Überwachung und Identifizierung der Partikelverschmutzung durch Züge in Tunneln

Im Auftrag der ÖBB, Österreichs größtem Bahninfrastrukturbetreiber, erforscht die Technische Universität Graz die Luftverschmutzung und Feinstaubbelastung durch verschiedene Züge. Dewesoft half bei der Umweltüberwachung und identifizierte die Züge anhand ihrer Eigenschaften.

Das Forschungsprojekt des ITNA, des Instituts für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme der Universität, soll diese beiden Fragen beantworten:

• Wie viel Umweltverschmutzung verursachen die verschiedenen Zugtypen pro Kilometer?

• Da sich in den Tunneln viele Telekommunikationsgeräte befinden: Wie hoch ist die erwartete Lebensdauer des Luftfilters?

Partikelverschmutzung durch Züge

Durch Züge auf Schienen werden Staub, Schutt und Abgaspartikel aus dem Motor des Zuges in die Luft geschleudert. Diese Partikel können Feinstaub wie Ruß und Rauch sowie verschiedene Gase wie Stickoxide und Schwefeldioxid enthalten. Welche Partikel genau entstehen, hängt von der Art des Zugkraftstoffs, den Gleisbedingungen und der Umgebung ab.

Mit einer Länge von fast 16 km ist der Münstertunnel derzeit der längste Tunnel in Österreich. Das ITNA wählte den zweigleisigen Tunnel für die Untersuchung aus, da er über relativ moderne Gleise verfügt, auf denen die Züge eine Geschwindigkeit von 200 km/h und mehr erreichen können.

Die von Zügen freigesetzten Partikel können weitere negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben. Menschen, die in der Nähe von Bahngleisen oder in Gebieten mit starkem Bahnverkehr leben oder arbeiten, können einem erhöhten Risiko einer Feinstaubbelastung ausgesetzt sein, die zu Atemproblemen wie Asthma und Bronchitis führen kann. Eine langfristige Exposition gegenüber diesen Partikeln kann auch das Risiko von Herzerkrankungen und Lungenkrebs erhöhen.

Feinstaub und andere Schadstoffe tragen auch zu Smog und saurem Regen bei, der Pflanzen und Tiere schädigt und die Boden- und Wasserqualität beeinträchtigt. Obwohl die Emissionen von Zügen die Luftqualität beeinträchtigen und die menschliche Gesundheit gefährden können, sind Züge immer noch ein sauberer und energieeffizienterer Verkehrsträger als Autos und Lastwagen.

In der Nähe von Bahnhöfen und Gleisen in verschiedenen städtischen Gebieten weltweit treten hohe Werte von Feinstaub (PM) und Stickstoffoxiden (NOx) auf. In den Vereinigten Staaten haben Studien beispielsweise höhere PM- und NOx-Werte in der Nähe von Bahngleisen in städtischen Gebieten wie Chicago, New York City und Los Angeles ergeben. Studien in Europa zeigen ähnliche Ergebnisse in Städten wie London, Paris und Berlin.

Es gibt besondere Überlegungen zu Emissionen in Tunneln. Die fehlende Belüftung eines Tunnels kann zu einer Ansammlung von Schadstoffen führen. Probleme können in Gebieten mit vielen Tunneln auftreten, z. B. in Gebirgsregionen oder dicht besiedelten städtischen Gebieten, z. B. in den Tunneln der Schweizer Alpen und der U-Bahn in Hongkong.

Im Januar 2023 ergaben Messungen der Universität Kopenhagen, dass die Konzentration schädlicher Partikel in der Luft in der elektrischen U-Bahn der Stadt 10- bis 20-mal höher ist als in der am stärksten verschmutzten Straße in Kopenhagen.

Vorschriften und Normen

Es gibt Vorschriften und Normen, die die Freisetzung von Partikeln aus Zügen begrenzen, z. B. die von den Aufsichtsbehörden festgelegten Emissionsnormen.

