Die am Projekt beteiligten Partner, Lohmeyer GmbH und die Hochschule Düsseldorf, haben sich auf nachfolgende Projektbeschreibung als gemeinsame Projektbeschreibung zur Entwicklung einer „Software zur Bestimmung der Abgasbelastung durch die Binnenschifffahrt (SoBAB)“ geeinigt. 

Die Binnenschifffahrt ist ein wichtiger Teil der europäischen Infrastruktur und des Logistik-Sektors. Befördert werden vor allem Container, chemische Erzeugnisse, Schüttgüter sowie Gefahrgüter. Die Binnenschifffahrt verzeichneten auf dem Rhein im Jahr 2016 Zuwächse von 3% bis 5% im Vergleich zu 2015 und es wird eine weitere Zunahme prognostiziert. Die Infrastruktur der Binnenschifffahrt umfasst in Deutschland ca. 7.476 km Binnenwasserstraßen, die sich zu ca. 75 % auf Flüsse und zu ca. 25 % auf Kanäle verteilen (BDB, 2017). Laut Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS, 2011) haben die Mehrzahl der deutschen Großstadtregionen einen Wasserstraßenanschluss.

Die Emissionen der ca. 3600 deutschen Binnenschiffe (GDWS, 2016) sowie von Freizeit und Kreuzfahrtschiffen sorgen für teils erhebliche Einträge an Luftschadstoffen in den anliegenden Städten und Gemeinden. Um die Bewohner in den anliegenden Städten und Gemeinden zu schützen, werden in unregelmäßigen Abständen Modellierungen der durch die Binnen- aber auch Hochseeschifffahrt erzeugten Immissionen, z.B. im Rahmen von Emissions- und Immissionskatastern bzw. Luftreinhalteplänen, durchgeführt.

Für diese Modellierungen werden jedoch derzeit nur wenige bzw. keine systematischen Messungen durchgeführt. Die Modellierungen basieren derzeit auf bekannten technischen Daten oder Zulassungsdaten der eingesetzten Wasserfahrzeuge bzw. deren Motoren. Die Nennleistung beispielsweise ist in einer Emissionsdatenbank anhand der Zulassungsdaten der Motoren hinterlegt. Doch allein schon aufgrund der Altersstruktur der Flotte kommt es hier zu erheblichen Abweichungen. Anhand der Nennleistung und des Baujahres sowie gesetzlicher Emissionsgrenzwerte bzw. Stichprobenmessungen auf dem Prüfstand werden Emissionsfaktoren für die wichtige Luftschadstoffkomponenten (i.A. in g/kg Kraftstoff bzw. g/kWh) zugeordnet (siehe z.B. IFEU 2016, EEA 2016).

Für eine genaue Modellierung der realen Schiffsemissionen muss aber auch die Fahrdynamik  erfasst werden, welche Informationen über unterschiedliche Motorlastzustände (z.B. Konstantfahrt, Kurvenfahrt, Manövrieren, Gegenverkehr, unterschiedliche Wassertiefen etc.) berücksichtigt. Dazu gehört auch das Fahrverhalten an und in Schleusen, im Bereich von Liegestellen und Häfen. In vergangenen Messungen  der Hochschule Düsseldorf, wurde bereits festgestellt, dass es teilweise zu erheblichen Überschreitungen der zulässigen Emissionen kommt.  

Aufgrund dieser Ausgangslage ist die derzeitige Emissions- und Immissionsmodellierung mit großen Unsicherheiten verbunden. Es ist nicht ausreichend gut bekannt, in welcher tatsächlichen Zusammensetzung und Konzentration die Emissionen der unterschiedlichen Schadstoffkomponenten unter realen Bedingungen auftreten. Die Emissionen von flüchtigen und nicht flüchtigen ultrafeinen Partikeln sind überdies noch nicht darstellbar, weder auf der Grundlage von technischen Daten noch auf der Basis von Messungen im Feld. 

Das Ziel des Projektes ist eine genaue und verlässliche Methode zur Bestimmung der Schadstoffemission durch die Binnenschifffahrt. Eine direkte Messung der Schadstoffe im Feld ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Die Emission der Abgase entsteht bei Binnenschiffen bis auf 6 Metern Höhe, weshalb die räumliche Verortung der Abgasfahne schwierig ist. Beim Einsatz von Technologien der Fernerkundung kann von Ufer zu Ufer gemessen werden. Dabei ist es möglich gasförmige Substanzen zu ermitteln, Partikel hingegen werden nicht erfasst. Kostengünstige, ortsgebundene Systeme für eine solche Bestimmung erfordern eine Investition von ca. 200T€. Sofern verschiedene Lastzustände erfasst werden sollen, steigen die Kosten nochmals erheblich.

