Was sind NOx, CO und Feinstaub und warum schaden sie uns?

NOx, CO und Partikel sind die drei wichtigsten Gruppen von Schadgasen und Stoffen, die aus dem Auspuff von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor emittiert werden: Stickoxide entstehen durch die Reaktion von Sauerstoff mit dem Stickstoff der Luft bei hohen Verbrennungstemperaturen, Kohlenmonoxid ist das Produkt einer unvollständigen Verbrennung bei Sauerstoffmangel, und Partikel bestehen aus feinen Rußpartikeln, die vor allem bei Dieselmotoren auftreten. Alle drei schaden dem Atem- und Kreislaufsystem und sind daher das Ziel von Emissionsstandards.

Was ist NOx und wie erzeugt der Motor es?

NOx ist der Sammelbegriff für Stickoxide. Die beiden häufigsten Bestandteile sind Stickstoffmonoxid (NO, ein Stickstoff- und ein Sauerstoffatom) und Stickstoffdioxid (NO2, ein Stickstoff- und zwei Sauerstoffatome). NO kann in der Atmosphäre durch Reaktionen zu NO2 umgewandelt werden; in Luftqualitätsberichten wird NO2 als Indikator für die gesamte NOx-Gruppe verwendet. Eine häufige Verwirrung möchte ich hier auch richtigstellen: Das als Treibhausgas wirkende und das Klima beeinflussende Distickstoffmonoxid (N2O) ist ein anderer Schadstoff als NOx.

Der Entstehungsmechanismus ist eine einfache chemische Angelegenheit. Die Temperatur im Zylinder des Motors reicht aus, damit die Stickstoff- (N2) und Sauerstoffmoleküle (O2) der Luft miteinander reagieren. Dies ist kein gewünschtes Ziel der Verbrennung, sondern ein unvermeidliches Nebenprodukt der hohen Temperatur. Je höher Temperatur und Druck, desto mehr NOx.

Aus diesem Fall stechen Dieselmotoren hervor. Diesel laufen mit zusätzlicher Luft, also sauerstoffreicher "Magerverbrennung"; die Sauerstoffmenge pro Kraftstoffeinheit sowie die Temperatur- und Druckwerte im Zylinder machen die NOx-Produktion im Vergleich zum Benzinmotor reichlicher und stärker. Deshalb war das Zentrum der NOx-Kontrolle immer auf der Diesel-Seite; die durch Fahrzeuge verursachten NOx-Emissionen werden zudem seit den 1960er Jahren reguliert.

Kohlenmonoxid: geruchlos, farblos, giftig

Kohlenmonoxid entsteht, wenn Kohlenstoff nicht vollständig verbrennt, und ist ein giftiges Gas ohne Geruch und Farbe. Die Physiologie hinter seiner Gefahr ist eindeutig: Wenn CO ins Blut gelangt, stört es den Sauerstofftransport. Die Folge sind Müdigkeit, Kopfschmerzen, Schwindel und Konzentrationsstörungen, die durch unzureichende Sauerstoffversorgung des Gehirns verursacht werden. Zu den ersten Symptomen zählen Kopfschmerzen, Schläfrigkeit und Übelkeit; längere Exposition führt bis zu Erbrechen und Bewusstlosigkeit. Da es geruchlos ist, kann eine schwere Exposition unbemerkt ein lebensgefährliches Niveau erreichen.

Die Tabelle zur langfristigen Exposition ist ebenfalls nicht zu unterschätzen; eine chronische CO-Exposition wird am häufigsten mit Defiziten bei Gedächtnis, Aufmerksamkeit und Konzentration sowie mit Parkinson-artigen Bewegungsstörungen in Verbindung gebracht. Bekannt ist auch, dass eine regelmäßige Exposition gegenüber Abgasen die Grundlage für Atemwegserkrankungen wie Bronchitis, Asthma und Lungenkrebs bereitet.

Die gute technische Nachricht lautet: CO ist ein Schadstoff, der im Katalysator in ungiftiges Kohlendioxid umgewandelt werden kann. Das Risiko bleibt in dem Gas bestehen, das den Konverter nicht erreicht; weist die Abgasanlage ein Leck auf, kann CO ungefiltert entweichen. Deshalb ist die Intaktheit der Abgasanlage nicht nur eine Frage des Lärms, sondern eine Sicherheitsfrage.

