NO2-immission assessment for an urban hot-spot by modelling the emission–immission interaction

Springer Science and Business Media LLC - Tập 6 - Trang 113-125 - 2021
Tim Steinhaus1, Mikula Thiem1, Christian Beidl1
1Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany

Tóm tắt

Urban air quality and climate protection are two major challenges for future mobility systems. Despite the steady reduction of pollutant emissions from vehicles over past decades, local immission load within cities partially still reaches heights, which are considered potentially hazardous to human health. Although traffic-related emissions account for a major part of the overall urban pollution, modelling the exact interaction remains challenging. At the same time, even lower vehicle emissions can be achieved by using synthetic fuels and the latest exhaust gas cleaning technologies. In the paper at hand, a neural network modelling approach for traffic-induced immission load is presented. On this basis, a categorization of vehicle concepts regarding their immission contribution within an impact scale is proposed. Furthermore, changes in the immission load as a result of different fleet compositions and emission factors are analysed within different scenarios. A final comparison is made as to which modification measures in the vehicle fleet offer the greatest potential for overall cleaner air.

Tài liệu tham khảo

Kohlhäufl, M.: Mehr Stickoxid, mehr Asthma bronchiale—aber die Genetik mischt auch mit [online]. Pneumo News 11(2), 19–20 (2019). https://doi.org/10.1007/s15033-019-1151-8 Wichmann, H.-E., Drexler, H., Herr, C., Rabe, K.F.: Wird die gesundheitliche Bedeutung von NO2 in der öffentlichen Diskussion richtig eingeschätzt? [online]. Umweltmedizin Hyg. Arbeitsmedizin 23(2), 53–55 (2018) Wichmann, H.-E.: Gesundheitliche Risiken von Stickstoffdioxid im Vergleich zu Feinstaub und anderen verkehrsabhängigen Luftschadstoffen [online]. Umweltmedizin Hyg Arbeitsmedizin 23(2), 57–71 (2018) Schulz, H., Karrasch, S., Bölke, G., Cyrys, J., Hornberg, C., Pickford, R., Schneider, A., Witt, C., Hoffmann, B.: Atmen: Luftschadstoffe und Gesundheit [online]. Positionspapier, Deutsche Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin e.V. (2018) Nationale Akademie Der Wissenschaften Leopoldina: Saubere Luft. Stickstoffoxide und Feinstaub in der Atemluft: Grundlagen und Empfehlungen. Grundlagen und Empfehlungen (2019) Air Pollution in Europe: Real-time Air Quality Index Visual Map [online] (2020). https://aqicn.org/map/europe/en/. Zugriff am: 10. Juli 2020 Doğan Öztürk, E., Lükewille, A., González Ortiz, A., Viana, M., Bartonova, A., Guerreiro, C., Leeuw, F.D.: Europe's urban air quality. Re-assessing implementation challenges in cities. Luxembourg: Publications Office of the European Union. EEA report. No 24/2018 (2019) (ISBN 978–92–9480–059–6) Schmidtke, J., Schmidt, K.: Ableitung sicherer Trendaussagen zur Entwicklung der Luftqualität in Deutschland. Abschlussbericht. Dessau-Roßlau (2018) Reh, M., Adler, T., Pöhler, D., Platt, U.: Stationäre & mobile NO2- Messungen in Stuttgart. Heidelberg, 27. Jan 2016 (2016). http://www.duh.de/uploads/media/2016-01-27_Bericht_NO2_Stuttgart.pdf Bigge, K., Pöhler, D.: Stickstodioxid-Messungen in 12 Städten. 15.02. to 17.03.2016 (2016). https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/publications/20160929_greenpeace_no2-staedtemessungen_abschluss.pdf. Zugriff am: 28 Jun 2018 Berkowicz, R., Winther, M., Ketzel, M.: Traffic pollution modelling and emission data [online]. Environ. Model. Softw. 