Senkung zukünftiger Stickoxid- und Partikelemissionen in Nordrhein-Westfalen durch den Einsatz alternativer Energieträger und Antriebe

Breuer, Janos Lucian; Stolten, Detlef; Lauster, Michael

doi:10.18154/RWTH-2024-06164

Senkung zukünftiger Stickoxid- und Partikelemissionen in Nordrhein-Westfalen durch den Einsatz alternativer Energieträger und Antriebe = Reduction of future nitrogen oxide and particulate emissions in North Rhine-Westphalia through utilisation of alternative fuels and propulsion systems

Breuer, Janos Lucian^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeJanos Lucian Breuer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource (vii, 339 Seiten) : Diagramme, Karten

ISBN978-3-95806-760-8

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 632

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Onlineausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Lauster, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-03-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06164
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1354866
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988414/files/988414.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
air pollution (frei) ; alternative drives (frei) ; environmental impacts (frei) ; future mobility concepts (frei) ; hydrogen (frei) ; spatial modelling (frei) ; synthetic fuels (frei) ; transport emissions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der zentralen Forschungsfrage, inwiefern alternative Energieträger und Antriebe lokale Stickstoffoxid (NOx)- und Partikelmasse (PM)- Emissionen in Hotspots reduzieren können. Hierfür wurde ein räumliches Bottom-Up Modell zur Berechnung von Fahrleistungen und Emissionen von Straßenverkehr, Binnenschifffahrt, Schienenverkehr und Flugverkehr für das repräsentative Modellgebiet Nordrhein-Westfalen entwickelt. Die Fahr- und Verkehrsleistungen für die einzelnen Abschnitte der Transportnetze wurden basierend auf Fahrplänen, Flugplänen, Daten des Statistischen Bundesamtes und einem entwickelten statistischem Modell ermittelt. Für die Berechnung der Emissionen wurden unterschiedliche Fahrzeugklassen, Fahrzeuggrößen, Emissionstechnologien, Antriebe und Energieträger berücksichtigt. Des Weiteren wurde eine neuartige Methodik zur Bilanzierung von Emissionen in Stadtgebieten entwickelt. Neben der Berechnung der aktuellen Emissionen wurden unterschiedliche Szenarien für zukünftige Entwicklungen des Verkehrssektors und deren Emissionen betrachtet. Hierfür wurden unter anderem prognostizierte Verkehrsleistungen für Binnenschifffahrt und Flugverkehr, ein entwickeltes Prognosemodell für Fahrleistungen des Straßenverkehrs sowie entwickelte Ansätze zur Ermittlung der Flottenentwicklungen berücksichtigt. Die Annahme für die Referenzszenarien war die zukünftige Nutzung konventioneller Energieträger. Die alternativen Szenarien umfassen verschiedene alternative Kraftstoffoptionen und Antriebsstränge, welche basierend auf einer neuartigen Methodik zur Selektion vielversprechender zukünftiger Energieträger ausgewählt wurden. Für den Straßenverkehr wurden die Energieträger Fischer-Tropsch-Diesel/hydriertes Pflanzenöl, Methanol to Gasoline-Benzin, Erdgas, Dimethylether, Wasserstoff in der Brennstoffzelle und elektrischer Strom ausgewählt. Für die Binnenschifffahrt wurden indessen Erdgas und Wasserstoff in der Brennstoffzelle und im Verbrennungsmotor untersucht, während für den Flugverkehr Fischer-Tropsch-Kerosin berücksichtigt wurde. Die Szenarien wurden anschließend mithilfe des Modells berechnet. In Folge der Analysen wurden im Modellgebiet Nordrhein-Westfalen die Stadtgebiete von Aachen und Wuppertal sowie Stadtgebiete im Rhein- und Ruhrgebiet als aktuelle Emissionshotspots identifiziert. Aktuell hat der Straßenverkehr den größten Anteil an den in Emissionshotspots emittierten Schadstoffen. Die Binnenschifffahrt hingegen weist in Rheinnähe moderat hohe Anteile bei aktuellen NOx- und PM2.5-Emissionen auf, während der Schienenverkehr ausschließlich bei den weniger gesundheitsschädlichen PM10-Emissionen höhere abriebsbedingte Anteile aufweist. Der Flugverkehr produziert nur in der Nähe des Flughafens Düsseldorf einen moderat hohen Anteil an den Emissionen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen bei weiterer Nutzung konventioneller Kraftstoffe bereits eine starke bzw. mittlere Reduktion der verbrennungsbedingten Emissionen des Straßenverkehrs und der Binnenschifffahrt, während jene des Flugverkehrs leicht steigen. Dies führt zu einer zukünftigen Reduktion der NOx-Emissionen abseits des Rheingebiets und der Flughäfen Köln und Düsseldorf. Außerdem wird der Anteil an abriebsbedingten PM-Emissionen in Zukunft steigen. Kurzfristig haben die mit bestehenden Fahrzeugen kompatiblen Kraftstoffe Fischer-Tropsch-Diesel und -Kerosin hohe Reduktionspotentiale. Langfristig ist hingegen der Wechsel auf wasserstoff- oder strombasierte Antriebe für größere Emissionsminderungen zwingend erforderlich. Bei der Diskussion dieser Ergebnisse wurde deutlich, dass der geringe Technologiereifegrad von alternativen emissionsarmen Antriebssystemen für die Binnenschifffahrt und den Flugverkehr kritisch ist. Des Weiteren sind Richtlinien für Abriebemissionen erforderlich, um den Stand der Forschung zu diesen zu fördern. Es ist noch offen, wie sich ein großer Marktanteil von Elektrofahrzeugen auf die Abriebemissionen auswirken wird. Zusammengefasst sind die Ergebnisse dieser Arbeit einerseits eine robuste Grundlage zur Entwicklung von Strategien zur Luftreinhaltung in aktuellen Emissionshotspots und anderseits ein weiteres Kriterium zur Selektion vielversprechender zukünftiger Energieträger.

