Immer der Wolke hinterher

Um genau bestimmen zu können, wie hoch die Umweltbelastungen durch Fahrzeugabgase sind, braucht es exakte Messergebnisse. Die praxisnahe Methode Plume-Chasing von Airyx und Gassensoren von Smartgas tragen dazu bei. 

Klimaschutz, weniger Emissionen und CO2-Ausstoß – das sind aktuelle Themen im öffentlichen Diskurs. Als eine wichtige Maßnahme gilt es, Fahrzeugabgase zuverlässig und genau in Echtzeit zu messen. Und genau darum geht es beim so genannten Plume-Chasing (PC), entwickelt vom Spezialisten Airyx aus Eppelheim.  

Der blumig wirkende Begriff, auf Deutsch etwa „der Fahne hinterherjagen“, umschreibt tatsächlich sehr gut, wie das Verfahren abläuft: Das zu testende Fahrzeug fährt voraus, das Messfahrzeug „jagt“ hinterher – allerdings nicht mit Blick auf Bestzeiten, sondern mit dem Ziel, die Abgasfahne einzufangen, um die darin enthaltenen Stoffe und Gase zu analysieren. Bei einem klassischen Auto mit Verbrennungsmotor heißt das vor allem, die bei der Verbrennung fossiler Stoffe entstehenden Gase wie Stickoxide NOx, Stickstoffdioxid NO2 sowie Kohlenstoffdioxid CO2 zu messen und ihre Konzentration zu bestimmen.  

Gas-Messung unter realistischen Bedingungen 

Einer Abgasfahne hinterherjagen – das klingt zugegebenermaßen auch auf dem Boden etwas sportlich. Doch das Verfahren hat sich seit Jahrzehnten bestens bewährt, und bei wissenschaftlichen Untersuchungen halten sich die Fahrzeuge selbstverständlich an die Verkehrsregeln oder sind auf einem gesonderten Gelände unterwegs.  

Zumindest im europäischen Ausland findet das PC-Verfahren inzwischen bei behördlichen oder polizeilichen Stichproben Verwendung, um beispielsweise Umweltsünder – defekte oder sogar manipulierte Lkw – noch während der Fahrt zu identifizieren und buchstäblich aus dem Verkehr zu ziehen. Auch hier ist eine Verfolgungsjagd unwahrscheinlich, dafür erfolgt die Messung zu diskret und in sehr kurzer Zeit; wenige Minuten reichen aus. 

Vor allem hat sich das PC-Verfahren als eine realitätsnahe Art der Messung etabliert: Ständige Lastwechsel, der Stadtverkehr mit Stopp & Go und Langstreckenfahrten mit gleichmäßiger Motorleistung lassen sich damit in Echtzeit und unter typischen Einsatzbedingungen untersuchen. Die Daten zeigen solide und realistische Emissionsdaten.  

Geht es um die gezielten Stichproben wie im Rahmen einer behördlichen Kontrolle, erhalten die Prüfer mit dem Plume-Chasing schnell und unbemerkt exakte, aussagefähige Messergebnisse. So können sie ein Fahrzeug mit illegal hohen Emissionen direkt aus dem Verkehr ziehen.  

Die Vorteile der von Airyx entwickelten und gebauten spektroskopischen Messgeräte beschreibt Mitgründer und R/D-Manager Dr. Johannes Lampel so: „Unsere Geräte benötigen keine Kalibration, sie zeichnen sich durch eine sehr geringe Querempfindlichkeit zu anderen Gasen aus, benötigen nur wenig Energie und sind nicht zuletzt unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen. Vor allem bei sonst schwer messbaren reaktiven Gasen wie Stickoxiden ist dies ein großer Vorteil. Das macht sie zur perfekten Wahl für mobile Messverfahren wie das Plume-Chasing. Hier kommen unsere in-situ-Monitore zum Einsatz, die sogenannten ICAD-Geräte.“  

Die Bandbreite an Produkten und Services reicht bei Airyx über das Plume-Chasing hinaus, tatsächlich sogar bis in die Stratosphäre. Airyx-Geräte der Serie SkySpec untersuchen mit spektroskopischen Messungen direktes und gestreutes Sonnenlicht, um kontaktlos Spurengase in der unteren Atmosphäre und höheren Luftschichten zu detektieren. Die Systeme sind Bestandteil von Messnetzwerken, die Daten fließen in wissenschaftliche Untersuchungen ein. Bei bodennahen Untersuchungen kommt das OpenPath-System zum Einsatz, es liefert kontinuierliche Spurengasmessungen über Strecken von wenigen hundert Metern bis hin zu einigen Kilometern. 

