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Abgase

- Teil 1 -

Alte Autos stoßen mehr Schadstoffe aus als Fahrzeuge, die neueren Abgasnormen genügen. Diese typische Darstellung der Abgas-Situation ist griffig, einleuchtend – und falsch. Sie dient hauptsächlich dazu, Steuererhöhungen, Umweltzonen oder Abwrackprämien zu begründen.

Oft mussten wir uns daher allgemeine und nicht näher erläuterte Vorwürfe wie »Stinker« oder »Dreckschleuder« gegen unsere schönen Altwagen gefallen lassen. Eine Klarstellung ist seit Jahren überfällig, weshalb an dieser Stelle eine etwas länger geratene Abhandlung zu diesem Thema folgt. Vorweg gesagt: Gegen Altwagen mit Benzinmotor und geregeltem Katalysator gibt es nur wenig einzuwenden. Die wahren Luftverpester sind an anderer Stelle zu suchen.

Schadstoffe

Das Blei im Benzin ist zum Glück längst Geschichte. Derzeit sind im Bereich des Straßenverkehrs noch fünf Luftschadstoffe relevant, von denen wiederum zwei (Stickoxide und Partikel) verschärft in der Diskussion stehen. Im Einzelnen:

CO

Kohlenmonoxid entsteht bei unvollständiger Verbrennung. Es ist für den Menschen in höherer Konzentration tödlich. In den heute vorzufindenden Mengen ist dieser Schadstoff aber selbst in dichten Innenstädten kein Thema mehr.

CO war der erste Abgasbestandteil, der reglementiert und regelmäßig überprüft wurde. Alte Abgastester messen nur diesen Stoff, der CO-Wert diente früher auch als Führungsgröße bei der Vergasereinstellung. Erlaubt waren Anfang der 70er enorme 4,5 Vol.-% im Leerlauf. Mit funktionierendem Kat wird der AU-Messwert heute unterhalb von 0,1 % liegen. Der CO-Ausstoß ist aber auch schon vor der Kat-Ära spürbar zurückgegangen, und zwar schlicht aus Gründen der Benzineinsparung, denn viel CO ist ein Zeichen für großzügig »fett« abgestimmte Motoren. Dieselmotoren fahren ohnehin immer mit großem Luftüberschuss und erzeugen somit von Natur aus wenig CO und auch wenig Kohlenwasserstoffe.

HC

Kohlenwasserstoffe (Hydrocarbons, HC) bleiben ebenfalls bei unvollständiger Verbrennung zurück, sind die Kraftstoffe doch nichts anderes als ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe. Die HC für sich gelten schon als Schadstoffe, das größere Problem sollte jedoch ihr Beitrag zur Ozonbildung im Sommer sein.

Bei neueren Normen unterscheidet man zusätzlich noch die gesamte Menge der Kohlenwasserstoffe (oft auch mit THC abgekürzt) und die der Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (NMHC).

Kohlenwasserstoffe in unserer Umwelt stammen aus vielerlei Quellen. Der Verkehrssektor hat seine Emissionen erfolgreich vermindert, weitere Reduktionen allein dort lassen nur eine schwache Verbesserung der Luftqualität erwarten. Neben den Abgasen sollte hier auch an die ähnlich bedeutenden Verdunstungsverluste der Benziner gedacht werden. Sie konnten durch vorgeschriebene Rückführungsmaßnahmen im Tanksystem und an den Zapfsäulen deutlich eingedämmt werden.

NOx

Die Stickoxide sind die ganz dunkle Seite des Straßenverkehrs. Die mit der Einführung des Katalysators angestrebten Reduktionsziele wurden bei weitem nicht erreicht. Es sind die Fahrzeuge mit Dieselmotor, die heute die weitaus größte Menge emittieren. Zu dieser Gruppe gehören selbstverständlich auch die Lkw.

Stickoxide bilden sich während der Verbrennung aus dem Stickstoff der Luft. Luftüberschuss, also ein mageres Gemisch, und hohe Temperaturen begünstigen die Entstehung.

Die NOx sind selbst schon äußerst schädlich. Darüber hinaus wirken sie als Vorläufersubstanz des Ozons. Zusammen mit Regen bilden sie hingegen Salpetersäure. Dann ist die Luft zwar sauber, dafür aber der Boden sauer.

