Zallinger Michael Stefan
Dipl.-Ing. Dr.techn.
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2010
Kategorie Dissertationen
2. Preis
Titel
Mikroskopische Simulation der Emissionen von Personenkraftfahrzeugen
Kurzfassung
Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Kopplung eines mikroskopischen Emissionsmodells mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell und die Analyse der erzielbaren Genauigkeiten. Bevor jedoch diese Kopplung durchgeführt werden konnte wurde eine Möglichkeit der mikroskopischen Emissionssimulation untersucht und weiterentwickelt. Dabei wurde die Kennfelderstellung aus gemessenen Fahrzyklen am Rollenprüfstand auf ihre Tauglichkeit untersucht und danach als Standardmethode für die Parametrierung der PKW-Simulation für das Emissionsmodell PHEM angewandt. Für diese Kennfelderstellung wurde ein Fahrzyklus entwickelt der eine gute Abdeckung des gesamten Kennfeldes ergibt und die relevanten Verkehrssituationen abbildet. Unmittelbaren Einfluss auf die Simulation hat natürlich die Emissionsmessung. Daher wurde aus einer umfangreichen Messdatenbank die zu erwartende Unsicherheit aus der Messung für unterschiedliche Fahrzeugkategorien und Fahrzyklen, sowie die Wiederholbarkeit von Emissionsmessungen ermittelt. Mit diesen Analysen konnte gezeigt werden, dass mit einem mikroskopischen Emissionsmodell eine hohe Simulationsgenauigkeit erreicht werden kann. Es müssen jedoch einige Anforderungen, welche in dieser Arbeit genauer analysiert und beschrieben sind, beachtet werden. Anhand zweier Fallbeispiele konnte die Kopplung von PHEM mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell mit Messungen am Rollenprüfstand validiert werden. Damit wurde gezeigt, dass diese Kopplung den Emissionseinfluss von Verkehrssteuerungs- bzw. Verkehrslenkungsmaßnahmen gut abbilden kann.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
„Saubere“ Luft ist für Menschen, Tiere und Pflanzen lebensnotwendig, weshalb die Kenntnis der Luftschadstoffe und möglicher Ansätze zu deren Verminderung einen gesellschaftlich wichtigen Aspekt darstellt. Je nach Luftschadstoff gibt es unterschiedliche Verursacher und damit mögliche Maßnahmen die Schadstoffbelastung zu reduzieren. Der Verkehr ist in Ballungszentren einer der Hauptverursacher der Luftverschmutzung. Um das Ausmaß der verkehrsbedingten Emissionsbelastung, deren zeitliche Entwicklung sowie entsprechende Maßnahmen zur Reduktion evaluieren zu können, sind Informationen über spezifische Emissionen von Fahrzeugkategorien notwendig. Die Ermittlung der Fahrzeugemissionen in bestimmten Fahrsituationen kann einerseits durch Messungen oder durch Simulationen erfolgen. Aufgrund der Vielzahl an Fahrsituationen, auch Fahrzyklen genannt, kann mittels der Messungen immer nur eine sehr begrenzte Anzahl an Fahrzyklen gemessen werden. Die Simulation stellt jedoch ein brauchbares Mittel dar um für jeden möglichen Fahrzyklus eine Aussage über die Emissionen tätigen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein mikroskopisches kennfeldbasiertes Simulationsmodell (PHEM), welches in Grundzügen für LKW bereits vorhanden war, für die Anwendung auf PKW adaptiert werden. Im Gegensatz zu makroskopischen Modellen, die mit einer Mittelung und damit Homogenisierung der Bewegungsdaten arbeiten, wird bei der mikroskopischen Emissionssimulation das Fahrzeug als singuläre Einheit abgebildet. Der große Vorteil der mikroskopischen Modelle ist die direkte Untersuchung des Emissionsverhaltens für einzelne Zeit- bzw. Wegabschnitte und damit eine detailliertere Abbildung der realen Verhältnisse. Mit der Kopplung von PHEM mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell (AIMSUN und VISSIM) konnte ein Werkzeug für die Analyse und Bewertung von unterschiedlichen Verkehrslenkungs- und Steuerungsmaßnahmen auf das Emissionsverhalten des gesamten Verkehrs erstellt werden. Mit der Anwendung dieser gekoppelten Modelle können unterschiedliche Szenarien wie z. B. Tempolimits, straßenbauliche Maßnahmen oder Umweltzonen verkehrstechnisch als auch emissionstechnisch bewertet werden, bevor diese Maßnahmen in die Realität umgesetzt werden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes (GAVe-Grazer adaptive Verkehrssteuerung) konnte die Praxistauglichkeit dieser Modellkopplung bereits dargestellt werden und es zeigten sich dabei durch die Optimierung der Ampelsteuerung in Richtung minimaler Emissionen deutliche Potentiale zur Senkung von CO2, Partikel- und NOx-Emissionen, welche mit geringen Kosten verwirklicht werden könnten. Weiters wurden mit dem Emissionsmodell PHEM die Emissionsfaktoren für das Handbuch Emissionsfaktoren (HBEFA) simuliert. Das HBEFA stellt de facto die offiziellen Emissionsfaktoren für den mitteleuropäischen Raum dar, welche unter anderem für die Erstellung von Umweltverträglichkeitsgutachten verwendet werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit dieser Arbeit ein umfassendes und sehr detailliertes Emissionsmodell erstellt wurde, welches durch die Kopplung mit mikroskopischen Verkehrsmodellen in einem breiten Einsatzgebiet Anwendung findet.