Geeignet für den mobilen Einsatz 

Auf die Sensoren von Smartgas stießen die Experten von Airyx, als sie auf der Suche nach CO2-Sensoren waren, die sich für den mobilen Einsatz eignen. Weitere Anforderungen waren schnelle Ansprechzeit, kompakte Maße, eine langanhaltende Stabilität der Messungen, auch mit Blick auf wechselnde Umgebungstemperaturen, und nicht zuletzt ein akzeptabler Preis.  

„Die technischen Daten waren vielversprechend, und über die Jahre hat sich gezeigt, dass wir mit unserer Entscheidung für die FlowEvo-Sensoren von Smartgas genau richtig lagen“, so Dr. Johannes Lampel. „Wir verwenden in unseren ICAD in-Situ NOx-/NO2-Monitoren ein FlowEvo-Standardmodell mit einem Messbereich von 2000 ppm zur optionalen CO2-Bestimmung. In den ICAD-Geräten arbeiten sie schon lange und an verschiedenen Orten zuverlässig und störungsfrei.“ 

Bei der Messung via Plume-Chasing wird die zu messende Luft angesaugt und gelangt zunächst durch einem Aerosolfilter in die erste Messzelle. Hier wird spektroskopisch NO2 gemessen, anschließend strömt die Messluft weiter und fließt durch den Smartgas CO2-Sensor, dann weiter in die zweite Messzelle, in der die NOx-Konzentration spektroskopisch gemessen wird – also die Summe der Konzentrationen aus NO2 und NO. Dazu wird vorher das NO chemisch in NO2 umgewandelt. Über einen Filter verlässt die Messluft dann wieder das ICAD-System. Das System der Messzellen und auch des Smartgas CO2- Sensors wird aktiv auf eine Temperatur von 35 °C geregelt, um Kondensation zu vermeiden und den Einfluss noch bestehender Temperaturabhängigkeiten aller Komponenten zu minimieren. 

Eindeutiger Identifikator 

Der CO2-Sensor ist dabei insofern von besonderer Bedeutung, da beim Plume-Chasing die NOx- und CO2-Bestimmung simultan erfolgt; die Abgasfahne des vorausfahrenden Fahrzeugs wird über das CO2 identifiziert. Auf diese Weise lassen sich auch die Hintergrundkonzentrationen der beiden Gase bestimmen und den Emissionen eines bestimmten Fahrzeugs zuordnen. Ermittelt wird dabei der sogenannte Emissionsfaktor, also das Verhältnis von NOx und CO2 in der Fahne, abzüglich der Hintergrundkonzentationen.  

„Unser NOx-Messgerät hat eine Ansprechzeit von wenigen Sekunden, entsprechend schnell muss auch der CO2-Sensor ansprechen, und das mit einer Genauigkeit von < 5 ppm“, sagt Lampel. „Diese Anforderung konnte nur Smartgas bei vertretbaren Anschaffungskosten erfüllen.“ Dank der NDIR-Technologie, auf der die Smartgas-Sensoren basieren, arbeiten sie über lange Zeit störungsfrei und liefern präzise Ergebnisse. Und über das schlichte Zuliefern von Hardware hinaus konnte das Smartgas-Team auch tatkräftig helfen, die Messdaten des FlowEvo-Sensors in die Airyx-Software zu integrieren. Nicht zuletzt verlief auch die Zusammenarbeit beim sogenannten Design-In reibungslos – hier wird der Aufbau des gesamten Messsystems definiert und damit, welche Eigenschaften genau ein Sensor haben muss.