PM10 emission factors of abrasion particles from road traffic

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: ASTRA2005/007
• Titre du projet anglais: PM10 emission factors of abrasion particles from road traffic

Mots-clé (Allemand)

PM10, Emissionsfaktoren, Strassenbelag, Strassenabrieb, Reifenabrieb, Bremsabrieb, Abriebspartikel

Mots-clé (Anglais)

PM10, emission factors, paving, road wear, tyre wear, brake wear, abrasion particles

Description succincte (Allemand)

Die Belastung der Luft mit PM10-Feinstaub stellt eines der grössten Probleme der Luftreinhaltung dar, sind doch die Grenzwerte nicht nur in Städten, sondern auch entlang der Nationalstrassen grossflächig überschritten. Die grosse Besorgnis der Öffentlichkeit zeigen die intensiven Debatten im Zusammenhang mit massiven Überschreitungen der dieses Jahr verbindlich gewordenen EU-Grenzwerte.

Meist werden mit den Partikelemissionen des Strassenverkehrs nur die Auspuffemissionen (Russ) assoziiert. Die durch Abriebsprozesse erzeugten Partikel wurden weitgehend vernachlässigt. Im Forschungsprojekt ASTRA2000/415 konnte jedoch gezeigt werden, dass diese mechanisch erzeugten Partikel quantitativ bedeutend zur PM10-Belastung beitragen. Sie setzen sich zusammen aus dem Abrieb von Strassenbelägen, Reifen, Bremsen und Kupplungen. Allerdings ist noch praktisch unbekannt, wie viel diese Prozesse im Einzelnen quantitativ zur PM10-Belastung beitragen. Quantitative Informationen sind für effiziente PM10-Minderungsmassnahmen aber unerlässlich. Vor allem interessiert, ob die Abriebpartikel vorwiegend vom Strassenbelag oder den Fahrzeugen stammen.

Wie das bereits realisierte Projekt ASTRA2000/415 basiert der Forschungsplan auf Partikelmessungen im Luv und Lee der zu untersuchenden Strassenabschnitte. Völlig neu ist hingegen der zusätzliche Einsatz von Rotating-Drum-Impaktoren und der neuerdings am PSI verfügbaren Synchrotron Röntgenstrahlung für eine zeitlich hoch aufgelöste Analytik der Elementzusammensetzung der Staubproben. Dies erlaubt (was in ASTRA2000/415 noch nicht möglich war) die spezifische Identifikation und Quantifizierung der einzelnen Abriebsprozesse.

Wie bereits bei ASTRA2000/415 ist das BUWAL am Projekt interessiert und würde es mit unterstützen.

Description succincte (Anglais)

Excessive load of the ambient air with fine particles (PM10) is one of the most pressing issues of air pollution control. The limit values are exceeded not only in urban environments but also along national highways. The current debates in the context of the widespread exceedances of the EU limit values show strong public concern in this problem.

Particle emissions of road traffic are generally associated with exhaust emissions (soot) only. Until recently particle emissions due to abrasion processes were neglected. However, the research project ASTRA2000/415 showed clearly the important contribution of these emissions to the PM10 load of the ambient air. They consist of particles from the abrasion of pavings, tyres, breaks and clutches. But no quantitative information is available about the contributions of the single processes. This, however, would be necessary for effective PM10 reduction scenarios. In particular it is important to know whether abrasion emissions from pavings or from vehicles are dominating.

Similar to the already realised project ASTRA2000/415 the research plan is based on particle measurements upwind and downwind of roads. New is the use of rotating-drum-impactors and of the new synchrotron x-ray facility at PSI which allows analysis of the elemental composition with high time resolution. This is a prerequisite for the identification and quantification of the single abrasion processes. BUWAL is interested in the project and would support it.

Description du projet (Allemand)

Die Belastung der Luft mit PM10-Feinstaub stellt nach wie vor eines der grössten Probleme der Luftreinhaltung dar. Sowohl Kurz- wie Langzeitgrenzwerte sind nicht nur in Städten und Agglomerationen, sondern auch entlang der Nationalstrassen grossflächig überschritten.

