DE10131841A1

DE10131841A1 - Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren für Nutzfahrzeuge

Info

Publication number: DE10131841A1
Application number: DE2001131841
Authority: DE
Original assignee: Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Current assignee: Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Priority date: 2001-06-30
Filing date: 2001-06-30
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Durch den Einsatz des obigen Verfahrens könnten die Umweltauswirkungen eines Fahrzeugs direkt in die Gebührenerhebung einbezogen werden. Die während der Fahrt on-board gemessenen Daten werden über einen Checkpoint in eine gebührenerhebende telematische Auswerte-Zentrale geleitet. Die Zentrale kann nach der Auswertung des umweltrelevanten Fahrverhaltens des jeweiligen Kraftfahrzeuges Gebühren erheben bzw. im voraus bezahlte Gebühren gestaffelt zurückerstatten. Die Abrechnung bzw. Rückerstattung als Bonus kann vollelektronisch und telematisch erfolgen. Mit der Auswertung der Emissionsdaten, die direkt während der Fahrt gemessen werden, ist eine Grundlage für die Errichtung von Low-Emissions-Zonen geschaffen. Die Zonen werden in innerstädtischen, dicht besiedelten Bereichen eingerichtet. Den Kraftfahrzeugnutzern werden über Leitsysteme Wegweisungen und freiwillige Geschwindigkeitsbeschränkungen empfohlen, s. Fig. 5.

Description

Problemdarstellung

Die Konzentration der von einem Kraftfahrzeug emittierten Schadgase hängt nicht nur vom Fahrzeug selbst und dem Fahrverhalten, sondern auch von der Verkehrssituation ab. Ein stark erhöhtes Verkehrsaufkommen, wie es insbesondere in Ballungsräumen zu beobachten ist, führt zu Verkehrsstauungen und zum Stop-and-Go Verkehr, und damit zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch, einhergehend mit erhöhten Emissionen des einzelnen Kraftfahrzeuges. Die Zusammensetzung des Abgases ist ebenfalls abhängig von der Verkehrssituation.
Die in diesem Patent formulierten Ansprüche dienen als Basis für Modellrechnungen zu einer emissionsgesteuerten Straßennutzung mit dem Ziel, die Emission an klimarelevanten Gasen und Schadgasen zu minimieren, den Verkehrsfluss zu optimieren und die Grundlage für eine umweltgerechte Straßennutzungsgebühr zu schaffen. Weiterhin werden Low-Emissions- Zonen vorgeschlagen, in denen nur umweltfreundliche, also niedrigemittierende Kraftfahrzeuge zugelassen sind, bzw. sonst sehr hohe Straßennutzungsgebühren erhoben werden, wenn eine Grenzwertverletzung durch hoch emittierende Kraftfahrzeuge vorliegt.

