverfahren [EU7_22] 2022/0365 (COD) Proposal for a REGULATION OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on type-approval of motor vehicles and engines and of systems, components and separate technical units intended for such vehicles, with respect to their emissions and battery durability (Euro 7) and repealing Regulations (EC) No 715/2007 and (EC) No 595/2009, 10. 11. 2022 https://ec.europa.eu/transparency/documents-register/api/ files/COM(2022)586_0/090166e5f39c64d8?rendition=false; abgerufen 13. 02. 2023

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Kontakt Prof. Dr.-Ing. Hermann Koch-Gröber Studiengang: ASE Automotive Systems Engineering Hochschule Heilbronn Max-Planck-Str. 39 74081 Heilbronn Germany koch-groeber@hs-heilbronn.de

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