Österreich und andere EU-Mitgliedstaaten unterliegen den EU-Vorschriften und -Standards für Partikelemissionen durch Züge. Das Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus (BMNT) und sein Umweltbundesamt (UBA) setzen die Einhaltung der EU-Normen und anderer Luftqualitäts- und Umweltvorschriften durch.

Die EU hat Vorschriften und Normen für Partikelemissionen von Zügen aufgestellt, die in den Technischen Normen für die Interoperabilität (TSI) festgelegt sind. Diese von der Generaldirektion Klimapolitik der Europäischen Kommission festgelegten Normen decken verschiedene Schadstoffe ab, darunter Feinstaub, Stickoxide und Schwefeldioxide. Sie gelten für neue Fahrzeuge und Motoren, einschließlich Zügen.

In den Vereinigten Staaten legt die Environmental Protection Agency (EPA) Emissionsstandards für verschiedene Fahrzeugtypen fest, darunter auch für Züge. Die EPA legt Normen für Feinstaub und andere Schadstoffe wie Stickoxide und Schwefeldioxid fest, die die Züge erfüllen müssen. Die Anforderungen an die Normen variieren je nach Zugtyp, Motor und verwendetem Kraftstoff.

Die Federal Railroad Administration (FRA) ist für die Durchsetzung der Einhaltung dieser Normen für Züge und Eisenbahnen zuständig. Die FRA legt auch Sicherheitsstandards für Züge und Eisenbahnen fest, die sich auf die Emissionen auswirken können.

Überwachung und Messung von Emissionen

Die Überwachung der Partikelkonzentration in Eisenbahntunneln ist die Grundlage für den Schutz der Gesundheit von Bahnmitarbeitern, Fahrgästen und Anwohnern sowie für die Einhaltung der Luftqualitätsvorschriften.

Die Umgebungsluft kühlt die Kreisläufe der Eisenbahninfrastruktur. Wenn ein Zug vorbeifährt, entstehen durch die Reibung zwischen den Stahlschienen und den Zugrädern Abrieb und Feinstaub, der aufgewirbelt wird. Dieser Staub ist besonders schädlich für die Elektronik.

Die Bahnbetreiber setzen Filter ein, die jedoch erfahrungsgemäß häufiger als in anderen Umgebungen ausgetauscht werden müssen. Das ITNA-Team wollte eine eingehende Analyse durchführen, um den Grad der Luftverschmutzung und die Anforderungen an den Filteraustausch zu untersuchen.

Zu den Methoden zur Messung oder Schätzung der Partikelemissionen von Zügen gehören die Überwachung an Bord, die Fernerkundung, die Entnahme von Proben für Laboranalysen oder die Emissionsmodellierung. In Verordnungen und Normen zu Zügemissionen ist oft festgelegt, welche Methoden die Betreiber anwenden müssen, um die Vorschriften einzuhalten.

Sensoren für Partikelemissionen

Die Partikelkonzentration in Eisenbahntunneln wird in der Regel mit Luftqualitätsüberwachungsgeräten gemessen, die in oder in der Nähe von Eisenbahntunneln installiert sind. Zur Messung der Partikelemissionen von Zügen werden verschiedene Arten von Sensoren eingesetzt.

Das ITNA-Team hat einen speziellen Sensor verwendet, um diese besonderen Stoffe zu messen. Einfach ausgedrückt wird die Umgebungsluft durch ein dünnes Rohr gepresst, während der Sensor die Partikel zählt und ihre Größe ermittelt - siehe Abbildung 1.

Die verwendeten Sensoren können je nach Messverfahren, Ausrüstung, Schadstoffen und geltenden Vorschriften und Normen variieren. Zu den Typen gehören:

• Feinstaub-Sensoren (PM): Messen die Konzentration von Feinstaub in der Luft. Beispiele hierfür sind laserbasierte Sensoren wie das Nephelometer und auf elektrischer Mobilität basierende Sensoren wie das Partikelmessgerät mit differenzieller Mobilität.

• Gassensoren: Sie messen die Konzentration von Gasen in der Luft, z. B. Stickoxide (NOx) und Schwefeldioxid (SO2).