Stand der Technik

Der Straßenverkehr hat mit Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden (NO_x), Schwefeldioxid (SO₂) sowie Schwebstaub und Partikeln einen wesentlichen Einfluss auf das Klimageschehen, der nach H. P. Lenz "Fortschritts-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 365 Emissionen und Luftqualität" kontinuierlich steigt. Der CO₂ Gehalt der Atmosphäre stieg in zehn Jahren von 1985 bis 1995 um etwa 5%. Nach den Prognosen wird die von Menschen verursachte Emission in den kommenden Jahren proportional wachsen.
Aus der Quelle "Shell Pkw-Szenarien: Mehr Autos- weniger Emissionen, Sept. 99" ist bekannt, dass die verkehrsbedingten kraftfahrzeugbezogen Emissionen in den nächsten 20 Jahren deutlich abnehmen werden. Dies wird beispielsweise durch Verschärfung der gesetzlichen Grenzwerte, durch Einführung der EU-Stufen 3 und 4, erreicht. Absolut gesehen nehmen die Emissionen durch die starke Zunahme der Anzahl der Zulassungen jedoch weltweit stark zu. Daher müssen weitere Reduzierungen durch eine gezielte Verkehrsführung vorgenommen werden. Ein wichtiges Instrument ist hierbei die telematische Verkehrslenkung.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes [Verkehr und Mobilität mit Hilfe von Handys besser verstehen, bmb+f - Pressemitteilung 164/2000, 31.10.2000] wurde ein Verfahren entwickelt und erfolgreich getestet, bei dem Informationen über die aktuelle Verkehrslage mittels handelsüblicher Mobiltelefone automatisch aufgenommen werden. Grundlage dieses Verfahrens ist das Tele Travel System (TTS), welches herkömmliche Hardwarekomponenten mit neu entwickelter Software verbindet.
Nach einer Untersuchung im Auftrag des Umweltbundesamtes [Umweltwirkungen von Verkehrsinformations- und -leitsystemen im Straßenverkehr, Juni 2000, S. 85] ist die automatische Erhebung von Straßennutzungsgebühren ein sehr wirksames Mittel zur Senkung der Emission an CO₂. Erste Testläufe haben eine Senkung um bis zu 14% ergeben. Im Modellversuch setzten sich die Gebühren aus einer Zonengebühr und den Kosten für die Fahrleistung zusammen.
Nach M. Gautans [In-use, On-Road Emissions Testing of Heavy Duty Diesel Vehicles Using the Mobile Emissions Measurement System (MEMS), Universität West Virginia, USA] wird gefordert, dass neue Methoden für die Beurteilung des Schadstoffausstoßes während der Fahrt benötigt werden, weil die noch geltenden Fahrtzyklen nicht mehr den heutigen Verkehrsbedingungen entsprechen.

Lösungsvorschläge

Klimaschutz durch Umweltbonus bei der Straßennutzungsgebühr

Die Erhebung von Gebühren für die Straßennutzung stellt einen Eingriff in die Freizügigkeit der Mobilität dar, aus diesem Grund ist es sinnvoll, eine umweltgerechte Staffelung in Bezug auf die Straßennutzungsgebühren vorzunehmen, um die Pflege der Kraftfahrzeuge sowie das umweltbewusste Fahrverhalten zu belohnen und eine gewisse freie Gestaltungsmöglichkeit zu bieten.
Zukünftige Kraftfahrzeuge werden über ein intelligentes Abgas-Konzentrationsmessgerät verfügen. Dieses Gerät kann während der Fahrt die Konzentration der wichtigsten umweltrelevanten Gase erfassen.
Der Emissionsausstoß von Kraftfahrzeugen hängt von vielen Faktoren ab, s. Fig. 1:

Äußere Umweltbedingungen:
Lufttemperatur
Druck
Wind

Straßenverhältnisse:
Straßenneigung
Stop-and-Go Verkehr

Kfz-spezifische technische Kenngrößen:
Beladung des Kraftfahrzeuges
Reifenzustand u. a. m.
Es wird empfohlen, nach der Erstzulassung des Kraftfahrzeuges die Emissionsdaten der ersten 1000 gefahrenen Kilometer im Speicher des Mikrocontrollersystem des Bordcomputers festzuhalten. Dieser Zeitraum ist die Etappe des "Selbsterlernens". Die während der Fahrt gespeicherten Daten werden durch eine Regressionsanalyse miteinander so verbunden, dass die Emission als Funktion unter realen Fahrtbedingungen berechnet werden kann. Fig. 2. zeigt einige typische Emissionsverläufe in Abhängigkeit von den wichtigsten Kenngrößen. In der Temperatur spiegelt sich der Umwelteinfluss wider. Bei der Wahl des Ganges ist das Fahrverhalten ausschlaggebend, genauso wie bei der Geschwindigkeit. Der Verbrauch wird durch mehrere Faktoren u. a. durch die Masse des Kfz-s und die Reifenqualität beeinflusst.

