It´s physics, stupid!

„Tempo 130 bringt nichts?“

Die in Deutschland herrschende Auffassung, ein Tempolimit bringe wenig, widerspricht der Physik. Die zur Stützung dieser steilen These herangezogenen Verbrauchsdaten können gar nicht belegen, was sie beweisen sollen, dass nämlich im letzten Land der Europäischen Union die Einführung einer Geschwindigkeitsbegrenzung nur geringen Effekt auf den Treibstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß des Verkehrs hätte.

Haben Sie schon mal auf die Verbrauchsanzeige geschaut, wenn Sie im Leerlauf an der Ampel standen? Bei vielen arken und Modellen steht da eine Null als Verbrauch, obwohl Sie voll aufs Gas treten könnten, weil das Gerät nicht durch Null teilen will oder vielleicht gar nicht den tatsächlichen Verbrauch misst.

Bei der Verkündigung des Klimaschutzprogramms Ende 2019 und bei der Debatte um Tempo 130 auf bundesdeutschen Autobahnen waren sich die Vertreter von Regierung und Autoindustrie merkwürdig einig, dass die Höchstgeschwindigkeit 130 Kilometer pro Stunde relativ wenig bringe, nur 1 bis 2 Millionen Tonnen CO2-Minderausstoß, also nur 1 bis 2 Prozent des Ausstoßes des gesamten Straßenverkehrs.

Ist das wirklich wenig? Und wie sind diese Zahlen begründet? Beruhen sie auf Messungen?

Immerhin ist auf 70 Prozent der Autobahnfahrbahnen eine Höchstgeschwindigkeit nicht vorgeschrieben.

Grundlage aller Debatten war der Bericht der Agora Verkehrswende vom August 2018, der feststellte, dass ein Tempolimit von 120 wesentlich mehr bringe als eines auf 130 Kilometer pro Stunde. Und das allein deshalb, weil wesentlich mehr Fahrzeuge im Geschwindigkeitsbereich zwischen 120 und 130 km/h als mit höheren Geschwindigkeiten als 130 Stundenkilometern unterwegs sind. Ein Tempolimit auf Autobahnen von 120 km/h mindere den CO2-Ausstoß deshalb um 2 bis 3,5 Millionen Tonnen. Das entspräche 2,1 bis 2,9 Prozent des Gesamtausstoßes des Straßenverkehrs von 160 Millionen Tonnen CO2.

In der folgenden öffentlichen Debatte wurde aus dem „ein Tempolimit von 130 bringt weniger als ein solches von 120“ ein unbegründetes „130 km/h Höchstgeschwindigkeit bringt wenig“.1

Die Deutsche Umwelthilfe zeigte in einem Hintergrundpapier 2018, dass durch erhöhte Motorenleistung der Fahrzeuge und hohe Geschwindigkeit der Treibstoffverbrauch erheblich angestiegen ist.

Geschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch

Welche Daten können überhaupt herangezogen werden, um die Minderung des CO2-Ausstoßes zu messen?

Es gibt darüber eine relativ verlässliche Angabe – das ist die Menge und der Energiegehalt des für den inländischen Straßenverkehr verkauften Treibstoffs, gemessen in Joule. Das waren 1996 für den Straßenverkehr insgesamt 2.267, davon im Personenverkehr 1.585 Petajoule. Und 2018 immer noch 2.204, im Personenverkehr 1.529 Petajoule. Obwohl die Effizienz der Motoren und Fahrzeuge stieg und eigentlich weniger Kraftstoff hätte verbraucht werden müssen, sank der Treibstoffverbrauch in den letzten zwanzig Jahren nur geringfügig.2

Um zu wissen, was eine Begrenzung der Höchstgeschwindigkeit auf 130 Stundenkilometer bewirken wird, müssten der tatsächliche Treibstoffverbrauch und Fahrleistungen der Verkehrsteilnehmer bekannt sein. Da diese Daten aber nur die Verkehrsteilnehmer selber oder die Fahrzeughersteller kennen, denen digital Standort und Verhalten des Fahrzeugs übermittelt werden, wird der relativ genau feststellbare Gesamtverbrauch rein rechnerisch auf die einzelnen Verkehrsteilnehmer verteilt.

