Forschungsbefunde nicht ignorieren!

Facetten der urbanen Luftverschmutzung, Stand 2018: Der Dieselmotor und seine Abgase, Mikrophysik von Partikeln und Gesundheitseffekte

 

Statement von

Prof. Dr. Hartmut Herrmann
Abteilung Chemie der Atmosphäre
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)

 

Einführung

Der Dieselskandal bewegt nach wie vor die Gemüter in Deutschland. Bei den urbanen Messstationen des Umweltbundesamtes (UBA) zeigen sich nur noch selten Überschreitungen des Grenzwerts für die Partikelmasse (PM10), allerdings in vielen Städten, besonders in Westdeutschland, Überschreitungen des Grenzwerts für Stickstoffdioxid (NO2) [1]. Nach dem Urteil des Bundesverwaltungsgerichts vom 27.02.2018 [2] könnten die Kommunen zu Einfahrverboten für Dieselfahrzeuge greifen, eine solche Regel wird aber wohl nur für einzelne Strecken und nicht für ganze Stadtquartiere oder gar Städte vorgenommen werden können. Die Klage der EU vom 17. Mai 2018, die Sperrung erster Straßen für Dieselfahrzeuge in Hamburg sowie geplante Fahrverbote in Stuttgart und Berlin ab 2019 sind hier neueste Entwicklungen.

 

Stickoxide, Dieseltechnologie und Dieselabgasreinigung

Es gibt einen Zusammenhang zwischen Funktionsweise des Dieselmotors und seiner Abgasreinigung und den Diesel-NO2-Emissionen: Beim Dieselmotor herrschen höhere Drucke und Temperaturen bei der Verbrennung, was die Entstehung von Stickstoffmonoxid (NO) beim Verbrennungsprozess als Nebenprodukt aus der Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff („aus den Elementen“) befördert.

Durch den besonders bei EURO-2 und EURO-3 eingesetzten „Oxykat“ werden alle Komponenten im Abgas oxidiert, insbesondere Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe werden zu CO2 verbrannt. Bei Verwendung des Oxykats wird dann auch NO zu NO2 oxidiert. Bei den Schadstoffnormen von EURO-4 aufwärts wird ein Dieselpartikelfilter (DPF) eingesetzt. Je nach Betriebsweise des DPF kann NO2 zur Rußoxidation bei der Reinigung des DPF verwendet werden. Dazu wird der DPF aufgeheizt und NO2 reagiert mit Kohlenstoff zu NO und CO2.

Der Dieselmotor ist eine wertvolle Antriebstechnologie mit hohem Wirkungsgrad, die mit den entsprechenden Abgasreinigungstechnologien (SCR, [3]) aktuellen Emissionsstandards gut entsprechen kann. Es wurden unter unserer Beteiligung zweimal öffentliche Veranstaltungen zur Zukunft des Dieselantriebs durchgeführt [4, 5], bei denen gangbare Lösungswege für die Zukunft des Dieselmotors, aber auch mögliche Alternativen aufgezeigt und diskutiert wurden. Einen sehr schönen Überblick hierzu gibt der Kollege J. Wolfrum [6]. Es sei angemerkt, dass die Möglichkeit, die NOx-Emissionen aus Dieselmotoren allein durch reine Softwareupdates zu vermindern, sehr kritisch eingeschätzt werden muss [7]. Eine Hardware-Nachrüstung ab EURO-4 zu EURO-6 sollte hier zielführender sein,  erscheint technisch durchaus möglich, ist jedoch mit nicht unerheblichen Kosten verbunden [8].

 

Tagesgänge urbaner Partikelbelastung

Es kursieren haarsträubende bildliche Vorstellungen darüber, wie Tagesgänge urbaner Luftverschmutzung zustande kommen [9]. Manche der Vorstellungen sind zumindest simplizistisch oder auch insgesamt falsch. Partikelbelastung in Städten wird je nach Partikelgröße durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst. Die sogenannten Dieselpartikel im Größenbereich ihrer Durchmesser (Dp) von 50 -100 Nanometern (nm) sind natürlich zuerst an die Emissionen aus dem Verkehr gekoppelt. Für die Tagegänge mittelgroßer Partikel (Akkumulationsmode, ca. 80 nm bis ca. 900 nm) spielen eine Reihe verschiedener Vorgänge eine Rolle, wie z.B. die Kondensation schwerflüchtiger gasförmiger Moleküle, die teils erst durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre gebildet werden. Bei größeren Partikeln (Grobstaub), spielt die Staubaufwirbelung (Resuspension) in Städten eine wichtiger Rolle. Diese Resuspension erfolgt übrigens hauptsächlich durch den Verkehr und nicht nur durch eine wärmegetriebene ‚Luftwalze‘.  Zu all diesen Vorgängen existiert eine umfangreiche Literatur, von Lehrbüchern [10], über klassische [11] zu hochaktuellen Arbeiten, wie z.B. zur urbanen Dynamik von Nanopartikeln [12]. Bei Stellungnahmen für die interessierte Öffentlichkeit sollte dieser wissenschaftliche Sachstand nicht ignoriert werden.