• Optische Sensoren: Sie erkennen Schadstoffe durch Messung der Lichtstreuung oder -absorption der Partikel.

• Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren: Zur Messung von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, die die Dispersion von Partikeln beeinflussen.

Weitere Faktoren können die Freisetzung von Partikeln durch Züge auf Schienen beeinflussen:

• Art des vom Zug verwendeten Kraftstoffs: Verschiedene Kraftstoffarten, wie Diesel oder Elektro, erzeugen unterschiedliche Arten und Mengen von Partikeln.

• Alter und Wartung des Zuges und seiner Lokomotive: Ältere und schlecht gewartete Züge setzen möglicherweise mehr Partikel frei als neuere und gut gewartete Züge.

• Geschwindigkeit des Zuges: Eine höhere Geschwindigkeit kann die Anzahl der freigesetzten Partikel deutlich erhöhen.

• Zustand des Gleises: Raue oder verschmutzte Schienen können die Freisetzung von Partikeln erhöhen.

• Wetterbedingungen: Wind und Temperatur beeinflussen, wie sich die Partikel in der Luft verteilen.

• Umgebungsbedingungen: Faktoren wie die Nähe zu anderen Verschmutzungsquellen und lokale Wettermuster können die Freisetzung von Partikeln beeinflussen.

Identifizierung des Zugtyps

Die Konstruktion der Züge und Waggons beeinflusst die Partikelemissionen.

• Aerodynamik: Ein Zug mit einem aerodynamischen Design ist effizienter und erzeugt weniger Emissionen.

• Rollwiderstand: Die Konstruktion der Räder des Zuges und die Art der Schiene können den Rollwiderstand beeinflussen, was sich wiederum auf den Energieverbrauch und die Emissionen des Zuges auswirkt.

• Gewicht: Auch das Gewicht des Zuges und der Waggons kann sich auf die Emissionen auswirken. Ein leichterer Zug verbraucht weniger Energie und erzeugt weniger Emissionen als ein schwererer.

• Art des Kraftstoffs: Auch die Art des vom Zug verwendeten Kraftstoffs kann sich auf die Emissionen auswirken. Elektro- und wasserstoffbetriebene Züge verursachen weniger Emissionen als dieselbetriebene Züge.

• Technologie zur Emissionskontrolle: Die Konstruktion des Zugmotors und der Emissionskontrollsysteme kann sich ebenfalls auf die Emissionen auswirken. Technologien wie Abgasrückführung, Dieselpartikelfilter und selektive katalytische Reduktion können dazu beitragen, die Emissionen von dieselbetriebenen Zügen zu reduzieren.

Die Dewesoft-Lösung

Während des Überwachungszeitraums von einigen Monaten passierten alle Arten von Zügen die Messstelle. Leider war es aus Sicherheitsgründen nicht möglich, auf die interne Datenbank der Zugbetreiber zuzugreifen. Um die Zugtypen zu identifizieren, haben wir daher die Dewesoft DAQ-Lösungen zur Erkennung und Messung verwendet:

e Dewesoft DAQ soto detect and measure:

• The axle distances,

• The speed,

• The approximate mass to identify the type of train, e.g., Intercity, Eurocity, Railjet, Cargo, or Nightjet, as well as

• The air pressure. 

• Die Achsabstände,

• Die Geschwindigkeit,

• Die ungefähre Masse zur Identifizierung des Zugtyps, z. B. Intercity, Eurocity, Railjet, Cargo oder Nightjet, sowie

• Der Luftdruck.

Dies geschah mit sechs Viertelbrücken-Dehnungsmessern, die an verschiedenen Stellen am unteren Teil der Schienen angebracht waren, drei in jeder Richtung. Da wir das Datenerfassungssystem DEWE-43A verwendet haben, brauchten wir für den Anschluss an diesen Sensortyp externe Brückenabschlussadapter.

