Für bessere Luft in Innenstädten

Vor wenigen Jahren begann eine intensive gesellschaftliche und mediale Debatte um Fahrverbote, Luftbelastung in den Innenstädten und Grenzwertüberschreitungen. „Das war für uns die Initialzündung, eine ‚Arbeitsgruppe Luftqualität‘ aus der Taufe zu heben. Denn es geht uns im Unternehmen nicht nur darum zu erfüllen, was der Gesetzgeber bei den Grenzwerten für unsere Fahrzeuge vorschreibt“, sagt Ernst Peter Weidmann aus dem Bereich Mercedes-Benz External Affairs. „Wir haben viele Hebel in Bewegung gesetzt, um tief in das Thema Luftqualität einzusteigen, die komplexen Zusammenhänge zu verstehen und die Belastung der Luft durch unsere Fahrzeuge erst transparent zu machen und dann auch nach Möglichkeit zu reduzieren.“

2019 formulierte Mercedes-Benz dann ein sehr ambitioniertes Ziel: Bis 2039 eine CO₂-neutrale Neuwagenflotte anbieten – einhergehend mit einer verbindlichen Aussage zur Luftqualität. 2025 soll die Neuwagenflotte keinen relevanten Einfluss mehr auf das Stickstoffdioxid-Niveau (NO₂) im urbanen Raum haben. „Als Teil der Automobilindustrie wollen wir aktiv mithelfen, die Luftqualität in den Städten zu verbessern und unserer gesellschaftlichen Verantwortung gerecht werden. Und natürlich sind auch die Anforderungen von Politik und Öffentlichkeit sowie die zu erwartenden Grenzwertverschärfungen wichtige Treiber für unsere intensive Arbeit am Thema Luftqualität“, erklärt Weidmann.

Von der Emission zur Immission

Philipp Werner von der Motorenentwicklung geht seither mit viel Herzblut an die komplexen Aufgaben. Seit gut drei Jahren kümmert er sich fast ausschließlich um das Thema Luftqualität. Aber nicht alleine. Thomas Fetzer, im Konzernumweltschutz für das Thema Luftqualität zuständig, unterstützt ihn als sein Tandempartner. Gemeinsam bilden sie den Kern des Teams Luftqualität und sind im ständigen Austausch mit den Entwicklungsbereichen. „Wir haben 2018 damit begonnen, ein detailliertes Modell zu erarbeiten, das die Auswirkung unserer Fahrzeuge auf die NO₂-Belastung an den städtischen Hotspots abbilden kann“, erklärt Philipp Werner. „Und da wir Deutschlands bekannteste Messstation vor der Haustüre haben, war das Neckartor in Stuttgart unser Schwerpunkt, um die Stickoxid-Werte zu simulieren und zu modellieren.“ Im Jahr 2019 kam dann das neue Projekt von der Ambition 2039 hinzu. Die Aufgabe: transparent aufzuzeigen, wie groß der Einfluss der Mercedes-Benz Neufahrzeuge auf die NO₂-Belastung in urbanen Gebieten ist.

Philipp Werner und Thomas Fetzer schauten sich dafür nicht nur die Emissionen verschiedener Fahrzeuge, sondern auch die Quereinwirkungen am Hotspot an. Die beiden Ingenieure mussten dazu neue Kernkompetenzen aufbauen. Ebenso unerlässlich war es, den Blick über den Tellerrand zu werfen und sich mit der wissenschaftlichen Community, Universitäten, Professoren und Institute, die sich mit dem Thema Luftreinhaltung beschäftigen, kontinuierlich auszutauschen.

Thomas Fetzer gibt einen kleinen Einblick in die Tiefen seiner Modellierungsarbeit. Zuerst wird am Hotspot die NO₂-Belastung des aktuellen Jahres und der letzten Jahre analysiert: „Wir schauen uns mehrere Bereiche an, die in die Berechnung der Stickoxid-Emissionen (NOₓ) und Stickstoffdioxid-Immissionen (NO₂) einfließen.“ Die Experten blicken auf die Emissionen der vorbeifahrenden Fahrzeugflotte. Welche Antriebe und Eurostufen sind mit welchem Schadstoffausstoß am Hotspot unterwegs? Die Analyse des lokalen Verkehrs ist ein weiterer Schritt. Welche Tempolimits herrschen vor? Wird eher schnell oder langsam gefahren? Ein weiterer wichtiger Bereich ist die „Ausbreitung“. Hier spielen Windstatistik, Straßenraumgeometrie und sonstige Emissionen im urbanen Umfeld mit rein.