Mit den Partikelemissionen des Strassenverkehrs werden in der Regel die Auspuffemissionen, vor allem die Russemissionen von Dieselfahrzeugen, assoziiert. Seit Kurzem traten aber auch die durch Abriebsprozesse mechanisch erzeugten Partikel ins Blickfeld des öffentlichen Interesses. In einem gemeinsam von ASTRA und BUWAL unterstützten Forschungsprojekt (ASTRA 2000/415: Verifikation von PM10-Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs) konnte gezeigt werden, dass diese mechanisch erzeugten Partikel quantitativ bedeutend zur PM10-Belastung in der Schweiz beitragen. Sie setzen sich zusammen aus dem Abrieb von Strassenbelägen, Reifen, Bremsen, Kupplungen und Fahrzeugkorrosion. Allerdings ist noch weitgehend unbekannt, wie viel diese Prozesse im Einzelnen zur PM10-Belastung beitragen. Quantitative Kenntnisse über die verantwortlichen Prozesse wären aber wichtig im Blick auf effiziente PM10-Minderungsmassnahmen. Entscheidend ist diesbezüglich, ob die Abriebpartikel vorwiegend von den Strassenbelägen oder den Fahrzeugen stammen.

An geeigneten Strassenabschnitten sollen im Lee und Luv (resp. Strassenrand und Hintergrund) Schwebstaubproben gesammelt und detailliert analysiert werden. Dazu kommen Rotating-Drum-Impaktoren (RDI) zum Einsatz, welche eine grössenfraktionierte Sammlung von Aerosolproben mit einer zeitlichen Auflösung von 1 Stunde erlaubt. Die RDI-Proben werden anschliessend mit Synchrotron-Röntgenstrahlung analysiert. Dank der hohen Energiedichte des Synchrotron-Röntgenstrahls können auf diese Weise Spurenelemente nachgewiesen werden, welche in der Umgebungsluft in Konzentrationen bis hinunter zu wenigen pg/m³ vorkommen. Die spektroskopische Messung der RDI-Probestreifen erfolgt automatisiert.

Die Differenzen zwischen Luv und Lee (resp. zwischen Strassenrand und Hintergrund) entsprechen den vom lokalen Verkehr emittierten Staubpartikeln. Ebenso sollen von einer repräsentativen Auswahl der als potentielle Emissionsquellen in Frage kommenden mechanisch beanspruchten Materialien (Strassenbelag, Bremsen, Kupplung, Reifen) detaillierte Analysen durchgeführt und charakteristische Leitelemente bestimmt werden. Diese können dann mit den an den Strassen gemessenen Elementdifferenzen verglichen und den einzelnen Prozessen zugeordnet werden.

Eine direkte Berechnung von Emissionsfaktoren aus den gemessenen Konzentrationsdifferenzen allein ist nicht möglich, da diese auch für eine gegebene Verkehrsfrequenz je nach den meteorologischen Verhältnissen stark schwanken können. Es wird deshalb mit Hilfe von NOx-Messungen und den als bekannt vorausgesetzten Emissionsfaktoren für die NOx das bei jeder einzelnen Messung herrschende Verdünnungsverhältnis (Emission/Immission) berechnet. Damit können, unter der plausiblen Annahme gleicher Verdünnung aller Schadstoffe, auch absolute Emissionsfaktoren für die weiteren gemessenen Grössen berechnet werden. Dieser Ansatz hat sich bereits im Vorgängerprojekt ASTRA2000/415 bewährt.

Ergänzende Untersuchungen des Einflusses des Strassenabstands auf die Immissionen sollen mit einem am PSI bereits vorhandenen, für Partikelmessungen ausgerüsteten Messfahrzeug erfolgen.

Es ist geplant, das Projekt als Kollaboration der Empa (Laboratorien für Luftfremdstoffe/Umwelttechnik und Festkörperchemie) mit dem PSI (Labor für Atmosphärenchemie) durchzuführen. Wegen der aufwendigen Feldmessungen und Analytik ist der personelle Aufwand relativ hoch. Vorgesehen ist ein Postdoc für die gesamte Projektdauer von 3 Jahren, der für die Messkampagnen und die analytischen Arbeiten von Mitarbeitern der Empa und des PSI unterstützt würde (Total 3 Personenjahre).