Grenzwerte für Schadstoffemissionen von PKW (Kurzfassung)
 in mg/km EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 
Jahr 1993 1997 2001 2006 2011 2015
Benzin            
CO 3160 2200 2300 1000 1000 1000 
HC + NOx 1130 500 - - -
HC - - 200 100 100 100 
NOx - - 150 80 60 60 
PM(2) - - - - 4,5 4,5 
PN(2) - - - - - 6·1011 (3) 
Diesel            
CO 3160 1000 640 500 500 500
HC + NOx 1130 700 560 300 230 170 
NOx - - 500 250 180 80 
PM 180 80 50 25 4,5 4,5 
PN - 6·1011 6·1011 
 (2) Die Grenzwerte gelten nur für Fremdzündungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung. 
 (3) Für bis zu drei Jahre gilt nach Wahl des Herstellers ein Grenzwert von 6·1012
  
 Quelle: umweltbundesamt.de, abgerufen Mai 2012, aktualisiert mit EU 459/2012 

Ausführliche Tabelle hier 

Genau genommen wird bei den Luftschadstoffen unter Stickoxiden das Duo aus NO und NO2 verstanden. Besonders gefährlich ist dabei das Stickstoffdioxid NO2, man schreibt ihm die zehnfache Schadwirkung des NO zu. Das Stickstoffmonoxid NO oxidiert jedoch an der Luft langsam ebenfalls zu NO2, weshalb bei Mengenangaben das NO immer schon »im Voraus« als NO2 gerechnet wird. 30 Gramm NO zählen also wie 46 Gramm NO2 (Stöchiometrie).

Für das NO2 gilt spätestens ab dem 1. Januar 2015 ein Grenzwert von 40 µg/m³ in der Atemluft. Und obwohl dieser Wert schon hoch (und spät) angesetzt wurde, ist für viele Innenstadtlagen noch völlig unklar, wie er bis dahin denn eingehalten werden könnte. Ein Thema, das uns später bei den Dieseln noch einmal begegnen wird.

Partikel

Als anderer großer Makel des Dieselmotors ist der durch ihn gebildete krebserregende Ruß bekannt. Mit jeder neuen Euronorm wurde daher die zulässige Partikelmasse PM herabgesetzt. Und zwar von 180 mg bei der EURO 1 auf 4,5 mg ab der EURO 5, welche spätestens seit Januar 2011 für neu zugelassene Fahrzeuge bindend ist. Technisch machbar waren derart niedrige Werte allerdings schon viel früher. Der Peugeot 607 mit dem bekannten FAP-System erreichte sie schon im Jahre 2000, nach Messung des ADAC erzeugte er sogar nur 1 mg pro Kilometer.

Nun hat jedoch allein die Masse der ausgestoßenen Partikel noch keine große Aussagekraft über deren Schadwirkung. Je kleiner die Teilchen sind, desto tiefer können sie in die Atemwege eindringen. Die ganz kleinen gelangen bis in die Lungenbläschen, nach manchen Studien sogar direkt ins Blut.

Das Volumen und damit das Gewicht der Teilchen schrumpft jedoch mit der dritten Potenz des Durchmessers, sodass die gefährlichsten kaum in die Partikelmasse PM eingehen. Stellen wir uns zur Veranschaulichung 180 mg Ruß aus einem EURO 1-Diesel vor. Wenn wir jedes Einzelne dieser Teilchen im Durchmesser halbieren, so würde dies zu einer Achtelung der Partikelmasse führen. Mit dann 22,5 mg hätte der Wagen sogar die Bedingung für die EURO 4 erfüllt. Es ist aber davon auszugehen, dass die verkleinerten Rußpartikel trotz der viel niedrigeren Partikelmasse das höhere Gesundheitsrisiko darstellen, was dem Sinn der verschärften Normen natürlich zuwiderläuft.

Wie genau sich die Partikelspektren im Laufe der Zeit geändert haben, ist nicht dokumentiert. Der Trend zu immer kleineren und gefährlicheren Partikeln wird oft als Selbstverständlichkeit dargestellt, obwohl die Studienlage zu diesem Thema äußerst dünn ist. Die große Untersuchung z. B. der jeweils zehn meistgebauten Motoren von EURO 0 bis EURO 5 mit einvernehmlicher medizinischer Bewertung der unter realistischen Bedingungen (sofortige Verdünnung der Abgase mit Luft) gemessenen Partikel steht bisher noch aus.

Der Gesetzgeber hat jedoch schon jetzt vorgesorgt: Mit der EURO 5 wird nicht nur die Gesamtmasse, sondern auch die Anzahl der einzelnen Partikel PN limitiert. Die Höchstgrenze liegt bei 6 x 10¹¹ (600 Milliarden) Stück pro Kilometer, seitdem das Messverfahren etabliert ist. Damit werden auch denkbare Filtersysteme verhindert, die bevorzugt die schweren Partikel aus dem Abgas entfernen und die richtig schädlichen passieren lassen. Für die Zahl von 600 Milliarden standen dabei die normalen Benziner Pate. Sie halten diesen Grenzwert (zumindest im Normzyklus) ohne zusätzliche Maßnahmen ein, die Diesel sollen sich diesem Niveau anpassen. So wie es derzeit aussieht, erfüllen die aktuellen Dieselmodelle (EURO 5) mit geschlossenen Filtersystemen diese Forderung problemlos, und das auch im praktischen Betrieb.