This thesis aims to answer the research question of how alternative fuels and powertrains can reduce nitrogen oxide (NOx) and particulate matter (PM) emissions in hotspots. The thesis proposes a new spatial bottom-up model that computes mileages and local pollutants of road transport, inland waterway transport, rail transport and air transport for North Rhine-Westphalia (NRW) as representative case study. The model is organised in sub-modules. For instance, one module determines mileages and transport performances for each section of the transport networks using timetables, flight schedules, data from the Federal Statistical Office and a developed statistical model. Another module calculates emissions on each network section taking different vehicle classes, vehicle sizes, emission technologies, powertrains and fuels into account. Finally, a novel module balances emissions in urban areas for a following analysis. Besides the calculation of current emissions, several scenarios for future developments of the transport sector and their emissions were considered in the case study. Boundary conditions for future scenarios were set using forecasts of traffic performances for inland waterway transport and air transport, a developed model approach for forecasting road transport mileages, and devised approaches for determining fleet developments. The assumption for the reference scenarios was the continuation of using conventional fuels. The other tested scenarios included various alternative fuel options and powertrains, which were selected based on a novel methodology for selecting promising future fuel options. More specifically, the fuel options for road transport were Fischer-Tropsch diesel/ hydrogenated vegetable oil, Methanol to Gasoline, natural gas, dimethyl ether, hydrogen in fuel cells and electric power. Meanwhile, the fuel options for inland waterway transport were natural gas as well as hydrogen in fuel cells and internal combustion engines and for avitation the fuel option was Fischer-Tropsch kerosene. These and the reference scenarios were simulated with the proposed model. The result of the case study was that the urban areas of Aachen and Wuppertal as well as urban areas in Rhine and Ruhr regions are the most critical current emission hotspots in North Rhine- Westphalia. Road transport currently accounts for the largest share of pollutants emitted in emission hotspots. Inland navigation shows moderately high shares in current NOx and PM2.5 emissions in the vicinity of the Rhine, while rail transport is only responsible for larger shares of the less harmful PM10 emissions due to abrasion. Air transport only produces a moderately high share of emissions in the vicinity of the international airport Düsseldorf. The results of this work already show a strong and respectively moderate reduction in combustionrelated emissions from road and inland waterway transport for further utilization of conventional fuels, whereas those from air transport increase slightly. Overall, this will lead to a future easing of NOx emissions away from the Rhine region and the airports of Cologne and Düsseldorf. Furthermore, the share and significance of abrasion-related PM emissions will increase strongly in the future. In the short term, the with existing vehicles compatible drop-in fuels Fischer-Tropsch diesel and Fischer-Tropsch kerosene have a high reduction potential. However, it will be mandatory to switch to hydrogen- or electricity-based powertrains in the long term for larger emission reductions. When discussing these results, it became clear, that the low technology readiness level of alternative low emission propulsion systems for inland waterway transport and air transport is critical. Moreover, guidelines for abrasion emissions are needed to encourage the state of research on these. It is still an open question how a large market share of electric vehicles will affect local abrasion emissions. In conclusion, the results of this work are a robust basis for devising strategies for air pollution control in current emission hotspots and a further criterion for the selection of promising future fuels and powertrains.

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