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Geschichte des Dieselpartikelfilters Können unsere Diesel sauberer sein?

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Diskussion über saubere Diesel wird nicht nur in Deutschland mit Vehemenz geführt. Auch in der Schweiz sind Experten nach wie vor dabei, Abgasbestandteile zu bewerten und gerade Partikelfilter weiter zu optimieren. Anlässlich des 20-jährigen Jubiläums der Partikelfiltertestung fand im März am Empa ein zweitägiges Seminar zum derzeitigen Stand der Partikelfilter-Forschung statt.

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Sind Dieselabgase sauber genug?
Sind Dieselabgase sauber genug?
(Bild: ©WS-Design - stock.adobe.com)

Dübendorf/Schweiz – Die Geschichte des Dieselpartikelfilters begann mit einem Fehlschlag in Kalifornien – und einer Erfolgsgeschichte in der Schweiz. Anfang der 1980er Jahre hatte Daimler-Benz eine Flotte von Luxuslimousinen für Kalifornien mit Partikelfiltern ausgerüstet. Doch die Filter, gebaut in einen Konsortium der deutschen Degussa und des US-Keramikherstellers Corning, zerbröselten am Unterboden der Diesel-Autos. 2000 Motorschäden und eine Rückrufaktion ließen diesen ersten Versuch im Desaster enden.

Forschung unter Zeitdruck

Doch bereits fünf Jahre später mussten wirksame und praxistaugliche Partikelfilter her für Baumaschinen. Am 21. September 1992 hatte die Schweiz sich in einer Volksabstimmung für den Bau des NEAT-Basistunnels entschieden. Doch der Ausbruch von zwei 57 km langen Tunnelröhren wäre mit ungefilterten Diesel-Baumaschinen schlichtweg unmöglich gewesen, so hatten die Experten schnell ausgerechnet. „Wir hätten die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) für Dieselruß nicht einhalten können, wenn wir nur auf die Belüftung der Tunnel mit Frischluft gesetzt hätten“, sagt Andreas Mayer von der VERT-Association. So wurde das VERT-Projekt gestartet zur Erprobung von Partikelfiltern in der NEAT. Daraus ist auch die VERT-Association entstanden, die im März 2018 mit einem zweitägigen Seminar an der Empa 20 Jahre Filtertest feierte. Der Name VERT steht für „Verbesserung der Emissionen von Realmaschinen im Tunnelbau“.

Aus zehn Filtern werden 100 Millionen

Der Forschungsverbund der Empa, der Fachhochschulen Bern in Biel und Nordwestschweiz in Windisch und der VERT-Association wurde zu einer Erfolgsgeschichte, heißt es in einer Pressemitteilung: Aus zehn Test-Filtern für Baumaschinen im Jahr 1998 wurden bis heute 100 Millionen Filter, die in Personenwagen, Lastwagen, Bussen und Off-road Maschinen im Einsatz sind. Im Jahr 2000 lieferte Peugeot erstmals Partikelfilter in einem Pkw serienmäßig aus. Seit Einführung der Schadstoffklasse Euro 5 im Jahr 2011 sind Filter für neue Diesel-Pkw in Europa praktisch unumgänglich geworden. Mit der Einführung von Euro 6d im September 2019 und dem Absenken des Emissionsgrenzwerts auf 600 Milliarden Partikel pro Kilometer werden auch Benzin-betriebene Fahrzeuge nicht mehr ohne Partikelfilter auskommen können.

Ist nun die Arbeit getan? Sind die Abgase von Autos und Lastwagen sauber genug? Kann die VERT-Association nach 20 Jahren ihre Arbeit einstellen? Keineswegs, wie sich bei der zweitägigen Tagung im März zeigte. 600 Milliarden Partikel/km sind eine erschreckend hohe Zahl. Mit VERT-geprüften Filtern könnten die Partikelemissionen ohne Weiteres 10- oder 100-fach abgesenkt werden, sind sich die Verantwortlichen sicheer. Die Veranstalter hatten Chemiker, Toxikologen, Mediziner und Ingenieure eingeladen um über Risiken und Nebenwirkungen von Verbrennungsabgasen zu diskutieren. So trug Uwe Wagner vom Institut für Kolbenmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) seine optimistische Sicht vor. Wagners Fazit: „Die Emissionsprobleme von Verbrennungsmotoren sind gelöst.“ Nun müssten nur noch ältere Fahrzeuge allmählich durch neuere ersetzt werden. Dass ältere Fahrzeuge, wie später gezeigt, auch nachgerüstet werden könnten ging verloren.

Was ist gefährlicher: Stickoxide oder Rußpartikel?