Warum sind Partikel so gefährlich wie PM2.5?

Partikel sind eine Mischung aus kleinen festen und flüssigen Partikeln in der Luft; umgangssprachlich sprechen wir von "Rauch" oder "Ruß". Das Ausmaß der Gefahr hängt direkt von der Größe der Partikel ab. PM2.5-Partikel mit einem Durchmesser unter 2,5 Mikron dringen dank ihrer geringen Größe bis in die Tiefen des Atem- und Kreislaufsystems vor. Die ultrafeinen Partikel, die 80-95 % des Dieselrußes ausmachen, sind so klein, dass sie in die Lungenzellen eindringen können.

PM gilt als Hauptverursacher der negativen Gesundheitseffekte im Zusammenhang mit Dieselabgas-Exposition. Die von Gesundheitsbehörden aufgeführten Auswirkungen sind:

• Vorzeitiger Tod bei Personen mit Herz- oder Lungenerkrankungen
• Nicht tödliche Herzinfarkte und Herzrhythmusstörungen
• Asthma-Verschlimmerung, Atemwegs entzündung und Atemnot
• Bei einem Anstieg der Kurzzeitexposition ein erhöhtes Risiko akuter Todesfälle bei Personen mit Herz-Kreislauf- oder bestehenden Atemwegserkrankungen

Die Wirkung beschränkt sich nicht auf die Gesundheit. Partikelverschmutzung verringert die Sicht, beeinträchtigt Klima und Ökosysteme negativ und führt zu Materialschäden. Der aus dem Ausstoß kommende Ruß ist also nicht nur ein Atemwegsproblem, sondern auch ein Problem der Umweltingenieurwissenschaften.

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC): Woher kommen sie?

In der Abgastabelle gibt es einen weiteren Schadstoff, der zwar nicht so häufig genannt wird wie NOx, aber in derselben Tabelle steht: unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Ihre Quellen kommen einem bekannt vor. Zu den Hauptquellen gehören die Blow-by-Gase, die aus der Kurbelgehäusebelüftung austreten und in den Verbrennungsraum zurückkehren, das in den Ölabstreifringnuten eingeschlossene Kraftstoff-Luft-Gemisch, der flüssige Kraftstoff im Ansaugkrümmer und der Ölfilm an der Zylinderwand. Bei Betrieb unter hoher Last sind die Kolbenringnuten die Hauptquelle der HC-Emissionen.

Es gibt noch eine Quelle außerhalb des Verbrennungsraums: die Kraftstoffverdampfung. Zu den Emissionen aus dem Auspuff kommen auch die Verluste hinzu, die durch Verdampfung des Kraftstoffs aus dem Tank und den Leitungen entstehen. So können Ethanolmischungen mit geringem Anteil beispielsweise dazu führen, dass Benzin leichter verdampft und die Verdampfungsemissionen zunehmen. Unvollständige Verbrennung, Sauerstoffmangel oder schlechte Verbrennungsbedingungen sind verbrennungsseitige Faktoren, die HC direkt erhöhen.

Welcher Emissionsstandard zielt aus welchem Grund auf welches Gas?

Die Euro-Emissionsstandards sind ein Regelwerk, das die maximale Menge an Schadstoffen festlegt, die ein Fahrzeug legal ausstoßen darf; eingeführt wurden sie 1992 zusammen mit der verpflichtenden Katalysatoraufrüstung. Die Logik ist einfach: Da jeder Schadstoff einen anderen Schadensmechanismus hat, wird für jeden ein eigener Grenzwert festgelegt. Da CO den Sauerstofftransport, NO2 die Atemwege und PM Herz und Lunge angreift, messen die Standards alle drei getrennt.

Auch die Geschichte der Standards zeigt die Logik der Unterscheidung: Seit der Stufe Euro 2 legt Europa unterschiedliche Grenzwerte für Diesel- und Benzinfahrzeuge fest. Diesel unterliegen strengeren CO-Grenzwerten, dürfen aber höhere NOx-Werte haben; Benzinfahrzeuge waren bis Euro 4 von der Partikelgrenzwerten ausgenommen. Euro 6 trat im September 2014 in Kraft, verschärfte die NOx- und PM-Grenzwerte für Dieselfahrzeuge erheblich und führte eine Pflicht ein, die bei Diesel- und direkteinspritzenden Benzinmotoren (GDI) nicht nur die Masse, sondern auch die Anzahl der Feinstpartikel begrenzt. Auf der Dieselseite erforderte diese Pflicht die breite Einführung des Dieselpartikelfilters (DPF).