Dafür haben nun aber leider die bisher harmlosen Benziner ein Partikelproblem, und zwar dann, wenn sie mit Direkteinspritzung ausgerüstet sind. Für diese Fahrzeuge gelten daher auch die Grenzwerte für die Partikelmasse PM. Da die Partikel hier aber besonders klein ausfallen, ist die eigentlich entscheidende Größe umso mehr die Partikelanzahl PN. Und genau die ist derzeit noch unlimitiert, erst mit der EURO 6 tritt die Grenze von 600 Milliarden auch hier in Kraft. Und nicht einmal das war manchen Herstellern spät genug: Während einer Übergangszeit von drei Jahren können sie sich auch für den zehnfachen Grenzwert entscheiden (Fußnote (3) der Tabelle), was ihnen je nach Quelle einen Kostenvorteil von fast null bis hin zu gut 100 Euro pro Fahrzeug verschaffen würde. Im Windschatten der Schuldenkrise konnte diese Regelung Mitte 2012 ohne große öffentliche Diskussion verabschiedet werden. Immerhin hat der Kunde die Wahl, sich auch für ein nach dem strengeren Grenzwert zertifiziertes Fahrzeug zu entscheiden, was sich vielleicht einmal in späteren Umweltzonen als vorteilhaft herausstellen könnte.

Auch verspricht die EU für die Zeit danach, quasi zum Ausgleich, ein besonders strenges Prüfverfahren zur Partikelmessung. Es soll die Realität besser abbilden als der bisherige Prüfzyklus NEFZ. Weiterhin kündigte sie an, sich auch die Partikelemissionen der normalen Benziner unter allen Betriebsbedingungen noch einmal genauer anschauen zu wollen. Es wird wohl darauf hinauslaufen, dass in naher Zukunft einmal alle Verbrennungsmotoren mit einem Filter oder entsprechenden innermotorischen Maßnahmen gegen Partikel versehen sein werden.

Aber davon haben wir heute noch nichts. Während mit der EURO 5 das Partikelproblem bei den neu gebauten Dieseln endlich der Vergangenheit angehört, wird dieser Erfolg durch etliche Jahrgänge an Benzin-Direkteinspritzern mit bedenklichen Partikelemissionen konterkariert werden.

Die Problematik der Rußpartikel ist im Übrigen nicht deckungsgleich mit der Feinstaub-Diskussion. Bei letzteren Grenzwerten geht es zum einen um tendenziell größere Partikel. Hier zählt alles bis hinauf zu 10 µm Durchmesser, wenn auch immerhin unterschiedlich gewichtet. Der Ruß hingegen hat seinen Schwerpunkt im Bereich von 0,1 µm, geht also von der Masse her schnell in der Gesamtmenge unter. Man bezeichnet seine Größenklasse oft auch als Feinststaub (mit zwei »st«), wobei dieser wichtige Unterschied schnell überlesen werden kann.

Zum anderen differenzieren die Feinstaub-Richtlinien die Partikel überhaupt nicht nach der unterschiedlichen Gefährlichkeit, die sich aus dem chemischen Stoff, der Form und der Oberflächenstruktur ergeben kann. Es zählt nur die Masse, egal ob Rauch aus offenen Kaminen oder Wüstensand aus der Sahara. Das besondere chemische Schadpotenzial z. B. der Rußpartikel durch die anhaftenden organischen Substanzen findet keine Berücksichtigung.

Der EU-Grenzwert für Feinstaub war also nie speziell gegen die Diesel gerichtet, er sollte wohl eher dem Schutz der Bevölkerung vor Industriestäuben dienen. In Deutschland wurden daraus die Umweltzonen gestrickt. Juristisch höchst wackelig, tragen doch speziell die Pkw-Dieselabgase nur wenig zu der limitierten Feinstaub-Fraktion bei. Ein Absinken der Konzentration ist in den Zonen dementsprechend auch kaum nachweisbar.