21(4), 454–460 (2006). https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2004.06.013 Ketzel, M., Berkowicz, R., Wåhlin, R., Palmgren, F.: Modelling the dispersion and transformation of traffic particle emissions in street and urban environment [online]. J. Aerosol. Sci. 35, S935–S936 (2004). https://doi.org/10.1016/S0021-8502(19)30205-8 Neunhäuserer, L., Diegmann, V., Gässler, G., Pfäfflin, F.: Stand der Modellierungstechnik zur Prognose der NO2-Konzentrationen in Luftreinhalteplänen nach der 39. BImSchV. Dessau-Roßlau (2011). http://www.uba.de/uba-info-medien/4191.html Kessler, C.: Simulation of air pollution with nested models in North Rhine-Westphalia [online]. Atmos. Environ. 35, 3–12 (2001). https://doi.org/10.1016/S1352-2310(01)00137-6 Hertel, O., Berkowicz, R.: Modelling NO2 Concentrations in a Street Canyon. Roskilde (1989) Verordnung (EG) 692/2008: In: Amtsblatt der Europäischen Union, 28. Jul 2007 (2007) Hessisches Landesamt Für Naturschutz, Umwelt und Geologie: Luftmessstation Darmstadt-Hügelstraße. Wiesbaden (2020). https://www.hlnug.de/fileadmin/scripts/recherche/info/DarmstadtHuegelstrasse.pdf. Zugriff am: 29. Mai 2020 Hessisches Landesamt Für Naturschutz, Umwelt und Geologie: Luftmessstation Darmstadt. Wiesbaden (2020). Verfügbar unter: https://www.hlnug.de/fileadmin/scripts/recherche/info/Darmstadt.pdf. Zugriff am: 29. Mai 2020 Hessisches Landesamt Für Naturschutz, Umwelt und Geologie: Luftmessstation Riedstadt. Wiesbaden (2020). Verfügbar unter: https://www.hlnug.de/fileadmin/scripts/recherche/info/Riedstadt.pdf. Zugriff am: 22. Oktober 2020 Hessisches Landesamt Für Naturschutz, Umwelt und Geologie: Recherche | HLNUG [online], 2020. 22 Oktober 2020, 12:00 (2020). Verfügbar unter: https://www.hlnug.de/?id=9231&station=115. Zugriff am: 22. Oktober 2020 Chen, J., de Hoogh, K., Gulliver, J., Hoffmann, B., Hertel, O., Ketzel, M., Bauwelinck, M., Van Donkelaar, A., Hvidtfeldt, U.A., Katsouyanni, K., Janssen, N.A.H., Martin, R.V., Samoli, E., Schwartz, P.E., Stafoggia, M., Bellander, T., Strak, M., Wolf, K., Vienneau, D., Vermeulen, R., Brunekreef, B., Hoek, G.: A comparison of linear regression, regularization, and machine learning algorithms to develop Europe-wide spatial models of fine particles and nitrogen dioxide [online]. Environ. Int. 130, 104934 (2019). https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.104934 Cyrys, J., Eeftens, M., Heinrich, J., Ampe, C., Armengaud, A., Beelen, R., Bellander, T., Beregszaszi, T., Birk, M., Cesaroni, G., Cirach, M., De Hoogh, K., De Nazelle, A., De Vocht, F., Declercq, C., Dėdelė, A., Dimakopoulou, K., Eriksen, K., Galassi, C., Grąulevičienė, R., Grivas, G., Gruzieva, O., Gustafsson, A.H., Hoffmann, B., Iakovides, M., Ineichen, A., Krämer, U., Lanki, T., Lozano, P., Madsen, C., Meliefste, K., Modig, L., Mölter, A., Mosler, G., Nieuwenhuijsen, M., Nonnemacher, M., Oldenwening, M., Peters, A., Pontet, S., Probst-Hensch, N., Quass, U., Raaschou-Nielsen, O., Ranzi, A., Sugiri, D., Stephanou, E.G., Taimisto, P., Tsai, M.-Y., Vaskövi, É., Villani, S., Wang, M., Brunekreef, B., Hoek, G.: Variation of NO2 and NOx concentrations between and within 36 European study areas: results from the ESCAPE study [online]. Atmos. Environ. 62, 374–390 (2012). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.07.080 Ramacher, M.O.P., Matthias, V., Aulinger, A., Quante, M., Bieser, J., Karl, M.: Contributions of traffic and shipping emissions to city-scale NOx and PM2.5 exposure in Hamburg [online]. Atmos. Environ. 237, 117674 (2020). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.117674(ISSN 13522310) Tezel, M.N., Sari, D., Ozkurt, N., Keskin, S.S.: Combined NOx and noise pollution from road traffic in Trabzon, Turkey [online]. Sci. Total Environ. 696, 134044 (2019). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134044. (ISSN0048-9697) Pöhler, D., Platt, U.: Liftverschmutzung in den Städten [online]. Ruperto Carola 2016(Nr. 9), 50–59 (2016) Fu, X., Xiang, S., Liu, Y., Liu, J., Yu, J., Mauzerall, D.L., Tao, S., High-resolution simulation of local traffic-related NOx dispersion and distribution in a complex urban terrain [online]. Environ. Pollut. (Barking, Essex : 1987) 263(Pt B), 114390 (2020). https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114390 Palmgren, F., Berkowicz, R., Ziv, A., Hertel, O.: Actual car fleet emissions estimated from urban air quality measurements and street pollution models [online]. Sci. Total Environ. 235(1–3), 101–109 (1999). https://doi.org/10.1016/S0048-9697(99)00196-5 Meteostat: Darmstadt—Wetterrückblick & Klimadaten—Meteostat [online]. 17 Feb 2021, 12:00 (2021). https://meteostat.net/de/station/D0917?t=2017-12-10/2017-12-16. Zugriff am: 17. Feb 2021 Umweltbundesamt: Stickstoffoxide [online]. 22 Oktober 2020, 12:00 (2020). https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/stickstoffoxide. Zugriff am: 22. Okt 2020 Pfäfflin, F., Diegmann, V., Neunhäuserer, L.:. Flächendeckende Ermittlung der Immissions-Vorbelastung für Baden-Württemberg 2010. Ausbreitungsrechnungen unter Verwendung des landesweiten Emissionskatasters und unter Berücksichtigung von gemessenen Immissionsdaten. Endbericht. Karlsruhe, 28 Feb 2014 (2014) Pfäfflin, F., Diegmann, V., Neunhäuserer, L., Reimer, E., Stern, R.: Urbane NO2- und PM10-Konzentrationen: Grundlagen für die Entwicklung einer modellgestützten flächenbezogenen Beurteilung der Luftqualität. Dessau-Roßlau (2019) Verordnung: (EU) 2018/1832. In: Amtsblatt der Europäischen Union, 27 Nov 2018 (2018) Kohoutek, S.: Quantifizierung der Wirkungen des Straßenverkehrs auf Partikel- und Stickoxid-Immissionen. Darmstadt (2011) Hrust, L., Klaić, Z.B., Križan, J., Antonić, O., Hercog, P.: Neural network forecasting of air pollutants hourly concentrations using optimised temporal averages of meteorological variables and pollutant concentrations [online]. Atmos. Environ. 43(35), 5588–5596 (2009). https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2009.07.048 Baumbach, G.: Luftreinhaltung. Entstehung, Ausbreitung und Wirkung von Luftverunreinigungen - Meßtechnik, Emissionsminderung und Vorschriften. Dritte Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg (1994) (ISBN 9783662084267 ) Keller, M., Wüthrich, P., Notter, B.: Handbook emission factors for road transport 3.1/3.2/3.3. Quick reference, 24 Apr 2017. Bern (2017) Keller, M., Hausberger, S., Matzer, C., Wüthrich, P., Notter, B.: HBEFA Version 3.3. Hintergrundbericht, 25 Apr 2017 (2017) Matzer, C., Weller, K., Dippold, M., Lipp, S., Röck, M., Rexeis, M., Hausberger, S.: Update of Emission Factors for HBEFA Version 4.1. Final report. I-05/19/CM EM-I-16/26/679, 9 Sep 2019 (2019) Verordnung: (EU) 2016/646. In: Amtsblatt der Europäischen Union, 26 Apr 2016 (2016) ACEA—European Automobile Manufacturers' Association: Access to Euro 6 RDE data [online]. 31 Juli 2020, 12:00 (2020). https://www.acea.be/publications/article/access-to-euro-6-rde-monitoring-data. Zugriff am: 31. Jul 2020 Volkswagen, A.G.: Real driving emissions [online]. Volkswagen AG erWin Online, 31 Jul 2020, 12:00 (2020). https://erwin.volkswagen.de/erwin/showRdeSearch.do. Zugriff am: 31 Jul 2020 Verordnung: (EU) 2016/427. In: Amtsblatt der Europäischen Union, 31 Mrz 2016 (2016) Kraftfahrt-Bundesamt: Fahrzeugzulassungen (FZ). Bestand an Kraftfahrzeugen nach Umwelt-Merkmalen. FZ 13. Flensburg, 1 Jan 2019 (2019). https://www.kba.de/SharedDocs/Publikationen/DE/Statistik/Fahrzeuge/FZ/2019/fz13_2019_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=11 Verordnung: (EG) 715/2007. In: Amtsblatt der