Der Unterschied zwischen Labor und realer Straße rückte nach Dieselgate ins Zentrum der Debatte. Ab September 2017 unterlagen Fahrzeuge den RDE-Tests, die unter realen Fahrbedingungen messen. Das Ergebnis ist messbar: Im Zeitraum der Euro-Regelungen sanken die NOx-Emissionen von 2001 bis 2017 um 84% . Strenge Grenzwerte machten außerdem die Verbreitung von SCR-Systemen bei Dieseln erforderlich.

Wie werden diese Gase gereinigt, bevor sie aus dem Auspuff kommen?

Die moderne Abgasnachbehandlungskette entwirft für jeden Schadstoff eine eigene Lösung. SCR (Selektive Katalytische Reduktion) injiziert eine harnstoffbasierte Dieselexaustflüssigkeit - im Alltag AdBlue genannt - in den Abgasstrom; im Katalysator wird NOx zu harmlosem Stickstoff und Wasser reduziert. Die NOx-Reduktion kann bis zu 90% erreichen; im selben Prozess werden HC und CO um 50-90% und PM um 30-50% reduziert. Der DPF hält den Ruß physikalisch zurück; die Kombination aus DPF + SCR + DEF bindet sowohl Ruß als auch NOx, während das SDPF, das die SCR-Funktion mit dem Filter vereint, dieselbe Aufgabe in einer einzigen Einheit erledigt. Auch im Zylinder gibt es eine Maßnahme: Die AGR (Abgasrückführung) führt einen Teil des Abgases zurück in den Zylinder und senkt so die Sauerstoffmenge und die Verbrennungstemperatur; da die Temperatur sinkt, verringert sich die entstehende NOx-Menge.

Dank dessen hat sich das Emissionsprofil neuer Fahrzeuge deutlich verändert. Auch wenn neue Modelle etwas mehr CO2 produzieren, reduzieren sie die CO- und NOx-Emissionen im Vergleich zu früheren Generationen erheblich. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist das ein akzeptabler Kompromiss: Klimawirkung und Schadstoffwirkung sind unterschiedliche Größen, und vor 2015 konzentrierte sich die Definition des "emissionsarmen Fahrzeugs" nur auf niedriges CO2; nach Dieselgate traten Schadstoffe wie NOx in den Vordergrund.

Was ist der Hintergrund der NOx-Debatte in Europa?

2015 wurde bekannt, dass Volkswagen die Abgasreinigungssysteme seiner Dieselfahrzeuge so manipuliert hatte, dass sie die LaborTests bestehen; auf der Straße produzierten die Fahrzeuge bis zu 40-mal mehr Stickoxide als angegeben. Dieser einzelne Vorfall blieb nicht das Problem eines Herstellers: In den Folgejahren gab es Hinweise darauf, dass nahezu alle Dieselhersteller in Europa legale oder höchstwahrscheinlich illegale Strategien nutzten, um unter die Testgrenzwerte zu kommen. Dass Labortests die reale Fahrt nicht widerspiegeln, erklärt auch, warum die Debatte als Vertrauenswürdigkeitsproblem der Standards bestehen bleibt.

Die Zahlen im Gesundheitsbereich zeigen den Ernst der Debatte. Es wurde berechnet, dass die übermäßigen Emissionen der in Deutschland verkauften Volkswagen-Fahrzeuge wahrscheinlich zu 1.200 vorzeitigen Todesfällen führen werden; die übermäßigen Diesel-NOx-Emissionen von 2015 werden weltweit mit etwa 38.000 vorzeitigen Todesfällen in Verbindung gebracht, wobei der Großteil dieser Belastung auf Europa entfällt. In Europa sterben jedes Jahr etwa 10.000 Menschen vorzeitig aufgrund von Diesel-Fahrzeugemissionen, die die gesetzlichen Grenzwerte überschreiten; es wird geschätzt, dass die NO2-Exposition in Städten 2012 auf dem europäischen Kontinent schätzungsweise zu 75.000 vorzeitigen Todesfällen beigetragen hat. Die Gesundheitskosten der luftverschmutzung durch Straßenfahrzeuge in der EU werden auf jährlich 67-80 Milliarden Euro geschätzt.

