Manipulation von AdBlue-basierten Abgasnachbehandlungsanlagen bei schweren Nutzfahrzeugen und ihre Auswirkung auf den Emissionsausstoß

Abstract

Der Großteil des Gütertransportes, der in und durch Österreich verkehrt, findet nach wie vor auf der Straße statt. Trotz der Fortschritte in der Entwicklung alternativer Antriebstechniken werden schwere Nutzfahrzeuge aktuell und vermutlich auch in den nächsten Jahren hauptsächlich durch Dieselmotoren angetrieben. Eine Steigerung des Verkehrsaufkommens zieht somit unweigerlich eine Erhöhung der Emissionen und eine Verschlechterung der Luftqualität nach sich. Besonders in urbanen Gebieten ist die gesundheitliche Belastung durch die Konzentration der Luftschadstoffe hoch. Die Stickoxide (NOX) zählen zu den gefährlichsten Luftschadstoffen. Dabei handelt es sich um ein ätzendes Reizgas, das besonders die Lungenfunktion beeinträchtigt. Sie sind ein unerwünschtes Nebenprodukt des Verbrennungsprozesses von fossilen Brennstoffen. Um die Stickoxidemissionen auf ein Minimum zu reduzieren, kommen Abgasnachbehandlungsanlagen zum Einsatz. Bei schweren Nutzfahrzeugen hat sich die Abgasnachbehandlung über die selektive katalytische Reduktion durchgesetzt. Dieser sogenannte SCR-Katalysator verwendet eine Harnstoff-Wasser Lösung mit dem Markennamen AdBlue und kann über die Bildung von Ammoniak bis zu 90 % der NOX aus dem Abgas reduzieren. Einige Studien verweisen darauf, dass die Erfolge, die bei der Abgasnachbehandlung zu einer Reduktion der NOX geführt haben, durch den generellen Anstieg der Fahrleistung sowie die Manipulation von Abgasnachbehandlungsanlagen aufgehoben werden. Zudem wird die Vermutung ausgesprochen, dass bis zu 27 %1 der schweren Nutzfahrzeuge mit manipulierten Abgasnachbehandlungsanlagen unterwegs sind und somit ihre Grenzwerte nicht mehr einhalten. Dies zieht nicht nur eine erhöhte Umweltbelastung und eine Verschlechterung der Luftqualität nach sich, sondern auch einen unfairen Wettbewerbsvorteil für jene Fuhrparkbetreiber, die sich durch die Manipulation der Abgasnachbehandlungsanlage Kosten für das AdBlue sparen und aufgrund der EURO-Klassen Einstufung ihrer Fahrzeuge trotz hoher Emissionen geringere Mautgebühren bezahlen. Die vorliegende Diplomarbeit greift diese Studien auf und gibt auf Datenbasis des Jahres 2018 einen Einblick in die Situation Österreichs. Zum einen wird der Beitrag zur Reduktion der jährlichen NOX-Emissionen (Einsparungspotenzial), der durch die Einführung der strengeren EURO-Abgasnormen entstand, berechnet. Zum anderen werden mittels einer Modellierung die potenziellen NOX-Mehremissionen, die durch die Manipulation entstehen, ermittelt. Für die Modellierung wurden vier Szenarien (Referenz-, Basis-, OLI- und Manipulationsszenario) definiert, die anhand der Transportleistung, der EURO-Klassen Verteilung sowie der spezifischen NOX-Emissionsfaktoren versuchen den Einfluss der Manipulation von Abgasnachbehandlungsanlagen bei schweren Nutzfahrzeugen darzustellen. Des Weiteren wurde im Manipulationsszenario die Veränderung der NOX-Mehremissionen bei unterschiedlichen Manipulationsraten (27 % / 30 % / 40 % / 50 %) abgebildet. Die Modellierung hat gezeigt, dass durch die Einführung der Schadstoffklassen EURO V und VI und der damit einhergehenden Veränderung der Abgasnachbehandlung in schweren Nutzfahrzeugen ein Einsparungspotenzial von 24.575 t NOX–Emissionen erzielt werden konnte. Durch die Manipulation der Abgasnachbehandlungsanlagen kann je nach Manipulationsrate beinahe das gesamte Einsparungspotenzial vernichtet werden. Bei einer angenommenen Manipulationsrate von 27 % können bis zu 117 % mehr NOX-Emissionen im Straßengüterverkehr entstehen. Die erwartete Einsparungswirkung kann dadurch um bis zu 52 % verfehlt werden. Eine Steigerung der Manipulationsrate zieht unweigerlich eine Erhöhung der NOX-Mehremissionen nach sich. Die Betrachtung der Ergebnisse zeigt, dass es durchaus relevant sein kann, sich mit Maßnahmen zur Reduktion der Manipulationsrate zu beschäftigen. Der Verkehrssektor ist für mehr als die Hälfte der jährlichen NOX-Emissionen verantwortlich und es bedarf spezifischer Maßnahmen, um das Emissionsniveau nachhaltig zu senken. Jedes manipulierte Fahrzeug muss am Ende seiner Tour auch in urbane Gebiete, um seine Güter abzuliefern. Die durch Manipulation entstehenden NOX-Mehremissionen sind nicht nur aus gesundheitlicher, sondern auch aus wirtschaftlicher Perspektive bedeutsam. Nicht nur verlieren die Autobahnbetreiber einen Teil der Mauteinnahmen durch eine Falsch-Einstufung der Fahrzeuge, sondern sie sind zugleich auch mit der für sie ökonomisch relevanten beschleunigten Alterung des Straßenbelags durch die NOX-Mehremissionen konfrontiert.