Méthodes (Allemand)

Details siehe Beilage mit ausführlicher Projektbeschreibung

Feldmesskampagnen an verschiedenen Strassen

Konventionelle Staubmonitore und Rotating-drum-Impaktoren

Synchrotron Röntgenfluoreszenzspektroskopie

Rezeptormodellierung

Elektronenmikroskopie und Mikroanalytik

Equipements spéciaux (Allemand)

Rotating-Drum Impaktoren

PM10-Monitoren und EC/OC-Geräte

Messgeräre für Stickoxide und Meteorologie, Verkehrszähler

Synchrotron Light Source (SLS) des PSI (Benutzung Beamline)

Etat des recherches effectuées par le requérant (Allemand)

Stand der internationalen Forschung:

Es existieren einige Modelle zur Abschätzung von nicht auspuffbedingten Emissionen (EPA, Schweden), welche allerdings inkonsistente Resultate liefern und experimentellen Überprüfungen kaum standhielten. Zudem sind sie wegen unterschiedlicher Randbedingungen (Strassenbelag, Spikes etc.) nicht auf die Verhältnisse in der Schweiz übertragenbar. Einen guten Überblick über diese Ansätze gibt (Lohmeyer and Düring, 2001).

Generell gibt es sehr wenig publizierte Untersuchungen über abriebsbedingte PM10-Emissionen des Strassenverkehrs. (Abu-Allaban et al., 2003) berichten über PM10- and PM2.5-Emissionensfaktoren für Strassenstaub, Auspuff und Bremsen aus einer Feldstudie in den USA, (Garg et al., 2000) geben Schätzungen für Bremsstaubemissionen. Feldstudien aus Finnland ergaben hohe Anteile von Strassenbelagsabrieb, welche aber vor allem den dort verbreiteten Spikesreifen und dem Sanden von Strassen zugeschrieben wurden (Kupiainen et al., 2003; Kupiainen et al., 2005).

Zur chemischen Zusammensetzung von Abriebspartikels aus Bremsbelägen und Reifen, resp. zum Metallgehalt von Feinstaub in Strassentunnels gibt es einige Untersuchungen, welche die in diesem Projekt geplanten Bestimmungen von Quellenprofilen unterstützen könnten (Adachi and Tainosho, 2004; Councell et al., 2004; Lough et al., 2005). Camatini et al. (2001) beschreiben eine Methode zur mikroskopischen Identifizierung von Reifenabrieb im Strassenstaub.

Wegen der grossen Bedeutung der Abriebsproblematik sind aber zur Zeit auch im Ausland (z.B. VTI, Schweden) grössere Projekte in Planung. Diese fokussieren in erster Linie auf eine detaillierte Charakterisierung von Abriebspartikeln (inkl. Gesundheitseffekte), aber weniger auf die Quantifizierung von Emissionsfaktoren. Kontakte mit diesen Forschungsgruppen wurden bereits aufgenommen.

Stand der eigenen Forschung:

In einem gemeinsamen Projekt von Empa und PSI (ASTRA2000/415) wurden die Emissionsfaktoren für PM10 (Gehrig et al., 2003; Gehrig et al., 2004) und Partikelanzahl (Imhof et al., 2005) aus dem Strassenverkehr für verschiedene Verkehrssituationen quantifiziert. Dabei wurden erstmals nicht nur die Verbrennungspartikel aus dem Auspuff, sondern auch durch mechanische Prozesse erzeugte Partikel untersucht. Es zeigte sich, dass diese je nach Verkehrssituation etwa gleich hoch oder sogar höher sind als die Partikelemissionen aus dem Auspuff. Allerdings gelang es nicht, diese erheblichen, aber nicht auspuffbedingten Emissionen einzelnen mechanischen Prozessen zuzuordnen. Dazu waren die gemessenen Daten (nur PM-Massenkonzentrationen, ohne Inhaltsstoffe) nicht geeignet. Es besteht hier deshalb noch eine empfindliche Wissenslücke, die mit detaillierter und zeitlich hoch aufgelöster Analytik der verkehrsbedingten Partikel angegangen werden könnte.