In das entsprechende Rechenmodell fließen Daten über die angemeldete Fahrzeugflotte und deren verschiedene Verbrauchsklassen ein, veraltete statistische Angaben über die Nutzung der Fahrzeuge im Verkehr und Ermittlungen über die tatsächlich gefahrene Geschwindigkeit auf den Straßen, die auf Drängen der Deutschen Umwelthilfe aktuell erhoben worden sind.

Das Handbuch für Emissionsfaktoren, neueste Fassung HBEFA 4.1 vom August 2019, stellt das Ergebnis dieser Zurechnung von Schadstoffausstößen differenziert nach Emissionsfaktoren für die gängigsten Fahrzeugtypen, Emissionskonzepte (Euro 0 bis Euro 6/VI) und verschiedene Verkehrssituationen zur Verfügung.

Keine Verbrauchsangabe im Realbetrieb

Vor allem der Treibstoffverbrauch bei verschiedenen Geschwindigkeiten ist in diesem Emissionsmodell fragwürdig. Für den öffentlichen Gebrauch sind nur Daten über den Kraftstoffverbrauch zugänglich, wie sie bei der Typenzulassung ermittelt werden. Sie liegen auch den Strafen zugrunde, die gezahlt werden müssen, wenn die Fahrzeug-Flotte eines Herstellers die vorgeschriebenen Grenzwerte nicht einhält. Der Kraftstoffverbrauch aus der Typenzulassung hat mit dem tatsächlichen Verbrauch im täglichen Verkehr aber wenig zu tun.

Die Herstellerangabe wird in standardisierten Verfahren gemessen. Ein vorgeschriebener Fahrzyklus wird auf dem sogenannten Rollenprüfstand durchfahren, wobei das Fahrzeug auf Rollen steht und sich nur Räder und Rollen bewegen. Fehlender Luftwiderstand und die Massenbeschleunigung werden durch Bremsen der Prüfstands-Rollen simuliert. Nicht die wirklich wirksamen Luftwiderstände oder das tatsächliche Gewicht gehen dabei ein, sondern idealisierte Messgrößen über das Fahrzeug. Dazu gehören ein Luftwiderstand, der mit abgeklebten Fugen des Fahrzeugs im Windkanal ermittelt worden ist, ein minimiertes Fahrzeuggewicht und die Ausschaltung von energieintensiven Geräten wie die Lichtmaschine zum Aufladen der Batterie, die Klimaanlage oder Fensterversteller, die im realen Verkehr zusätzlichen Treibstoff verbrauchen und damit den CO2-Ausstoss erhöhen würden. Deshalb lässt sich aus den Herstellerangaben nur grob erkennen, wieviel Kr aftstoff beim Fahren auf der Straße tatsächlich verbraucht wird.

Messung über Tempo 130?

Werden bei der Typenzulassung nun Geschwindigkeiten über 130 Stundenkilometer berücksichtigt, so dass sich die Wirkung eines Tempolimits abschätzen lässt?

Nach der Ölkrise wurde 1976 in der EU erstmals die Effizienz der Fahrzeuge in einem Fahrzyklus gemessen mit Stadtverkehr und bei zwei konstanten Geschwindigkeiten von 90 und 120 km/h. Von 1992 bis 2017 war der Neue Europäische Fahrzyklus Vorschrift, der einen höheren Anteil an Brems- und Beschleunigungsvorgängen und Fahrten mit höheren Geschwindigkeiten aufwies. Ab 1. September 2017 wurde in der EU ein weltweit einheitliches Leichtfahrzeuge-Testverfahren Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure WLTP rechtlich verbindlich, das Fahrzyklen für drei nach Motorleistung unterschiedene Fahrzeugklassen in vier Geschwindigkeitsbereichen vorsieht.