Das Ziel des Projektes ist daher die Erstellung einer Bediener-Software zur Quantifizierung bestimmter Emissionsparameter durch die Binnenschifffahrt. Erstmals sollen hier auch flüchtige- und nichtflüchtige Partikelanteile erfasst werden und im Modell implementiert werden. Mithilfe eines mathematischen Modells soll die Bediener-Software in der Lage sein, die Emissionen durch die Binnenschifffahrt ortsaufgelöst darzustellen. Die Bestimmung soll dabei Fahrt- und Manöversituationen der Wasserfahrzeuge (z.B. Normale Fahrt, Stromabwärts, Stromaufwärts, Kurvenfahrt, Manövrieren, Stillstand) ebenso berücksichtigen wie äußere Faktoren, wie zum Beispiel die aktuellen Wetterbedingungen (Windrichtung und –stärke, Temperatur, Sonneneinstrahlung, usw.). Im Unterschied zu bisherigen Modellen soll die Bediener-Software aber auf der Grundlage von dreidimensionalen Messungen in Kombination mit punktuellen Referenzmessungen vor Ort erstellt werden. Der innovative Charakter der projektierten Methode besteht also in der
Kombination von modellhafter Berechnung aus technischen Basisdaten mit Referenzmessungen einerseits und vor-Ort-Messungen andererseits. Die Modellvoraussage wird also gleichsam „kalibriert“ durch die Ergebnisse einer quantitativen Analyse. Diese Analytik muss naturgemäß am Ort des Geschehens, also in der Abgasfahne des Wasserfahrzeugs geschehen. Eine technologische Zielsetzung im Projekt ist es daher, mit Messtechnik ausgestattete Drohnen in dieser Abgasfahne zu manövrieren, um Referenzdaten zu erhalten, welche zusätzlich mit Messungen von Land mit zertifizierter Analysetechnik ergänzt werden sollen.

In der Anwendung soll dann die Bediener-Software mit Daten einer zeitnahen, punktuellen, Messung eine möglichst genaue Aussage über die Emission generiert werden. Es muss also auch eine Technologie für eine vor-Ort-Messung entwickelt werden. Die vor-Ort-Messung dient dabei nicht in erster Linie der genauen Bestimmung der Emission, sondern vielmehr dem Abgleich bestimmter (gemessener)  Leitparameter mit der Modellaussage. Auf diese Weise kann eine bisher unerreichte Genauigkeit bei der Quantifizierung bei gleichzeitig erheblich geringeren Kosten erreicht werden.

Projektbeschreibung (PDF, 430 kB)

Der Schienenverkehr verfügt im direkten Vergleich zu den anderen Verkehrsträgern über eine geringere Schadstofffreisetzung, eine günstigere Energiebilanz und einen geringeren Flächenverbrauch. Dennoch haben über 180 Jahre Eisenbahnbetrieb und mehr als 33.000 Kilometer (Eisenbahnen des Bundes) Betriebslänge in Deutschland ebenfalls Auswirkungen auf die Umwelt. Hierbei sind vor allem anorganische und organische Substanzeinträge aus dem Bahnbetrieb und den assoziierten Infrastrukturen von Bedeutung. Aufgrund der damit verbundenen bisher sehr heterogenen Datenlage bezüglich der Luftschadstoffemissionen- und Luftschadstoffimmissionen soll dieses Forschungsvorhaben mögliche Datendefizite identifizieren und einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag zur Schließung potentieller Kenntnislücken leisten. Die wesentlichen Zielsetzungen des Projektes sind folgende:

• anteilsmäßige und schadstoffspezifische Erfassung und Ermittlung von gasförmigen und partikulären Emissionen (unter Berücksichtigung der verschiedenen stofflichen Eigenschaften/Bewertungsparameter und Messmodellen/-profilen) aus unterschiedlichen Quellen bzw. Bereichen des Schienenverkehrs selbst sowie seiner Infrastruktur,
• Identifizierung und chemische/stoffliche Charakterisierung spezifischer Schadstoff-parameter und Metaboliten für unterschiedliche Emissionen (partikel- und gasförmig), als auch der Ableitung von Indikatorsubstanzen/-parametern aus verschiedenen Quellen/Bereichen des Schienensektors,
• Berechnung und Modellierung der räumlichen und zeitlichen Schadstoffausbreitung von gasförmigen und partikulären Immissionen sowohl für das gesamte bundesweite Schienennetz als auch für bestimmte Tätigkeiten/Orte,
• Erstellung einer umfassenden humantoxikologischen und umweltfachlichen Gefahren-einstufung bzw. Risikobewertung bezüglich primärer Quellen, des Schadstoffaustrages sowie der Auswirkungsprognosen für Luftschadstoffe aus dem Schienenverkehr und
• der Entwicklung und Ableitung eines Maßnahmenkatalogs sowie möglicher Handlungsempfehlungen für den Umgang bzw. die Reduzierung/Optimierung von luftgetragenen Schadstoffen aus dem Schienenverkehr.

Das Projekt startete am 15.02.2021 mit einer Laufzeit von 36 Monaten. Projektpartner sind die Lohmeyer GmbH (Auftragnehmer) zusammen mit dem Institut für Bahntechnik GmbH (IFB), dem Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik (IFK) der Universität Stuttgart sowie dem Fraunhofer Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin, Bereich Chemikalienbewertung und Toxikologie Hannover (ITEM).