Am PSI wird seit 2003 Synchrotron – Röntgenfluoreszenzspektroskopie (SR-XRF) als Analysemethode eingesetzt für den Nachweis einer Vielzahl von Spurenelementen in Luftfilterproben. Die Nachweisgrenze liegt im pg/m3 – Bereich. Solche Nachweisgrenzen, mit gleichzeitig hoher Zeitauflösung, konnten mit den bisher zur Verfügung stehenden, konventionellen spektroskopischen Methoden nicht erreicht werden. Diese Technik wurde bereits 2003/2004 in einem gemeinsamen Projekt von PSI, Empa, SBB und BUWAL zur spezifischen Bestimmung der Emissionen des Eisenbahnverkehrs erstmals erprobt und eingesetzt. Der Grossteil der SR-XRF – Analyse erfolgte am Hamburger Synchrotron Labor (HASYLAB) (Bukowiecki et al., 2005). Seit Ende 2004 ist auch eine entsprechende Strahllinie an der SLS/PSI in Betrieb. Erste Tests an der SLS haben die Eignung dieser Anlage auch für unsere Zwecke gezeigt.

Objectifs du projet (Allemand)

- Quantifizierung der durch verschiedene mechanische Prozesse des Strassenverkehrs (Belagsabrieb, Reifenabrieb, Bremsabrieb, Kupplungsabrieb) bedingten PM10-Immissionen im Bereich von Strassen mit repräsentativen Belägen bei unterschiedlichen Verkehrsregimes und bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen.

- Charakterisierung von deren Grössenverteilung (<1µm, 1-2.5µm, 2.5-10µm) und deren chemischer Zusammensetzung.

- Ermittlung der PM10-Emissionsfaktoren für die verschiedenen Abriebsprozesse, falls möglich für leichte und schwere Motorfahrzeuge getrennt.

- Belastung durch Abriebspartikel in Abhängigkeit vom Abstand zur Strasse.

- Herleitung möglicher gezielter Minderungsmassnahmen, gestützt auf den ermittelten Einfluss der einzelnen Abriebsprozesse.

Objectifs du projet (Anglais)

- Quantification of PM10 concentrations near roads due to mechanically produced abrasion particles of road traffic (from paving, tyres, brakes, clutches) for different representative pavings and different weather conditions.

- Characterisation of the size distribution (<1µm, 1-2.5µm, 2.5-10µm) and the chemical composition.

- Determination of emission factors of PM10 for the different abrasion processes, if possible separately for light duty and heavy duty traffic.

- PM10 contributions as a function of the distance from the road.

- Development of possible specific reduction measures, based on the investigated contributions of the different abrasion processes.

Plan de recherche (Allemand)

Details siehe Beilage mit ausführlicher Projektbeschreibung

Phase I: Bestimmung von Emissionsprofilen

Phase II: Messkampagnen an Strassen

Phase III: SR-XRF – Analyse

Phase IV: Datenauswertung

Zeitplan

geplanter Projektbeginn: Februar 2006

Vorgesehene Dauer: 3 Jahre

Jahr	1				2				3
Quartal	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
Phase I
Phase II
Phase III
Phase IV

Es ist geplant, das Projekt als Kollaboration der Empa (Laboratorien für Luftfremdstoffe/Umwelttechnik und Festkörperchemie) mit dem PSI (Labor für Atmosphärenchemie) durchzuführen. Wegen der aufwendigen Feldmessungen und Analytik ist der personelle Aufwand relativ hoch. Vorgesehen ist ein Postdoc für die gesamte Projektdauer von 3 Jahren, der für die Messkampagnen, analytischen und mikroskopisch/mikroanalytischen Arbeiten von Mitarbeitern der Empa und des PSI unterstützt würde (Total 3 Personenjahre).

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Die Partikelemissionen aus Abriebsprozessen stellen einen bedeutenden Teil der PM10-Belastung dar. Quantitative Kenntnisse über die verantwortlichen Prozesse fehlen noch weitgehend. Sie wären aber wichtig im Blick auf die Ausarbeitung effizienter PM10-Minderungs­massnahmen. Diesbezüglich ist entscheidend, ob die Abriebpartikel vorwiegend vom Strassenbelag oder den Fahrzeugen stammen.

