RAU

RAU

Reifenabrieb in der Umwelt
Koordinator

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch
Technische Universität Berlin,
Institut für Bauingenieurwesen,
Fakultät VI Planen Bauen Umwelt,
Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft /TUB FG Siwawi
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin
Tel.: +49 30 314 72247
E-Mail: matthias.barjenbruch@tu-berlin.de

Laufzeit
August 2017
Juli 2020
Beschreibung

Plastik in der Umwelt stellt eine zunehmend größere Herausforderung dar. Makroplastik und daraus entstehendes Mikroplastik, zu dem auch Reifenabrieb gehört, gelangt über unterschiedliche Eintragspfade in die aquatische Umwelt und der zunehmende KFZ-Verkehr führt unweigerlich zum vermehrten Aufkommen an Reifenabrieb. Die Mengen an Reifenabrieb und der Eintrag in die aquatische Umwelt über den Straßenabfluss sind bisher nicht erforscht. Genau dort setzt das Verbundprojekt RAU an. Es soll Reifenpartikel aus der Nutzungsphase des Reifens umfassend beschreiben und auf theoretischer Basis ggf. Lücken zu Verlusten von Reifenpartikeln über den gesamten Lebenszyklus schließen. Es gilt, die Eintragspfade von Reifenmaterial in die aquatische Umwelt zu identifizieren, zu bilanzieren und Maßnahmen der Reduzierung aufzuzeigen. Ausgewählte Maßnahmen zur Reduzierung des Eintrags von Reifenmaterial in die aquatische Umwelt sollen verifiziert werden. Auf Basis dieser wesentlichen Einflussfaktoren soll eine Bewertungsmatrix entwickelt werden, die es ermöglicht für unterschiedliche Standorte geeignete Maßnahmen abzuleiten.

Arbeitsschwerpunkte

  • Entwicklung eines Probenahmekorbs zur fraktionierten Beprobung einzelner Regenereignisse
  • Analytische Untersuchungen von Umweltproben auf den Reifenabrieb
  • Abrieb erfassen, Teilmengen quantifizieren und qualitativ untersuchen
  • Weiterentwicklung der Schmutzfrachtsimulation
  • Optimierung der Straßenreinigung

AP 1.1 Analysekonzept

Ansprechpartner

Dr. Jens Reiber, WESSLING GmbH, Oststraße 6, 48341 Altenberge, E-Mail: jens.reiber@wessling.de 

Projektpartner

TUB FG Siwawi, Continental, GKD 

Kurzbeschreibung 

Ziel ist die Erarbeitung, Umsetzung und Evaluierung von Analysekonzepten mit chemischen und physikalischen Verfahren zur Identifizierung und Quantifizierung von Reifenabrieb in Straßenabfluss, Straßenkehricht und als luftgetragene Partikel. Besonders entscheidend ist die Probenaufbereitung von wässrigen Proben und Feststoffproben. Das Analysekonzept soll es ermöglichen, aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzungen die Mengen und Einträge, insgesamt und auch partiell für einzelne Stoffgruppen, in die Umwelt zu bestimmen. Dies erfolgt mithilfe eines oder mehrerer definierter Leitparameter.

AP 1.2 Probenahmekonzept

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

Wessling, IPS, GKD, Continental, BWB

Kurzbeschreibung

Ziel ist es Umweltproben aus Straßenabfluss, Straßenkehricht und der Luft zu gewinnen, die so beschaffen sind, dass eine reproduzierbare Analytik erfolgen kann. Für alle Untersuchungen wird im Vorfeld ein Probenahmekonzept von den genannten Partnern erstellt. Im Rahmen des Probenahmekonzepts wird ein untersuchungsgebietsabhängiger Datensammelplan erstellt. Das Probenahmekonzept für die in situ-Messung der unterschiedlichen Einzugsgebiete wird sich auf bis zu 30 Regenereignisse pro Jahr und unterschiedlich viele Messpunkte beziehen. Die Herausforderung besteht darin einzelne Regenereignisse zu beproben und die Abflussmengen zu bewerten.