E Emission in ppm
t Temperatur des Motors bzw. des Katalysators in °C
V Verbrauch in l/100 km
u Drehzahl in 1/min
v Geschwindigkeit in km/h
n Durchschnitt in den ersten 1000 km.
Die Daten werden von einer Checkpoint-Säule erfasst, die die Soll- und Ist-Werte miteinander vergleicht und die Daten in eine Zentrale weiterleitet, s. Fig. 3. Hier findet die Auswertung und anschließend die Gebührenermittlung für die Nutzfahrzeuge statt. Die Datenübertragung erfolgt auf elektronischem Weg, per SMS, s. Fig. 4.
Die Ermittlung der so berechneten tatsächlichen Emission soll einen Anreiz für weniger Ausstoß an Schad- und Klimagasen bewirken. Weicht das tatsächliche Emissionsniveau von dem ermittelten Sollniveau stark nach oben ab, dann ist die Emission unerwünscht hoch. Eine Begünstigung kann in diesem Fall nicht erfolgen. Bewegt sich die Emission mit einer akzeptablen Tendenz nach unten, und liegt unter dem Sollwert, so wird ein Bonus dem Fahrzeug zugeteilt.

Die Einrichtung von Low-Emissions-Zonen

In Großstädten können bestimmte Bereiche zu Low-Emissions-Zonen erklärt werden. Hierzu zählen die innerstädtischen und die dicht besiedelten Stadtviertel, sowie die unter Denkmalsschutz stehenden Bereiche. Hier müssen die Emissionen besonders niedrig sein. Nach dem Utech-Seminar: § 40 Abs. 2 BimSchG "Kommunen zwischen Gestaltungsfreiheit und gesetzlichem Auftrag, 1996 Berlin" können solche Zonen auch zeitabhängig eingerichtet werden.
Ähnlich wie bei den heute gebräuchlichen Parkleitsystemen müssten auf Hinweistafeln dem Verkehrsteilnehmer die Low-Emissions-Zonen angezeigt und eine Wegführung gewährleistet werden. Zusätzlich könnten Kraftfahrzeuge durch Datenaustausch mit einer Leitzentrale eine Routenvorgabe erhalten. Kraftfahrzeuge mit hohen Emissionen könnten durch eine Zentrale, in der die Daten ausgewertet werden, kontrolliert werden, um die zu Low-Emissions-Zonen erklärten Bereiche zu meiden. Diesen Kraftfahrzeugen wird ein Umweg vorgeschrieben s. Fig. 5. Werden diese Bereiche von stark emittierenden Kraftfahrzeugen befahren, müssen sehr hohe Benutzungsgebühr entrichten werden.

Vergleich der Verkehrsverhältnisse

Fig. 6 zeigt eine Emissionskurve von einem Straßenabschnitt unter stark befahrenen Verhältnissen tagsüber und unter ruhigen nächtlichen Bedingungen. Durch die Anzahl und Höhe der Emissionsspitzen ist eindeutig zu erkennen, dass die Verflüssigung des Verkehrs durch Schaffung optimaler Fahrtbedingungen einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtemission hat.
Durch die mathematische Analyse von Fahrtkurven, übertragen aus den Nutzfahrzeugen in die Checkpoints und von dort in eine Zentrale, ist ein Vergleich einzelner Straßenabschnitte möglich. Dies wiederum ermöglicht einen Wettbewerb mit Umweltbonus für die städtischen und kommunalen Verwaltungen.
Eine weitere Maßnahme für die Errichtung von Low-Emissions-Zonen ist die Erfassung der durchschnittlichen Emission von Kraftfahrzeugen auf gewissen Routen und die zur Verfügungstellung dieser Angaben im Internet. Der Vergleich der tatsächlichen Emission mit dem Durchschnittswert in den Checkpoint-Säulen bzw. in der Zentrale ist möglich. Die Ausdehnung der Maßnahme auf grenzüberschreitende Kraftfahrzeuge durch Einbau von Nachrüstgeräten zwischen den Grenzen ist denkbar.