Für die toxikologische Beurteilung der Abriebspartikel ist es auch wertvoll, dass sie in diesem Projekt nach verschiedenen Grössenklassen getrennt analysiert und quantifiziert werden. Solche Informationen sind wesentlich für die Abschätzung der potentiellen gesundheitlichen Risiken.

Neben der Ermittlung repräsentativer Emissionsfaktoren besteht ein Nutzen des Projekt auch in der Erarbeitung und Validierung einer effizienten Methodik zur Messung der Emissionsfaktoren. Mit dieser können auch nach Abschluss des Projekts weitere Messungen zur Begleitung von Umsetzungs­massnahmen durchgeführt werden (Emissionen neuer Materialien für Beläge, Reifen etc.).

No du rapport (Allemand)

1268

Littérature (Allemand)

Abu-Allaban, M., Gillies, J.A., Gertler, A.W., Clayton, R., and Proffitt, D., 2003. Tailpipe, resuspended road dust, and brake-wear emission factors from on-road vehicles, Atmospheric Environment 37(37), 5283-5293.

Adachi, K., and Tainosho, Y., 2004. Characterization of heavy metal particles embedded in tire dust, Environment International 30(8), 1009-1017.

Bukowiecki, N., Hill, M., Gehrig, R., Zwicky, C., Lienemann, P., Hegedues, F., Falkenberg, G., Weingartner, E., and Baltensperger, U., 2005. Trace metals in ambient air: Hourly size-segregated mass concentrations determined by synchrotron XRF, Environmental Science & Technology 39(15), 5754-5762.

Camatini, M., Crosta, G.F., Dolukhanyan, T., Sung, C., Giuliani, G., Corbetta, G.M., Cencetti, S., and Regazzoni, C., 2001. Microcharacterization and identification of tire debris in heterogeneous laboratory and environmental specimens, Materials Characterization 46(4), 271-283.

Councell, T.B., Duckenfield, K.U., Landa, E.R., and Callender, E., 2004. Tire-wear particles as a source of zinc to the environment, Environmental Science & Technology 38(15), 4206-4214.

Garg, B.D., Cadle, S.H., Mulawa, P.A., Groblicki, P.J., Laroo, C., and Parr, G.A., 2000. Brake wear particulate matter emissions, Environmental Science & Technology 34(21), 4463-4469.

Gehrig, R., Hill, M., Buchmann, B., Imhof, D., Weingartner, E., and Baltensperger, U., 2003. Verifikation von PM10-Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs; VSS Report 1053, pp. 203, Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation/Bundesamt für Strassen, Bern; URL: www.empa.ch > Umwelt > Luftreinhaltung.

Gehrig, R., Hill, M., Buchmann, B., Imhof, D., Weingartner, E., and Baltensperger, U., 2004. Separate determination of PM10 emission factors of road traffic for tailpipe emissions and emissions from abrasion and resuspension processes, International Journal of Environment and Pollution 22(3), 312-325.

Imhof, D., Weingartner, E., C., O., Gehrig, R., Hill, M., Buchmann, B., and Baltensperger, U., 2005. Real-world emission factors of fine and ultrafine particles for different traffic situations in Switzerland., Environmental Science & Technology 39 (in press).

Kupiainen, K., Tervahattu, H., and Raisanen, M., 2003. Experimental studies about the impact of traction sand on urban road dust composition, Science of the Total Environment 308(1-3), 175-184.

Kupiainen, K.J., Tervahattu, H., Raisanen, M., Makela, T., Aurela, M., and Hillamo, R., 2005. Size and composition of airborne particles from pavement wear, tires, and traction sanding, Environmental Science & Technology 39(3), 699-706.

Lohmeyer, A., and Düring, I., 2001. Validierung von PM10-Immissionsberechnungen im Nahbereich von Strassen und Quantifizierung der Feinstaubbildung von Strassen, pp. 80, Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin, Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie Dresden, Radebeul.

Lough, G.C., Schauer, J.J., Park, J.S., Shafer, M.M., Deminter, J.T., and Weinstein, J.P., 2005. Emissions of metals associated with motor vehicle roadways, Environmental Science & Technology 39(3), 826-836.