AP 1.3 Entwicklung Probenahmekorb

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Markus Knefel, GKD – Gebr. Kufferath AG, Metallweberstraße 46, 52353 Düren, E-Mail: markus.knefel@gkd.de

Projektpartner

TUB FG Siwawi, Wessling, IPS, ORI

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, Reifenabrieb aus Straßenabflusswasser gezielt aufzufangen. Hierzu wird GKD einen Probenahmekorb für Straßenabflüsse entwickeln, der es erlaubt über definierte Maschenweiten direkt im Ablaufschacht ein Regenereignis fraktioniert zu beproben (untere Trenngrenze ≤10μm). Die Entwicklung erfolgt zunächst virtuell durch die Erstellung verschiedener Geometrien und Simulationsmodelle, um zum einen eine ideale Strömungsführung zu finden und zum anderen die Fraktionierung der aufgefangenen Partikel zu gewährleisten. Im Anschluss daran soll das vielversprechendste Design in der firmeninternen Filterbauwerkstatt von GKD umgesetzt werden. Unterhalb des Probenahmekorbes wird eine exgeschützte Messtechnik von ORI entwickelt, welche die Durchflussmengendaten erfasst und kabellosper GPRS überträgt. Die Funktion des Probenahmekorbs wird unter definierten Bedingungen am Teststand (FG Siedlungswasserwirtschaft) verifiziert. Der Probenahmekorb wird hinsichtlich seines Potentials als dezentrale Behandlungsanlage für Straßenabflüsse untersucht. Eine entsprechende Rückspüleinrichtung für den Probenahmekorb wird entwickelt.

AP 1.4 Analytische Bewertung der Methodik und Routineanalytik

Ansprechpartner

Dr. Jens Reiber, WESSLING GmbH, Oststraße 6, 48341 Altenberge, E-Mail: jens.reiber@wessling.de

Projektpartner

Continental

Kurzbeschreibung

Ziel ist nach dem abgestimmtem und umgesetzten Analyse- und Probenahmekonzept, die von WESSLING genommenen und von den Partnern zur Verfügung gestellten Proben (Straßenabfluss, Straßenkehricht, Luft-Partikel) zu analysieren und die Methoden durch eine statistische Auswertung zu bewerten. Dazu wird eine valide Datenmenge generiert.

AP 2.1 Produktion, Nutzung, Recycling/ Verwertung/Entsorgung

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

Continental, TUB FG Reibung, ADAC

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, eine Literaturstudie und Auswertung bestehender Daten von Continental zum Lebenszyklus des Reifens anzufertigen. Die Studie soll die Bilanzierung der entsprechenden Stoffströme im Produktlebenszyklus im Hinblick auf den Eintrag von Reifenpartikeln in die Umwelt ermöglichen. Hier sollen auf theoretischer Basis ggf. Wissenslücken zu Verlusten von Reifenpartikeln in Produktion, Nutzung und Recycling/Verwertung/Entsorgung geschlossen werden.

AP 2.2 Identifizierung der Einflussgrößen in der Nutzungsphase

Ansprechpartner

Prof. Dr. Valentin Popov, Technische Universität Berlin, Institut für Mechanik, Fakultät V Verkehrs- und Maschinensysteme, Fachgebiet Systemdynamik und Reibungsphysik, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin, E-Mail: v.popov@tu-berlin.de

Projektpartner

Continental, TUB FG Siwawi, ADAC, VW, IPS

Kurzbeschreibung

Ziel ist die theoretische Identifizierung der Einflussgrößen auf Abriebsmengen und Partikelanzahl in der Nutzungsphase wie bspw. Straßenbelag, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bremsverhalten, Fahrzeugklasse, -Gewicht und Klima. Das FG Systemdynamik und Reibungsphysik wird Verschleißexperimente durchführen und die Verschleißpartikel mikroskopisch untersuchen, um Referenzpunkte für die theoretische Analyse zu erzeugen.

AP 2.3 Labor Prüfstand Abrieb

Ansprechpartner

Dr. Frank Schmerwitz, Continental Reifen Deutschland GmbH, Jädekamp 30, 30419 Hannover, E-Mail: frank.schmerwitz@conti.de

Projektpartner

TUB FG Reibung

Kurzbeschreibung

Ziel ist die Bestimmung von Verschleißmechanismen und Raten am Laborprüfstand. Dafür werden folgende Versuche durchgeführt: Sechs Laufstreifenmischungen, drei Lasten, drei Temperaturen, zwei Fahrbahnen. Die Proben werden von der TUB FG Reibung vermessen.

AP 2.4 Fahrversuche

Ansprechpartner

Dr. Frank Schmerwitz, Continental Reifen Deutschland GmbH, Jädekamp 30, 30419 Hannover, E-Mail: frank.schmerwitz@conti.de

Projektpartner

TUB FG Siwawi, TUB FG Reibung, VW

Kurzbeschreibung

Ziel ist die Abschätzung der Verschleißraten der Reifen in Abhängigkeit der Fahrdynamik. Hierzu werden Fahrversuche auf einer Teststrecke von Continental durchgeführt. Der entwickelte Probenahmekorb wird auf der Teststrecke installiert. Continental wird gemeinsam mit der VW-Abteilung für Fahrdynamik und der TUB die Tests planen und ausführen.