Europäischen Union, 20 Jul 2007 (2007) Beidl, C., Hipp, J., Knaf, D., Anselm, R.,, Hohenberg, G., Conin, M., Kreuz, J., Goebel, U.: Pre-turbo DeNOx exhaust gas aftertreatment system for future 48V Diesel powertrains. In: 20. Internationales Stuttgarter Symposium. Automobil- und Motorentechnik. Springer, Wiesbaden, pp 337–355 (2020) (ISBN 9783658299439) Hipp, J., BEIDL, C., CONIN, M., Hohenberg, G., Knaf, D., Bosch, H., Kreuz, J., Göbel, U.: Pre-turbo exhaust gas aftertreatment systems for future diesel powertrains (2020) Schönen, M., Schaub, J., Robb, L., Fiebig, M., Reinwald, H., Lindemann, B.: Emissions and fuel consumption potential of a mild-hybrid-diesel-powertrain with a pre-turbine exhaust aftertreatment. In: Pischinger, S. (ed.) Hg. 28. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik. 7.-9. Okt 2019, pp. 613–630. Eurogress Aachen, (2019) Avolio, G., Brück, R., GRIMM, J., Maiwald, O., Rösel, G., Zhang, H.:. Super clean electrified diesel: towards real NOx emissions below 35 mg/km (2020) Kufferath, A., Naber, D., Krüger, M., Hausberger, S., Lipp, S., Heinz, G.: EU6d—Analyse der Randbedingungen und Ableitung der Emissionsauswirkungen am Beispiel des weiterentwickelten Diesel Powertrain. In: Geringer, B., Lenz, H.P. (eds.) Hg. 40. Internationales Wiener Motorensymposium 15.-17. Mai 2019, pp. 172–197. VDI Verlag, Düsseldorf (2019). ISBN 9783183811120 . Martin, C., Wancura, H., Goetschl, P., Weissbäck, M., Kapus, P., Krapf, P., Fraidl, G., Seewald, G., Steinhaus, T., Thiem, M., Beidl, C.: Affordable climate protection. Zero impact emission - The ICE as a key element. In: AVL LIST GMBH, Hg. 32nd International AVL Conference “Engine & Environment”. Graz (2020) Demuynck, J., Kufferath, A., Kastner, O., Brauer, M., Fiebig, M.: Verbesserung der Luftqualität und des Klimas durch moderne dieselfahrzeuge [online]. MTZ Motortechnische Zeitschrift 81(9), 56–63 (2020). https://doi.org/10.1007/s35146-020-0274-0 Steinhaus, T., Mokros, A., Thiem, M., Münz, M., Beidl, C.: Ultra-low emissions with OME at the CI engine–Implementation and potential for reduction of the immission level. In: AVL LIST GMBH, Hg. In: 11th international exhaust gas and particulate emissions forum. Ludwigsburg (2020) HORIBA: Ambient NOx monitor APNA-370. Operation Manual. Kyoto (2009) Pilusa, T.J., Mollagee, M.M., Muzenda, E.: Reduction of vehicle exhaust emissions from diesel engines using the whale concept filter [online]. Aerosol Air Qual. Res. 12(5), 994–1006 (2012). https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.04.0100 (ISSN 16808584) Alkama, R., Ait-Idir, F., Slimani, Z.: Estimation and measurement of the automobile pollution: application to Bejaia case. GlobalNEST J. 8(3), 277–281 (2006) Kufferath, A., Krüger, M., Naber, D., Mailänder, E., Maier, R.: Der Diesel Powertrain auf dem Weg zu einem vernachlässigbaren Beitrag bei den NO2-Immissionen in den Städten. In: Geringer, B., Lenz, H.P. (eds.) Hg. 39. Internationales Wiener Motorensymposium 26.-27. Apr 2018. In zwei Bänden. Als Manuskript gedruckt, pp. 16–36. VDI-Verlag, Düsseldorf (2018) (ISBN 9783183807123 ) Koch, T.: Hg. Diesel—eine sachliche Bewertung der aktuellen Debatte. Technische Aspekte und Potenziale zur Emissionsreduzierung. Springer, Wiesbaden (2018) (essentials; ISBN 978–3–658–22211–6) Kufferath, A., Naber, D., Krüger, M., Hausberger, S., Lipp, S., Heinz, S.:. EU6d is Working: Example of Diesel PC Emission Reduction. In: Eichlseder, H. (ed.) Hg. Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors. 17. Tagung: 26.–27 Sep 2019, pp. 86–103 (2019) (ISBN 9783851257052 ) Eichlseder, H.: Zero Impact ICE—A Vision? In: AVL List GMBH, Hg. In: 32nd International AVL Conference “Engine & Environment. Graz (2020)