 

Luftverschmutzung und Gesundheit

Moderne Atmosphärenforschung ist motiviert durch die Kopplungen der Atmosphäre im Klima- und Erdsystem sowie durch die möglichen gesundheitlichen Wirkungen von Luftverschmutzung auf den Menschen.  Zahlreiche neueste, neuere und klassische Arbeiten wie die Harvard „Six Cities Study“ [13] zeigten und zeigen klar, dass die gesundheitlichen Wirkungen der Luftverschmutzung existieren und nicht negiert werden können.

Luftverschmutzung ist der menschlichen Gesundheit klar und deutlich abträglich. Neuere Arbeiten zeigen, dass weltweit etwa 3.3 Millionen vorzeitige Todesfälle auf Luftverschmutzung durch PM2.5 zurückzuführen sind – für die EU sind dieses etwa 350.000 vorzeitige Todesfälle. Dieses entspricht in Deutschland etwa 70.000 vorzeitigen Todesfällen. Neuere Zahlen, die Anfang Mai 2018 genannt von der WHO wurden, sind noch deutlich höher [14]. Äußerungen wie - hier wörtlich wiedergegeben - „Das Gesundheitsrisiko wird maßlos überschätzt und übertrieben, die Horrorzahlen von Feinstaubtoten oder Stickoxidtoten ist reiner Populismus. An dem Feinstaub, den wir messen, ist noch kein Mensch gestorben.“ [9] gehen am wissenschaftlichen Stand der gegebenen Disziplinen vorbei und werden oft von Personen getätigt, deren Expertise leider weder die Luftverschmutzung noch die Gesundheitsforschung umfasst. Zu der Diskussion über Gesundheitsrisiken und einige der an der Diskussion Beteiligten sei auf ein aktuelles und aufschlussreiches Interview mit Wolfgang Hien [15] verwiesen.

Kritik an den derzeitigen, auf die Partikelmasse bezogenen EU-Grenzwerte für PM10 und PM2.5 ist nicht unberechtigt, denn ein rein massebezogener Grenzwert vermag Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung und resultierende unterschiedliche Gesundheitswirkungen nicht abzubilden. Hier ist die Verwendung einer Metrik anzumahnen, die verschiedene Inhaltsstoffe, deren Effekte im Körper in Bezug auf die Bildung von Reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) oder andere Folgefaktoren besser zu berücksichtigen vermag [16]. Diese Diskussion ist nicht abgeschlossen und auch der Autor dieses vorliegenden Textes ist hier involviert, insbesondere über seine Mitarbeit als Co-Vorsitzender des Processnet-Arbeitsausschuss Feinstäube [17]. Bei der Diskussion verbesserter Metriken ist allerdings zu bedenken, dass die Festlegung von EU-Grenzwerten mit all ihren Konsequenzen auf Größen zurückgreifen muss, bei denen epidemiologische Evidenz gegeben sein muss [18].

Die gesundheitliche Wirkung von Luftverschmutzung führt zu sozio-ökonomischen Konsequenzen. Der OECD-Report „The Economic Consequences of Outdoor Air Pollution“ von 2016 [19] zeigt, dass die biophysikalische Wirkungen von Luftverschmutzung global zu immensen Kosten führen werden. Insgesamt ist die Wirkung von Luftverschmutzung auf die menschliche Gesundheit ein wissenschaftliches Arbeitsgebiet mit sehr großer und zunehmender Aktivität [20]. Dieses bedeutet allerdings nicht, dass zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch keinerlei Aussagen gemacht werden können. Luftverschmutzung führt zu Lebenszeitverkürzung und dieses auch in westlichen Ländern mit einschlägiger Gesetzgebung, deren Einhaltung effektiv kontrolliert wird.

 

Zusammenfassung

Moderne Atmosphärenforschung, also Atmosphärenchemie und –physik, beschäftigt sich täglich mit komplexen Prozessen, von denen viele zu einer den Menschen betreffenden Gesundheitswirkung beitragen können. Bei der Diskussion dieser Effekte müssen die vorhandenen wissenschaftlichen Fakten benannt und berücksichtigt werden. Dies kann nicht durch willkürliche und nach dem Stand der Wissenschaft nicht haltbare Aussagen ersetzt werden. Ideologische Debatten bringen uns nicht weiter. Statt dessen wäre es gut, wenn Politik und Verwaltung bei den jetzt anstehenden einschneidenden Schritten auch die Erkenntnisse aus der Wissenschaft berücksichtigen würden. Auch wenn nicht alle Fragen bis ins letzte Detail geklärt sind, zu vielen der aktuell diskutierten Punkte gibt es bereits seit Jahren fundiertes Wissen. Im Wechselspiel zwischen Industrie, juristischer Auflagen, dem Streben noch besserem Gesundheitsschutz müssen die vorhandenen wissenschaftlichen Befunde berücksichtigt und nicht pauschal negiert werden.