AP 3.1 Untersuchungen Teststand

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

IPS

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, das Abtragsverhalten durch Abspülversuche an einem speziellen Teststand des FG Siedlungswasserwirtschaft bei unterschiedlichen Regenintensitäten und Straßenoberflächen zu beschreiben. Für diese Tests wird der bestehende Teststand zur Simulation unterschiedlicher Regenereignisse des FG mit einer speziell auf diese Fragestellung abgestimmten Beregnungsstrecke ausgestattet und unterschiedliche Straßenoberflächen integriert. Diese werden definiert mit Reifenabrieb und Straßenkehricht beladen und über einen Straßenablaufschacht entwässert. Das gesamte Prüfmaterial kann am Ablauf über Siebe wieder separiert werden. Bisher kann am Teststand bereits das Abflussverhalten im Rinnstein und im Straßenablaufschacht simuliert werden, die entsprechenden Prüfstoffe werden über Dosiereinheiten dem Wasserstrom im Rinnstein zugegeben. Erst durch die zu ergänzende Beregnungseinheit aus Verdüsung und unterschiedlichen Straßenbelägen kann das Abtragsverhalten flächenbezogen untersucht und beschrieben werden.

AP 3.2 Untersuchung Straße

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

BSR

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, durch Fegeversuche die Kehrichtmatrix der Straße zu beschreiben und das Eintragspotential für Stoffe im Straßenabfluss abzuschätzen. Das FG Siedlungswasserwirtschaft wird Fegeversuche auf einer definierten Fläche (ca. 40 m2) an der Teststrecke Clayallee (Hauptstraße) fortlaufend durchführen. Neben den Handkehrichtproben sollen Proben durch eine Kleinkehrmaschine der BSR gewonnen werden.

AP 3.3 In situ-Messung Probenahmekorb

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

GKD, IPS, BWB, Continental

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, mit Hilfe des entwickelten Probenahmekorbs (GKD) Straßenabflüsse von einer Hauptstraße, Nebenstraße, Autobahn, einem Parkplatz, einem Flughafen und dem Contidrom zu beproben. Bei der Auswahl des Flughafens wird geprüft, ob die Beprobung eines Verkehrsflughafens in Berlin möglich ist oder ob auf einen Flughafen außerhalb ausgewichen werden muss. Wichtige Entscheidungskriterien sind die Anzahl der Starts und Landungen sowie die Größenklassen der zugelassenen Flugzeuge. In die ausgewählten Regenwasserabläufe werden Probenahmekörbe installiert und bei einem Regenereignis soll automatisch eine Benachrichtigung von der Probenahmestelle an das FG Siedlungswasserwirtschaft gesendet werden sowie die durch den Korb geflossenen Regenwassermengen. Dies ermöglicht es, das Regenereignis einzuschätzen und den nötigen Probentransport anzustoßen.

AP 3.4 Luftmessung

Ansprechpartner

Dr. Jens Reiber, WESSLING GmbH, Oststraße 6, 48341 Altenberge, E-Mail: jens.reiber@wessling.de

Projektpartner

TUB FG Siwawi

Kurzbeschreibung

Ziel ist an den Standorten aus AP 3.3 mit Hilfe mobiler Luftprobenahmeeinheiten (MVS – Medium Volume Sampler) luftgetragene Reifenabriebpartikel zu ermitteln. Die Luftmessungen sollen als Orientierungswert dienen, daher sind lediglich Stichproben geplant. Im Rahmen der Standortauswahl für die Straßenablaufschachtbeprobungen wird auch geprüft, ob auf bestehende Infrastruktur zur Feinstaubmessung zurückgegriffen werden kann.

AP 4.1 Untersuchung Straßenreinigung

Ansprechpartner

Dr. Harald Sommer, Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH, Rennbahnallee 109A, 15366 Hoppegarten, E-Mail: h.sommer@sieker.de

Projektpartner

BSR, TUB FG Siwawi

Kurzbeschreibung

Ziel ist die Erfassung und Untersuchung der Effektivität der Straßenreinigung. Der Fokus liegt auf der maschinellen Behandlung der Straßen sowie Gehund Radwegen. Dabei kommen Fahrzeugtypen wie Spülfahrzeuge, Großkehr- und Kleinkehrmaschinen zum Einsatz, die vor jedem projektbezogenen Einsatz entsprechend vorbereitet werden, um Verschleppungen von Probenmaterial zu verhindern. Nach Erfassung und Untersuchung der akkumulierten Schadstoffe auf der Oberfläche sollen Rückschlüsse für die Effektivität der Straßenreinigung gezogen werden. Diese Effektivität wird voraussichtlich maßgebend durch die verwendeten Fahrzeugtypen mit Reinigungsverfahren (nass/trocken), die Variabilität der Untersuchungsgebiete sowie durch Reinigungsintervalle, Fahrgeschwindigkeiten und verschiedene Einstellungen der Technik eines Fahrzeuges beeinflusst. Es werden Reinigungsleistungen für unterschiedliche Wetterbedingungen untersucht und deren Verbesserungspotential erfasst und beschrieben.