The majority of the freight transport that runs in and through Austria still takes place on the road. Despite the advances in the development of alternative motor technologies, heavy commercial vehicles are currently – and probably will be in the next few years as well – mainly powered by diesel engines. An increase in the volume of traffic inevitably leads to an increase in emissions and a deterioration in air quality. Particularly in urban areas, the concentration of air pollutants is high which results in a larger number of health problems. Nitrogen oxides (NOX) are among the most dangerous air pollutants. They are a corrosive irritant gas that affect the pulmonary function in particular. They are an undesirable side product of the fossil fuel combustion process. To reduce the amount of NOX emissions to a minimum, modern vehicles use different kinds of exhaust aftertreatment systems. One example is the selective catalytic reduction, which has become established in heavy commercial vehicles. This so-called SCR catalytic converter uses a urea-water solution with the brand name AdBlue and can reduce up to 90 % of the NOX from the exhaust gas through the formation of ammonia. Some studies indicate that the success achieved in the reduction of NOX has been reduced through the general increase in annual mileage as well as the manipulation of exhaust aftertreatment systems. The studies suggest that up to 27 %2 of heavy commercial vehicles have manipulated exhaust aftertreatment systems and can therefore not comply with the defined legal limits for the concentration of the air pollutants. This does not only result in increased environmental pollution and reduced air quality, but also in an unfair competitive advantage for fleet operators who decide to manipulate their vehicles. They save the costs for AdBlue and pay low tolls due to the EURO classification of their vehicles despite high emissions. This master thesis analyses these studies and provides an insight into the situation in Austria based on data from 2018. First, the contribution to the reduction of the annual NOX emissions (savings potential), which resulted from the introduction of the stricter EURO emission standards, is calculated. Furthermore, the potential additional NOX emissions, resulting from the manipulation, are defined. The impact of the manipulation of exhaust aftertreatment systems in heavy commercial vehicles is calculated based on the transport performance, the EURO class distribution and the specific NOX emission factors. The manipulation scenario will furthermore compare the change in additional NOX emissions at different manipulation rates (27% / 30% / 40% / 50%). The calculations show that the introduction of the EURO V and VI pollutant classes and the associated change in exhaust gas aftertreatment in heavy commercial vehicles have resulted in a savings potential of 24.575 t of NOX emissions. Depending on the manipulation rate, almost the entire savings potential can be destroyed by manipulating the exhaust aftertreatment systems. With an assumed manipulation rate of 27 %, up to 117 % more NOX-emissions can occur in freight transport. As a result, the expected savings can be missed by up to 52 %.An increase in the manipulation rate inevitably leads to an increase in the additional NOX-emissions. The observation of the results clearly indicates the relevance of dealing with measures to reduce the manipulation rate. The transport sector is responsible for more than half of the annual NOX emissions and specific measures are required to sustainably reduce the level of emissions in order to prevent negative effects on health and economy. At the end of every tour, every manipulated vehicle must go to urban areas to deliver its goods. This means that the additional NOX emissions will also have an impact on the public health. The manipulation is also relevant from an economic perspective. Not only do the motorway operators lose part of their toll revenue through the incorrect classification of vehicles, but they are also confronted with the accelerated aging of the road surface due to the increased NOX emissions, which increases expenses for road conservation and repairs.