Figurenverzeichnis

Fig. 1 Einflussgrößen auf den Emissionsausstoß in Kraftfahrzeugen

1 Lufttemperatur
2 Beladung des Kraftfahrzeuges
3 Drehzahl
4 Geschwindigkeit
5 Katalysatortemperatur
6 Luftfeuchte
7 Reifenzustand und -typ
8 Fahrbahnneigung
9 Stop-and-Go-Verkehr
10 Luftdruck
11 Windgeschwindigkeit

Fig. 2 Emissionsverläufe in Abhängigkeit von den wichtigsten Kenngrößen

Fig. 3 Abrechnung der Straßennutzungsgebühr über eine Zentrale

12 Zentrale
13 Checkpoint
14 Kraftfahrzeug
15 Datenübertragung zum Vergleich der Soll- und Ist- Werte des Emissionsausstoßes
16 Gebührenermittlung und Übertragung anhand der Emissionsdaten
17 Abrechnung der Straßennutzungsgebühr über die Checkpoint-Säule
Fig. 4 Elektronische Datenübertragung 18 Datenübertragungsweg per SMS
Fig. 5 Einrichtung von Low-Emissions-Zonen 19 Vorgabe von Low-Emissions-Zonen
20 Übertragung auf Leitschilder
21 zeit- und ortsabhängige Emissions-Zonen
22 Leitschilder
23 Wegführungs- und Geschwindigkeitsempfehlungen
Fig. 6 Vergleich der Verkehrsverhältnisse

Claims

1. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren, dadurch gekennzeichnet, dass der, für gewisse Straßenabschnitte vorgesehene zeitlich gestaffelte typenbezogene mittlere Ausstoß an Schad- und Klimagasen mit der momentanen, im Nutzfahrzeug gemessenen Emission verglichen wird und beim Unterschreiten der vorgegebenen Grenze einen Rückerstattungsbonus der Straßennutzungsgebühr vorsieht.

2. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Nutzfahrzeug erfassten Emissionsdaten per Modem in eine Checkpoint-Säule übertragen werden, wo eine Verarbeitung der Emissionsdaten erfolgt.

3. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten von der Checkpoint-Säule in eine Zentrale weitergeleitet werden, wo die gestaffelten Gebühren ermittelt und per Fernübertragung mit Modem ins Nutzfahrzeug geleitet werden.

4. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nutzfahrzeugen nach der Erstzulassung während einer ausreichend langen Fahrtstrecke von 100 km bis 1.000 km automatisch ein umfangreiches Kennfeld abgespeichert wird, das die Emission der wichtigsten umweltrelevanten Gase in Abhängigkeit von
der Motor- und Katalysatortemperatur,
vom Verbrauch,
der Drehzahl und
Geschwindigkeit
Gang
enthält, sowie mit Hilfe einer Regressionsanalyse berechnet und die unter verschiedenen realen Bedingungen gemessenen Emissionsverläufe miteinander rechnerisch vergleicht.

5. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für die einzelnen Straßenabschnitte geltenden Emissionswerte durch Versuchsfahrten empirisch ermittelt und im Internet zur Verfügung gestellt werden.

6. Verfahren zur Einrichtung von Low-Emissions-Zonen mit Hilfe von elektronischen Schildern und Wegweisern in den innerstädtischen, dicht besiedelten oder denkmalgeschützten Bereichen dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufahrt nur für niedrig emittierende Kraftfahrzeuge erlaubt wird oder ansonsten hohe Straßennutzungsgebühren für hoch emittierende Kraftfahrzeuge berechnet werden.

7. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Low-Emissions-Zonen mit ferngesteuerten Straßenschildern und anderen Wegweisern von der Zentrale orts- und zeitabhängig eingerichtet werden können.

8. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Checkpoint-Säule dem Bordcomputer des Kraftfahrzeuges Hinweise gegeben werden, welche Zone gerade angesteuert wird und im Bedarfsfall eine Umgehungsstraße mit normaler Straßennutzungsgebühr außerhalb der Low-Emissions-Zone empfohlen wird.

9. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über Leitsysteme in den Low-Emissions- Zonen dem Verkehrsteilnehmer Empfehlungen zur Geschwindigkeit und Spurenwahl hinsichtlich des gleichmäßigen Verkehrsflusses zur Verfügung gestellt werden.

10. Verfahren zur umweltgerechten Staffelung von Straßennutzungsgebühren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Straßennutzungsgebühren den Verkehrsteilnehmer teilweise zurückerstattet werden, wenn die unter den gegebenen Umständen erreichbaren bestmöglichen Verkehrsbedingungen durch Versäumnisse der Stadtverwaltung nicht gewährt wurden.