In einer späteren Phase des Projekts fügte das ITNA-Team zwei zusätzliche Drucksensoren hinzu. Außerdem brachte das Team auf jeder Seite des Tunnels Kameras an, um die mathematische Zugtyperkennung optisch zu überprüfen. Die Daten der Wetterstation zeigten Windgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Installation des Systems

Während der Installation waren die Tunnelgleise für den gesamten Verkehr gesperrt. Unsere Teams erreichten den Schaltschrank, indem sie durch einen der seitlichen Einfahrtstunnel fuhren, die für die Wartung verwendet werden. Ein Mitarbeiter der ÖBB war immer in der Nähe und sorgte für unsere Sicherheit. Obwohl es sich um einen noch nicht so alten Tunnel handelte, bemerkten wir beim Ausrollen der Kabel überall den typischen schwarzen Staub.

In modernen Eisenbahntunneln gibt es viele Telekommunikationsgeräte, die ordnungsgemäß funktionieren müssen - dies erfordert eine effektive Luftfilterung und optimale Filterstandzeiten. Wir waren etwas überrascht, dass unsere Smartphones im Tunnel konstanten und vollständigen LTE-Empfang hatten.

Die von uns benötigten Kabel waren bereits in der entsprechenden Länge vorhanden. Als nächstes legten wir die Positionen für die Montage der Sensoren auf den Schienen fest. Wir schleiften vorsichtig kleine Stellen am unteren Teil der Schienen, um eine glattere Oberfläche zu erhalten.

Dann haben wir diese Stellen mit dem entsprechenden Alkohol chemisch gereinigt und die Dehnungsmessstreifenfolie mit einem Klebstoff auf Cyanacrylatbasis aufgeklebt. Nach dem Aufbringen der Schutzfolie wurde das Kabel zugentlastet, und die Messpunkte waren fertig.

Lastmessungen

Wenn ein Zug vorbeifährt, drücken die Räder die Schiene herunter, und die Dehnungsmessstreifenfolien erzeugen ein kleines Signal. Wir haben die ersten Dehnungsmessungen mit einer hohen Abtastrate durchgeführt, um ein Gesamtbild zu erhalten. Es zeigte sich, dass eine Abtastrate von etwa 300 Hz das Minimum war, um das Signal nicht zu verzerren. Da sich die Messung über Monate hinzog, mussten wir Triggerbedingungen festlegen, um nur dann Daten zu erfassen, wenn etwas passierte.

Einstellung des Triggerpegels

Viertelbrücken-Dehnungsmessstreifen sind einfach zu installieren und werden häufig verwendet, haben aber den Nachteil, dass sie empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. Man könnte meinen, dass die Temperatur im Tunnel nahezu konstant sein sollte. Selbst kleine Änderungen wirken sich auf die Sensoren aus.

Wie sich herausstellte, war die Einstellung des Triggerpegels auf einen festen Wert unzureichend und führte zu einigen Fehlalarmen. Bei einer geringen Steigung ändert sich das Signal fließend, so dass es schwierig ist, einen wertüberschreitenden Trigger zu definieren - siehe die rosa Linie in Abbildung 6.

Die Datenerfassungssoftware DewesoftX bietet eine Vielzahl von mathematischen Verarbeitungsmöglichkeiten, wie Formeln, Filter, Verriegelungsfunktionen usw. Um die Steigung zu erhöhen, haben wir einige Tests zur Berechnung der Ableitung durchgeführt.

Das beste Ergebnis erzielten wir durch eine doppelte Ableitung mit einem angehängten 30-Hz-Filter und der Anwendung eines Pegelkreuzes. Nachdem wir einen Datensatz gespeichert hatten, qualifizierten wir die Triggerpegel im Post-Processing (neu berechnet), um sie an alle Arten von Zügen anzupassen. In Abbildung 6 zeigt die blaue Kurve ein stabiles Triggersignal {0,1} mit allen Dehnungsmessstreifen in logischer ODER-Verknüpfung.