Der Ingenieur aus Karlsruhe erntete auf dem Forum allerdings heftigen Widerspruch: Das NO2-Problem in Städten sei nicht gelöst, die EU-Grenzwerte für das Schadgas an vielen städtischen Messpunkten überschritten. Dies belegen die 650 Umweltzonen die in Europa eingeführt wurden um hohe Luftschadstoff-Belastungen zu bekämpfen. Noch immer sind Millionen Diesel-Pkw mit legalen Abschalteinrichtungen unterwegs – und noch immer dürfen sie weiter verkauft werden. Erst ab September 2019 gilt die Schadstoffnorm Euro 6d für alle Neuwagen. Erst dann muss jedes neu verkaufte Auto auch auf der Strasse NOx-Grenzwerte erfüllen.

Diskutiert wurde auch, welche Abgas-Bestandteile gesundheitsschädlich sind. Nur das hoch toxische Kohlenmonoxid (CO) ist emissionsseitig begrenzt, krebsäuslösende Stoffe wie Benzol oder Benzo(a)pyren sind nicht beschränkt obwohl die EU Außenluft-Grenzwerte im Gesetz verankert hat. Ist Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO2) giftiger? Oder sind es die nanometerkleinen Rußpartikel, die bei einem Grenzwert von 600 Milliarden Partikel/km immer noch zahlreich freigesetzt werden? Rußpartikel besitzen eine große spezifische Oberfläche, auf der Krebs erregende Verbrennungsrückstände anhaften und an den körpereigenen Abwehrsystemen vorbei bis in die Lungenbläschen geraten können. Sie wirken also wie ein Trojanisches Pferd.

„Partikelfilter und DeNOx-Systeme sind Chemiefabriken.“

Welche Verbrennungsrückstände auf den Rußpartikeln haften, weiß Norbert Heeb, Chemiker der Empa und seit 20 Jahren in der Abgasforschung tätig. In seinem Vortrag erläuterte er, welche toxischen Bestandteile in Verbrennungsabgasen aus Erdölprodukten vorkommen. Besonders heikel sind teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe, die in DeNOx-Systemen und Rußpartikelfilter längere Zeit verweilen. Die Kombination aus Reaktionshitze, Sauerstoff, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen kann zu neuen Krebs-erregenden Produkten führen, weiß Heeb. „Das ist eine veritable Chemiefabrik“.

Doch nicht nur im heißen Auspufftrakt bilden sich giftige Stoffe. Bestimmte Schadstoffe, sogenannte „Sekundärschadstoffe“ bilden sich auch nach dem Mischen der heißen Abgase mit kühler Umgebungsluft. Darunter sind etwa bodennahes Ozon oder sekundäre Kondensate und Feinstaubpartikel, die an ihrer Oberfläche ebenfalls Krebs-erregende Verbrennungsrückstände absorbieren. Weitere Messungen sind – so waren sich die Experten einig – in jeder Hinsicht angebracht. „Jeder zehnte Partikelfilter ist defekt“, sagt etwa Jan Czerwinski von der Berner Fachhochschule Biel in seinem Vortrag und forderte: „Wir müssen diese defekten Filter finden.“

Schädigung menschlicher Zellen durch Abgase

Die Forderung ist auch aus toxikologischer Sicht angebracht – Hinweise auf Gesundheitsschäden durch Abgase gibt es inzwischen zuhauf: Mehrere Experten, darunter Tina Bürki von der Empa, Barbara Rothen-Rutishauser vom Adolphe Merkle Institute oder Marianne Geisser und Loretta Müller von der Universität Bern, präsentierten Versuchsreihen, in denen menschliche Zellkulturen Diesel- oder Benzinmotorabgasen ausgesetzt wurden. Die biologischen Reaktionen dieser Zellkulturen lassen auf gesundheitsschädigende Effekte für Menschen schließen.

Zugleich entwickelten sich auch die Filter- und DeNOx-Technologie weiter. Neu entwickelte Nachrüstfilter bringen Nutzfahrzeuge vom Euro-2 bis Euro-5 auf den Euro-6-Standard. In Shenzen (China) und Teheran (Iran) sollen ganze Bus-Flotten nachgerüstet werden, Behörden in Israel denken über eine landesweite „Low-Emission-Zone“ nach, das Israelische Parlament hat soeben die flächendeckende Nachrüstung der Busflotte mit Filtern beschlossen. Und in Europa wächst die Zahl der Umweltzonen, in die älteren Diesel-Fahrzeugen die Einfahrt verwehrt wird. Die Zahl der Zonen ist inzwischen so unübersichtlich, dass die Website einer Consulting-Agentur Abhilfe schaffen muss. Hier sind alle Fahrverbote Europas mit ihren jeweiligen Vorschriften aufgeführt.

Die Abgasdebatte ist also auch 20 Jahre nach der Einführung von VERT-Filtertests noch lange nicht vorbei.

* R. Klose, Empa, 8600 Dübendorf/Schweiz

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