Mercedes-Benz Motoren keine relevante Schadstoffquelle mehr

Um nun die Auswirkung der Mercedes-Benz Neufahrzeuge auf das Neckartor abzubilden und dabei wissenschaftlichen Ansprüchen gerecht zu werden, mussten die beiden noch tiefer in die Verkehrsanalyse einsteigen. Denn einer der entscheidenden Parameter ist, von wo die Fahrzeuge am Neckartor kommen und welche Strecke sie bereits vor ihrem Eintreffen dort zurückgelegt haben. Beides hat starken Einfluss auf das lokale Emissionsverhalten. „Unser Anspruch war es, das so genau wie möglich abzubilden“, sagt Thomas Fetzer.

Die Prognoseergebnisse ihrer Modellierung teilen die Mercedes-Benz Ingenieure nur zu gerne. Denn sämtliche Daten deuten darauf hin, dass der Meilenstein „NO₂-Belastung 2025“ schon heute erreicht ist – die Mercedes-Benz EU6d-Autos also keinen relevanten Einfluss mehr auf das NO₂-Niveau an der Messstation haben. "Wir haben unsere Ziele tatsächlich schon erreicht und stellen fest, dass unsere Fahrzeuge der strengen Abgasnorm Euro 6d mit ihren Niedrigstemissionen kaum noch zur NO₂-Belastung beitragen. Hier haben die Motorenentwickler also ganze Arbeit geleistet. Damit ist ein Riesensprung geschafft“, sagt Philipp Werner.

Keinen Einfluss mehr auf die NO₂-Belastung – wie muss man sich das vorstellen? Philipp Werner und Thomas Fetzer erklären es so: „Das NO₂-Niveau am Hotspot stammt grundsätzlich aus zwei Quellen: dem Nicht-Verkehrshintergrund sowie dem Pkw- und Lkw-Verkehr. Ersetzt man zum Beispiel alle Fahrzeuge, die das Neckartor täglich passieren, durch Mercedes-Benz Fahrzeuge der EU6d-Norm, so würde der verkehrsbedingte NO₂-Anteil auf unter 2µg/m³ sinken. Zum Vergleich: 2019 lag der verkehrsbedingte NO₂-Anteil nach unseren Analysen bei ca. 30µg/m³." Und wie wirkt sich das nun auf die NO₂-Belastung in den nächsten Jahren aus? „Die NO₂-Werte an den Hotspots werden Jahr für Jahr weiter fallen, denn durch die stetige Flottenerneuerung auf der Straße kommen immer mehr Fahrzeuge der Abgasnorm EU6d oder elektrisch betriebene Fahrzeuge hinzu“, unterstreicht Philipp Werner.

Beim Beispiel Stuttgart hat es das Kernteam Luftqualität natürlich nicht belassen, sondern sich noch weitere NO₂-Hotspots vorgenommen, die eine andere Verkehrscharakteristik aufweisen – etwa die verkehrsstarke Landshuter Allee in München mit viel Lkw-Verkehr (tägliche Verkehrsstärke 120.000 Fahrzeuge). Auch hier zeigt sich der gleiche Effekt wie in Stuttgart.

Next Big Thing: Feinstaub

Wenn der Motor nicht mehr der große Treiber für die Luftbelastung ist, bleibt immer noch der Feinstaub, zu dem der Autoverkehr einen Teil beiträgt. Auch diesem Thema will sich der Konzern stellen und sich aktiv darum kümmern, die Zusammenhänge zu verstehen und Maßnahmen zur Feinstaubreduzierung zu erforschen. „Feinstaub ist vielschichtiger und deutlich komplexer als NO₂“, erklärt Philipp Werner.

Das Schwierige: Beim Feinstaub handelt es sich nicht um einen singulären Schadstoff, sondern einen Mix unterschiedlichster Partikel, die aus verschiedenen Quellen stammen. Ein großer Teil beruht auf mechanischen Prozessen wie Reifen- und Bremsenabrieb. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit gelten europaweit Grenzwerte für die Feinstaubfraktion PM10 (Tagesgrenzwert: 50 µg/m³). Aber auch die noch kleineren Partikel PM2,5 (1/40 von dem Durchmesser eines menschlichen Haares) rücken zusehends in den Fokus. Wie viel Feinstaub genau welcher Quelle zuzuordnen ist, lässt sich aktuell nur grob beziffern, da die Angaben stark schwanken und meist auf Modellen und Annahmen beruhen. „Hier ist noch viel Pionierarbeit zu leisten. Die Forschung ist in den Anfängen, die Messverfahren sind noch nicht ausgereift. Trotzdem wollen wir im Konzern jetzt tief einsteigen und unsere Kompetenzen ausbauen“, sagt Philipp Werner.