Kategorie Dissertationen
2. Preis
Titel
Mikroskopische Simulation der Emissionen von Personenkraftfahrzeugen
Kurzfassung
Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Kopplung eines mikroskopischen Emissionsmodells mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell und die Analyse der erzielbaren Genauigkeiten. Bevor jedoch diese Kopplung durchgeführt werden konnte wurde eine Möglichkeit der mikroskopischen Emissionssimulation untersucht und weiterentwickelt. Dabei wurde die Kennfelderstellung aus gemessenen Fahrzyklen am Rollenprüfstand auf ihre Tauglichkeit untersucht und danach als Standardmethode für die Parametrierung der PKW-Simulation für das Emissionsmodell PHEM angewandt. Für diese Kennfelderstellung wurde ein Fahrzyklus entwickelt der eine gute Abdeckung des gesamten Kennfeldes ergibt und die relevanten Verkehrssituationen abbildet. Unmittelbaren Einfluss auf die Simulation hat natürlich die Emissionsmessung. Daher wurde aus einer umfangreichen Messdatenbank die zu erwartende Unsicherheit aus der Messung für unterschiedliche Fahrzeugkategorien und Fahrzyklen, sowie die Wiederholbarkeit von Emissionsmessungen ermittelt. Mit diesen Analysen konnte gezeigt werden, dass mit einem mikroskopischen Emissionsmodell eine hohe Simulationsgenauigkeit erreicht werden kann. Es müssen jedoch einige Anforderungen, welche in dieser Arbeit genauer analysiert und beschrieben sind, beachtet werden. Anhand zweier Fallbeispiele konnte die Kopplung von PHEM mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell mit Messungen am Rollenprüfstand validiert werden. Damit wurde gezeigt, dass diese Kopplung den Emissionseinfluss von Verkehrssteuerungs- bzw. Verkehrslenkungsmaßnahmen gut abbilden kann.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
„Saubere“ Luft ist für Menschen, Tiere und Pflanzen lebensnotwendig, weshalb die Kenntnis der Luftschadstoffe und möglicher Ansätze zu deren Verminderung einen gesellschaftlich wichtigen Aspekt darstellt. Je nach Luftschadstoff gibt es unterschiedliche Verursacher und damit mögliche Maßnahmen die Schadstoffbelastung zu reduzieren. Der Verkehr ist in Ballungszentren einer der Hauptverursacher der Luftverschmutzung. Um das Ausmaß der verkehrsbedingten Emissionsbelastung, deren zeitliche Entwicklung sowie entsprechende Maßnahmen zur Reduktion evaluieren zu können, sind Informationen über spezifische Emissionen von Fahrzeugkategorien notwendig. Die Ermittlung der Fahrzeugemissionen in bestimmten Fahrsituationen kann einerseits durch Messungen oder durch Simulationen erfolgen. Aufgrund der Vielzahl an Fahrsituationen, auch Fahrzyklen genannt, kann mittels der Messungen immer nur eine sehr begrenzte Anzahl an Fahrzyklen gemessen werden. Die Simulation stellt jedoch ein brauchbares Mittel dar um für jeden möglichen Fahrzyklus eine Aussage über die Emissionen tätigen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein mikroskopisches kennfeldbasiertes Simulationsmodell (PHEM), welches in Grundzügen für LKW bereits vorhanden war, für die Anwendung auf PKW adaptiert werden. Im Gegensatz zu makroskopischen Modellen, die mit einer Mittelung und damit Homogenisierung der Bewegungsdaten arbeiten, wird bei der mikroskopischen Emissionssimulation das Fahrzeug als singuläre Einheit abgebildet. Der große Vorteil der mikroskopischen Modelle ist die direkte Untersuchung des Emissionsverhaltens für einzelne Zeit- bzw. Wegabschnitte und damit eine detailliertere Abbildung der realen Verhältnisse. Mit der Kopplung von PHEM mit einem mikroskopischen Verkehrsflussmodell (AIMSUN und VISSIM) konnte ein Werkzeug für die Analyse und Bewertung von unterschiedlichen Verkehrslenkungs- und Steuerungsmaßnahmen auf das Emissionsverhalten des gesamten Verkehrs erstellt werden. Mit der Anwendung dieser gekoppelten Modelle können unterschiedliche Szenarien wie z. B. Tempolimits, straßenbauliche Maßnahmen oder Umweltzonen verkehrstechnisch als auch emissionstechnisch bewertet werden, bevor diese Maßnahmen in die Realität umgesetzt werden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes (GAVe-Grazer adaptive Verkehrssteuerung) konnte die Praxistauglichkeit dieser Modellkopplung bereits dargestellt werden und es zeigten sich dabei durch die Optimierung der Ampelsteuerung in Richtung minimaler Emissionen deutliche Potentiale zur Senkung von CO2, Partikel- und NOx-Emissionen, welche mit geringen Kosten verwirklicht werden könnten. Weiters wurden mit dem Emissionsmodell PHEM die Emissionsfaktoren für das Handbuch Emissionsfaktoren (HBEFA) simuliert. Das HBEFA stellt de facto die offiziellen Emissionsfaktoren für den mitteleuropäischen Raum dar, welche unter anderem für die Erstellung von Umweltverträglichkeitsgutachten verwendet werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit dieser Arbeit ein umfassendes und sehr detailliertes Emissionsmodell erstellt wurde, welches durch die Kopplung mit mikroskopischen Verkehrsmodellen in einem breiten Einsatzgebiet Anwendung findet.