In der Trigger-Sektion haben wir Pre- und Post-Trigger verwendet. Wenn die Post-Trigger-Zeit vorbei ist, der Zug aber länger ist als erwartet, können wir mit dem Kontrollkästchen "Post time extension" trotzdem alle Daten erfassen. Wenn der Trigger aktiv ist, wartet das System weiterhin auf Trigger und fügt die Nachtriggerzeit nach dem letzten Triggerereignis hinzu. Auf diese Weise haben wir sichergestellt, dass wir eine Datendatei pro Zug haben.

Zugidentifizierung durch Pulsprofil

Ein Bild zeigt die Messung eines auf Gleis 4 vorbeifahrenden Zuges, und die hellgrüne Kurve zeigt das DMS-Signal. Der erste Impulsblock hat eine höhere Amplitude als die folgenden, was darauf hindeutet, dass eine Lokomotive sieben Waggons gezogen hat. Jeder der Waggons hat ein Drehgestell mit zwei Achsen, die schnellen Doppelimpulse zeigen, dass es sich um einen Personenzug handelt. Und wenn man die Geschwindigkeit berücksichtigt, handelt es sich um einen Railjet.

Die gelbe Kurve oben zeigt den Drucksensor an. Wenn der Zug einfährt, kommt es zu einem abrupten Druckanstieg, gefolgt von einem längeren Unterdruck, der durch eine Sogwirkung verursacht wird. Ein schnell vorbeifahrender Zug kann Personen oder Gegenstände, die sich zu nahe am Gleisbereich befinden, einsaugen.

Der Druckunterschied beträgt 1000 Pa! Zum Vergleich: In den Normen ist festgelegt, dass der Druckunterschied zwischen zwei benachbarten Räumen 50 Pa nicht überschreiten darf, damit Personen eine Verbindungstür öffnen können (< 100 N Öffnungskraft).

Der Anfang und das Ende der gelben Kurve zeigen an, dass der Unterdruck noch einige Zeit nach der Durchfahrt des Zuges bestehen bleibt. Der Tunnel muss mit Luft aufgefüllt werden, wirkt aber als Widerstand für den Luftstrom. Der Tunnel ist wie ein "Trinkhalm" im Vergleich zur äußeren Umgebung. Die hellblaue Linie am unteren Rand ist das Signal des Drucksensors auf dem anderen Gleis. Diese Druckkurve sieht ähnlich aus wie die gelbe, allerdings ohne die anfängliche kurze Spitze.

Die Technische Universität Graz exportiert die gemessenen Daten in Matlab, wo sie bereits ein Skript geschrieben haben, um Geschwindigkeit, Zugtyp usw. zu bestimmen und mit der Luftverschmutzung usw. zu korrelieren.

Schlussfolgerung

Der 16 km lange Tunnel bot eine homogene Messumgebung ohne Beeinflussung durch Wind, Regen, Schnee oder andere Emissionsquellen wie Verkehrsabgase, Industriesmog oder Heizungen von Privathaushalten.

Das ITNA-Forschungsprojekt ist noch nicht abgeschlossen, hat aber bereits einige vorläufige und partielle Ergebnisse erzielt.

Man würde annehmen, dass ein schwerer Güterzug die höchste Verschmutzung verursacht. Personenzüge fahren mit viel höherer Geschwindigkeit und wirbeln so eine erhebliche Menge an Staub auf. Die Universitätsmitarbeiter stellten auch einen Unterschied zwischen Tunneln mit Ein- und Zweirichtungsverkehr fest, da die Frischluftzufuhr auf unterschiedlichen Wegen erfolgt.

Die Achsabstände der Zugtypen, wie Personen- oder Güterzüge, sind unterschiedlich, da die Drehgestelle nicht genormt sind. Diese Unterschiede machen die mathematische Identifizierung etwas komplexer als erwartet.

"Das System läuft stabil. Wir hatten bisher keine Ausfälle", sagt der wissenschaftliche Mitarbeiter Philip Leonhardt vom ITNA. "Wir sind keine alltäglichen Nutzer von Dewesoft, daher kenne ich nicht alle Funktionen. Die wichtigsten Vorteile sind die einfache Einrichtung, die schnelle Konfiguration der Sensoren und die zuverlässigen Messdaten."