Studien zur langfristigen Exposition gegenüber NO2 berichten über Zusammenhänge mit der Gesamtmortalität sowie der Atemwegs- und kardiovaskulären Mortalität sowie mit Atemwegssymptomen und der Lungenfunktion bei Kindern.

Die Entwicklung verläuft nicht nur in eine Richtung. Zwischen 2005 und 2023 sind die in der EU PM2.5 zugeschriebenen Todesfälle um 57 % gesunken und das Reduktionsziel von 55 % wurde 2023 erreicht. Das heißt: Wenn Regulierung, Technologie und Aufsicht zusammenwirken, ist eine messbare Verbesserung möglich. Auch die Ansichten darüber, wo die Lösung zu suchen ist, gehen auseinander: Während ein Ansatz sich auf Emissionskontrolltechnologien und die Umsetzung von Standards konzentriert, vertritt eine andere Auffassung, dass die schnellste NOx-Reduzierung über die Verlagerung der verbrauchsintensivsten Fahrzeugnutzer zu Elektrofahrzeugen führt.

Häufig gestellte Fragen zu NOx, CO und Feinstaub

Warum ist PM2.5 gefährlicher als PM10?

Die Antwort ist in der Größe verborgen. PM2.5-Partikel können dank ihres Durchmessers von unter 2,5 Mikron tief in das Atem- und Kreislaufsystem eindringen; größere Partikel wie PM10 erreichen diese Tiefe nicht. Mit zunehmender Eindringtiefe steigen die Wirkung auf Zellebene und das Risiko des Transports in das Herz-Kreislauf-System.

Produziert Diesel oder Benzin mehr NOx?

Diesel. Da Dieselmotoren bei höherer Temperatur und höherem Druck mit sauerstoffreicher Verbrennung arbeiten, produzieren sie größere Mengen an NOx. Das ist zugleich die Antwort darauf, warum die NOx-Kontrolle bei Dieselmotoren zusätzliche Systeme wie SCR und EGR erfordert.

Welche Symptome hat eine CO-Vergiftung?

Die ersten Symptome sind Kopfschmerzen, Schwindel, Schläfrigkeit und Übelkeit; im weiteren Verlauf treten Erbrechen und Bewusstlosigkeit auf. Da CO geruchlos und farblos ist, bleibt die Exposition unbemerkt, bis die Symptome auftreten.

Kann die Luft im Fahrzeug wirklich schmutziger sein?

Ja, im dichten Verkehr kann die Luft, die man im Fahrzeug einatmet, schlechter sein als die eines Fußgängers auf derselben Straße; Abgase können direkt in den Innenraum gelangen. Dies zeigt anschaulich, warum geschlossene Fenster und die Einstellungen der Luftzirkulation so wichtig sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Jeder Schadstoff, der aus dem Auspuff austritt, hat einen Entstehungsmechanismus, einen Schadweg und eine eigens dagegen entwickelte Lösung. NOx ist die Signatur der hohen Temperatur, CO die der unvollständigen Verbrennung, PM die des Rußes und HC die des unverbrannten Kraftstoffs; da die Normen alle vier getrennt messen, wird es leichter zu verstehen, warum welche Technologie existiert.

Quellen

• Vehicle NOx emissions: The basics
• Nitrogen Oxides (NOx)
• Basic Information about NO2 | US EPA
• What is nitrogen oxide and how do cars create it?
• Nitrogen Oxides | ToxFAQs™ | ATSDR
• Health and Environmental Effects of Particulate Matter (PM)
• Carbon Monoxide & Health | California Air Resources Board
• Border Agents Exposure to Carbon Monoxide (CO)
• Inhalable Particulate Matter and Health (PM2.5 and PM10)
• A systematic review of the health effects associated with diesel exhaust
• European emission standards
• Facts About SCR
• Impact of excess NOx emissions from diesel cars on air quality
• VW's excess emissions and premature deaths
• New study quantifies impact of NOx emissions from diesel vehicles
• Air pollution | European Environment Agency
• Unburned hydrocarbon emission mechanisms in small engines
• In-car air pollution