 

 

Literatur und Weblinks

1.:        Daten des UBA-Messnetzes zu NO2

https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/stickstoffdioxid-belastung#textpart-1

 

2.:        Urteil des BVerwG vom 27.02.2018

            http://www.bverwg.de/pm/2018/9

 

3.:        (a) Selektive katalytische Reduktion

                  https://de.wikipedia.org/wiki/Selektive_katalytische_Reduktion

(b) Guan, Bin, et al. "Review of state of the art technologies of selective catalytic reduction of

      NOx from diesel engine exhaust." Applied Thermal Engineering 66.1-2 (2014): 395-414.

 

4.:        ProcessNet/GDCh/DBG/KRdL Gemeinschaftsausschuss „Chemie, Luftqualität und Klima“, Sonderkolloquium „Stickoxide: Ist der Diesel noch zu retten?“, 14.01.2016, DECHEMA, Frankfurt / Main.     

Pressemitteilung hierzu:

https://www.gdch.de/service-information/oeffentlichkeitsarbeit/pressedienst-chemie/pressenotizen-2015.html#_c27217

 

5.:        ProcessNet/GDCh/DBG/KRdL Gemeinschaftsausschuss „Chemie, Luftqualität und Klima“,   ProcessNet Arbeitsausschuss „Feinstäube“ und GDCh-Arbeitskreis „Atmosphärenchemie“ (AKAC), Sonderkolloquium „Stickoxide: Ist der Diesel noch zu retten?“, 05.12.2017, DECHEMA, Frankfurt / Main.

 

6.:        J. Wolfrum, Bunsenmagazin 1 / 2018, pp 4 – 12.

 

7.:        http://www.sueddeutsche.de/wirtschaft/eil-autohersteller-sagen-software-updates-fuer-
       fuenf-millionen-diesel-zu-1.3613135

 

8.:        (a) https://www.adac.de/der-adac/rechtsberatung/fahrzeugkauf-und-verkauf/abgasskandal-
               dieselthematik/hardware-nachruestungen/

              (b)  http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/K/gutachten-hardware-nachruestung.html

 

9.:        Prof. Dr. Matthias Klingner, Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme

              https://www.mdr.de/sachsen/dresden/diesel-feinstaub-stickoxid-fraunhofer-100.html

 

10.:      Urban Meteorology: Forecasting, Monitoring, and Meeting Users' Needs (2012)

Freier Download via: https://www.nap.edu/catalog/13328/urban-meteorology-forecasting-monitoring-and-meeting-users-needs

 

11.:      Amato, F., et al. "Spatial and chemical patterns of PM10 in road dust deposited in urban environment." Atmospheric Environment43.9 (2009): 1650-1659.

 

12.:      Varotsos, C., et al. "An observational study of the atmospheric ultra-fine particle dynamics." Atmospheric Environment 59 (2012): 312-319.

           

13.:      Dockery, Douglas W., et al. "An association between air pollution and mortality in six US
      cities." New England journal of medicine329.24 (1993): 1753-1759.

 

14.:      (a) https://www.umweltbundesamt.de/daten/umwelt-   gesundheit/gesundheitsrisiken-der-bevoelkerung-durch-feinstaub#textpart-5

            (b) Lelieveld, Jos, et al. "The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale." Nature 525.7569 (2015): 367.

            (c ) World Health Organization. "Ambient air pollution: A global assessment of exposure and burden of disease." (2016).

            (d) Neuere Zahlen der WHO von Anfang Mai 2018:

            http://www.who.int/news-room/detail/02-05-2018-9-out-of-10-people-worldwide-breathe-polluted-air-but-more-countries-are-taking-action

 

15.:      https://www.heise.de/tp/features/Wissenschaftsethisch-halte-ich-diesen-ganzen-Verharmlosungsdiskurs-fuer-eine-Katastrophe-3984981.html  

 

16.:      (a) Reche, C., et al. "New considerations for PM, Black Carbon and particle number concentration for air quality monitoring across different European cities." Atmospheric Chemistry and Physics11.13 (2011): 6207-6227.

(b) Borm, Paul JA, et al. "Oxidant generation by particulate matter: from biologically effective dose to a promising, novel metric." Occupational and environmental medicine 64.2 (2007): 73-74.

 

17.:      http://processnet.org/Feinst%C3%A4ube.html

 

18.:      Strategiepapier des Processnet-Arbeitsausschuss Feinstäube (2014), abzurufen unter

http://processnet.org/Publikationen-p-14645.html

 

15.:      Urban Meteorology: Forecasting, Monitoring, and Meeting Users' Needs (2012)

Freier Download via: https://www.nap.edu/catalog/13328/urban-meteorology-forecasting-monitoring-and-meeting-users-needs

 

16.:      Amato, F., et al. "Spatial and chemical patterns of PM10 in road dust deposited in urban environment." Atmospheric Environment 43.9 (2009): 1650-1659.

 

17.:      Varotsos, C., et al. "An observational study of the atmospheric ultra-fine particle dynamics." Atmospheric Environment 59 (2012): 312-319.

 

19.:      The Economic Consequences of Outdoor Air Pollution, OECD, 2016.

 

20.:      National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. The Future of Atmospheric Chemistry Research: Remembering Yesterday, Understanding Today, Anticipating Tomorrow. National Academies Press, 2017.