Der beliebte Umkehrschluss: »Motorabgase tragen nur wenig zur Feinstaubbelastung bei, also sind deren Rußpartikel harmlos« ist natürlich nicht zulässig. Es ist sicher gut, wenn nach und nach alle Diesel ohne Filter aus den Städten ferngehalten werden. Der Bevölkerung bleiben diese besonders schädlichen Partikel erspart, auch wenn dadurch im Sinne der Verordnungen eben kaum ein Vorteil entsteht. Messungen der Partikelanzahl in der Atemluft sollten hingegen die positiven Auswirkungen der Umweltzonen in den nächsten Jahren zeigen.

Ozon O3

Diese aggressive Substanz ist zwar nicht in den Abgasen enthalten, sie bildet sich aber in der Atmosphäre aus den anderen Schadstoffen. Zur Entstehung von Ozon müssen vorhanden sein:

  • Stickoxide NOx
  • Kohlenwasserstoffe HC
  • Sonnenlicht und Wärme

Der große Beitrag des Verkehrs zum Ozon sind die NOx. Im Gegensatz zu den Partikeln sind lokale Maßnahmen hier nicht erfolgversprechend. Emittiertes NOx kann lange Wege zurücklegen, bis es irgendwo vor Ort unter UV-Licht zu Ozon reagiert. Dabei entstehen auch noch viele andere Gifte, die gesamte photochemische Problematik wird jedoch meist unter dem Stichwort Ozon oder auch Sommer-Smog abgehandelt.

Die Bildung des Ozons folgt komplizierten Regeln mit vielen Hin- und Rückreaktionen. Das auf den ersten Blick paradoxe Resultat hiervon ist, dass die Ozon-Konzentration in der »sauberen Landluft« regelmäßig höher liegt als im städtischen Bereich. Auch haben sich trotz der verringerten Vorläufersubstanzen die mittleren Ozon-Jahreswerte seit der Einführung des Katalysators erhöht. Die wichtigste Erkenntnis jedoch ist, dass die gefährlichen Spitzen im Sommer spürbar zurückgegangen sind. Der wünschenswerte Zielwert von 120 µg/m³ wird zwar immer noch nicht sicher eingehalten, die früher bekannte Informationsschwelle von 180 µg/m³ wurde aber zuletzt im heißen Sommer 2003 regelmäßig überschritten.

 

Testzyklus und Grenzwerte

Die Schadstoffemissionen werden im NEFZ ermittelt, der im Verbrauchskapitel schon vorgestellt wurde. Er besteht aus vier Zyklen Stadtverkehr und einem Zyklus Überlandfahrt. Der Wagen wird dabei kalt gestartet, wobei »kalt« hier bis zu 32 °C bedeuten kann. Bis einschließlich der EURO 2 wurden noch 40 Sekunden Vorlauf zugestanden. In dieser Zeit drehte der Motor im Leerlauf und der Katalysator konnte sich schon einmal aufwärmen. Erst nach diesen 40 Sekunden begann dann die Abgasmessung. Seit der EURO 3 ist der Vorlauf entfallen, die Messung beginnt sofort.

Die obige Tabelle enthält alle Grenzwerte seit der Einführung der EURO 1 im Jahre 1992. Nicht mehr aufgeführt sind ältere Normen wie der US-Kat oder die ECE 15/04 als letzte Richtlinie, die sich noch ohne Kat einhalten ließ.

Der Übersicht halber fehlen in der Tabelle auch die deutschen Zwischenregelungen D3 und D4. Die D3 galt zur Zeit der EURO 2 und nahm in etwa die EURO 3 vorweg. Wer sie einhielt, bekam einen Steuervorteil. Gleiches galt während der EURO 3 für die D4. Damit gelang es wieder einmal, den Neuwagenkäufern ein paar Scheinchen zuzustecken, finanziert über die erhöhten Steuern der älteren Fahrzeuge. Einige D4-Wagen entpuppten sich nebenbei noch als ziemlich fragwürdige Gesellen, bei mindestens einem Typ zog der Hersteller die Einstufung sogar kleinlaut zurück. Eine Fortsetzung erfuhr dieses windige Treiben dann auch nicht, es existiert also keine D5- oder D6-Norm.

Die eigentlichen Tabellenwerte sehen auf den ersten Blick aber ganz einleuchtend aus. Von Norm zu Norm wurden die Grenzwerte strenger, die Schadstoffe sollten damit doch heute längst kein Thema mehr sein.

Leider ist dem nicht so. Wie wir im Folgenden sehen werden, haben die Euronormen einige eklatante Schwächen und sind damit in ihrer Wirksamkeit stark eingeschränkt.

Aktualisiert: 16. Dezember 2014

Teil 1 : Schadstoffe

Teil 2 : Benziner

Teil 3 : Diesel

Teil 4 : NOx - Emissionen auf der Straße

 

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