AP 4.2 in situ-Messung Straßenabläufe

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, E-Mail: matthias.barjenbruch@ tu-berlin.de

Projektpartner

BSR, IPS, BWB

Kurzbeschreibung

In der vorhandenen Messstrecke in der Clayallee (Berlin Steglitz-Zehlendorf) wird das FG Siedlungswasserwirtschft Nassschlammfänge mit und ohne Grobstoffeimer untersuchen. Bei der Beprobung der Nassschlammfänge ist geplant das gesamte Schlammfangvolumen abzupumpen und anschließend eine entspreche Aliquotprobe zu ziehen.

AP 5.1 in situ-Messung Straßenabläufe

Ansprechpartner

Dr. Harald Sommer, Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH, Rennbahnallee 109A, 15366 Hoppegarten, E-Mail: h.sommer@sieker.de

Kurzbeschreibung

Ziel ist es, Schmutzfrachtsimulationen mit dem hydrologischen Schmutzfrachtmodell STORM-SEWSYS vorzubereiten und durchzuführen. Das Modell berücksichtigt für die Berechnung des Abtrages in das Kanalnetz die Akkumulationen der Immissionen und den Einfluss der Regenereignisse auf den Abtrag. STORM-SEWSYS wird im Rahmen des Projekts für den Einsatz erweitert und angepasst. Hierzu werden zusätzlich zur Frachtgenerierung auf Basis des DTV (Täglicher Verkehr) Ansätze zur Frachtgenerierung an Belastungspunkten und Straßenabschnitten mit unterschiedlichen Abschnitteigenschaften, die bei den Reifenprüfungen simuliert werden, entwickelt. Die Belastungswerte korrelieren mit dem Reifenabrieb an den jeweiligen Belastungspunkten. Dies wird über einen zu erarbeitenden Belastungsfaktor in SEWSYS integriert und für die praktische Verwendung parametrisiert. Das weiter entwickelte Modell wird anhand eines Beispielgebietes getestet. Hier fließen auch die Erkenntnisse aus der Straßenreinigungsleistung der BSR mit ein. Für die Übertragung auf die untersuchten Einzugsgebiete werden dazu mit dem angepassten Modell die hydrologischen Schmutzfrachtmodelle erstellt.

AP 5.2 Potentialabschätzung von de-/zentralen Regenwasserbehandlungsanlagen

Ansprechpartner

Dr. Harald Sommer, Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH, Rennbahnallee 109A, 15366 Hoppegarten, E-Mail: h.sommer@sieker.de

Projektpartner

TUB FG Siwawi, BWB

Kurzbeschreibung

Ziel ist eine Integration und Parametrisierung dezentraler Behandlungsanlagen, wie beispielsweise Filtereinsätze in Straßenablaufschächten, Regenklärbecken und Retentionsbodenfilter in SEWSYS. Aus den bestehenden Daten zur Reduktion des AFS/AFS63 Gehalts von technischen Behandlungssystemen (dezentral/zentral) erfolgt eine Abschätzung des Rückhaltepotentials für Reifenpartikel. Dazu werden die Systeme in die erstellten Modelle integriert und von IPS mit STORM einzugsgebietsspezifisch modelliert. Eine Abschätzung der Reinigungsleistung dezentraler Behandlungsanlagen soll hauptsächlich bezüglich AFS63 als Summenparameter erfolgen. Rückschlüsse auf den Rückhalt von Reifenabrieb lassen sich dann aus den im Projekt ermittelten Anteilen der entsprechenden Fraktionen ziehen. Mit dem in AP 5.1 erstellten Modell wird eine Simulation der Einzugsgebiete durchgeführt. Die Potenzialabschätzung der Anlagen ergibt sich aus den Ergebnissen vorhandener Forschungsprojekte und den Messungen im Rahmen des Forschungsvorhabens „RAU“.

AP 6 Aufstellung des Maßnahmenkatalogs und Auswertung

Projektpartner

Alle

Kurzbeschreibung

Auf Grundlage der im Projekt gewonnenen Daten und Erkenntnisse werden eine erste Handlungsempfehlung (Bewertungstool) sowie ein Maßnahmenkatalog erarbeitet. Dafür werden die generierten Datenmengen wissenschaftlich ausgewertet und bewertet. Die Bewertung ist eine Grundlage zur Beurteilung potentieller Senken des Reifenabriebs im System aus Fahrbahn und Ablaufschacht und zur Erstellung des Maßnahmenkatalogs. Wichtige Übertragsgrößen sind Massenbilanz, Partikelgrößenverteilung und chemische Eigenschaften.

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