Darüber hinaus soll ein Modell für Feinstaub-Hotspots aufgebaut werden – analog zum NO₂-Modell – um die messtechnischen Aktivitäten im Konzern zu begleiten. Philipp Werner: „Das Modell soll uns helfen, die Wirkmechanismen zu verstehen und einzuordnen, wie sich zum Beispiel eine Maßnahme am Fahrzeug auf die tatsächliche Feinstaubbelastung am Hotspot auswirkt.“ Auch Thomas Fetzer betont, dass die Modellierung beim Feinstaub anspruchsvoller wird. „Bei Stickoxiden haben wir die Auswirkungen von Abgasemissionen im Jahresmittel betrachtet. Beim Feinstaub sind hingegen Tageswerte relevant, wir brauchen hier genauere Eingangsdaten und müssen zudem weitere Emissionsquellen am Fahrzeug und deren Auswirkung auf die Feinstaubbelastung am Hotspot berücksichtigen.“

Bremsen auf dem Prüfstand

Den Emissionen, die nicht aus dem Auspuff kommen – auch Non-Exhaust-Emissions genannt – widmen Georg Frentz und Anna Benkowitsch im Projekt „Feinstaub Bremsen“ derzeit viel Aufmerksamkeit. Am speziell für die Messung von Bremsenemissionen modifizierten Prüfstand untersuchen die Ingenieurin und der Ingenieur das Emissionsverhalten der Bremsen verschiedener Fahrzeugtypen von Mercedes-Benz. Die Bremse wird dafür in eine Box „eingehaust“. Im nächsten Schritt strömt feingefilterte saubere Luft ein. Dann werden Bremsungen durchgeführt. „Am anderen Ende, im Abluftrohr der Box, können wir schließlich die Emissionen unter speziellen Bedingungen messen. Daraus lässt sich der Mengenanteil der Feinstaubpartikel in der Luft bestimmen und auf den eigens dafür entwickelten WLTP-brake-Fahrzyklus hochrechnen“, erklärt Benkowitsch, die Anfang 2020 aus der Fahrwerksimulation in die Bremsenfachabteilung wechselte. WLTP steht für Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure, also dem Verfahren, nach dem alle Pkw und leichte Nutzfahrzeuge für die Zulassung geprüft werden müssen.

Georg Frentz beschäftigt sich schon seit 2016 mit dem Messverfahren. „Richtig losgelegt haben wir dann 2018. Seitdem können wir am modifizierten Prüfstand selbst messen. Die Tests fahren wir nun Jahr für Jahr weiter hoch. Am Anfang waren es noch erste Gehversuche in Zusammenarbeit mit dem Institute of Automotive Engineering an der TU Darmstadt. Ein Doktorand, der für uns geforscht hat, unterstützt uns immer noch bei weiteren Untersuchungen“, so Frentz. Viel zu messen also, bis die richtigen Konzepte, Maßnahmen und Stellhebel gefunden sind, die zu einer Emissionsreduzierung von Feinstaub beitragen können.

Beim Thema Bremsen gibt es noch viele weitere offene Fragen, zum Beispiel wie sich die Rekuperation von Elektroautos am Prüfstand bewerten lässt und welche Partikeleinsparungen hier zu erwarten sind. „Das ist ein großes Arbeitspaket, das wir anpacken wollen. Grundsätzlich kann man aber sagen, dass mit zunehmender Elektrifizierung natürlich die Rekuperation ansteigt und damit das Thema Bremse mit Blick auf die Feinstaubfraktion PM10 aus dem Fokus rückt“, erklärt die Mercedes-Benz Ingenieurin. Georg Frentz unterstreicht: „Wir sind auf einem guten Weg, die Zusammenhänge bei der Feinstaubproblematik immer besser zu verstehen. Perspektivisch können wir im Anschluss technische Lösungen entwickeln, die dabei helfen, Feinstaubbelastungen zu reduzieren.“