Und dieses Verfahren sieht nun tatsächlich Messungen bei Geschwindigkeiten oberhalb von 130 km/ h vor – nämlich maximal 131,3 Kilometer pro Stunde. Das erklärt sich daraus, dass dieses Testverfahren weltweit gelten soll und nur wenige Länder die Geschwindigkeit von Kraftfahrzeugen auf ihren Straßen nicht mindestens auf Tempo 130 begrenzen.3

Alles, was Fahrzeuge auf deutschen Straßen oberhalb des Tempolimits veranstalten und was sie dabei verbrauchen, ist jedenfalls nicht in diesem standardisierten Testverfahren gemessen worden.

Das wird die Autofahrerinnen und Autofahrer auch nicht wundern. Sie stellen regelmäßig fest, dass die tatsächlich verbrauchte Kraftstoffmenge 35 bis 40 Prozent über der Angabe des Herstellers liegt.

Die Abweichung nach oben von den Werten, die bei der Typenzulassung ermittelt worden sind, ist umso stärker, je größer und schwerer ein Fahrzeug ist und je häufiger diese Fahrzeuge die Geschwindigkeit von 131,5 Stundenkilometern überschreiten.

Legt man die gemessene Geschwindigkeitsverteilung auf Autobahnen zugrunde und nimmt an, dass alle Fahrzeuge, die die Höchstgeschwindigkeit überschreiten, gleich schwer und gleich groß sind, würde eine Tempobegrenzung auf 130 Stundenkilometer rechnerisch mindestens 15 Prozent des Treibstoffes einsparen.

Andere Fahrzeuge, andere Straßen

Bei Tempo 130 würde sofort und dauerhaft weniger Kraftstoff verbraucht werden, sogar weniger, als die Berechnungen nach dem Emissionsmodell HBEFA suggerieren, und das bei der bestehenden Autoflotte auf den bestehenden Straßen.

Ein Tempolimit würde längerfristig zusätzlich den Aufwand für den Autoverkehr, die Produktion von Automobilen und den Bau von Straßen drastisch senken.

Die Automobile müssten bei Motor, Bremsen, Signalanlagen, Getriebe und Außenhaut nicht mehr auf hohe Geschwindigkeit ausgelegt werden. Sie würden dann weniger Masse für den Aufprallschutz und im Tank mitschleppen, geringere Motorleistung haben können und für die geringere Höchstgeschwindigkeit optimiert sein.

Dies würde endlich auch verhindern, dass alle Autos, die für höhere Geschwindigkeiten konstruiert sind, ihren Mehrverbrauch den Nutzern in den Ländern aufzwingen, in denen bereits eine Höchstgeschwindigkeit gilt. Ein Tempolimit in Deutschland würde den CO2-Ausstoß in allen anderen Ländern für den Betrieb und für die Produktion der Fahrzeuge senken.

Auch Straßen würden weniger Aufwand und Fläche verbrauchen. An Autobahnknoten kann jeder feststellen, wie stark die Fahrbahnbreite, der Kurvenradius und die Einfahrspuren von der maximalen Geschwindigkeit abhängen. Für die in Deutschland gefahrenen hohen Geschwindigkeiten müssen Kurvenradien weiter sein, Einfädelungen sanfter und länger, Straßen breiter und fester sein, Signalanlagen früher stehen und Leitplanken auf eine höhere Aufprallenergie ausgelegt sein.

Ein Tempolimit auch nur auf 130 Stundenkilometer würde erheblich mehr als ein bis zwei Prozent des CO2-Ausstoßes des Straßenverkehrs in der BRD vermeiden und hier – wie in allen anderen Ländern – beim Fahren, Produzieren von Automobilen und im Straßenbau den CO2-Ausstoß drastisch mindern.

Anmerkungen:

1 Agora Verkehrswende (2018), S. 27-29, besonders Tabelle 2.7, S.29.

2 1 Petajoule = 1015 J = 1.000 Terajoule = 1000.000.000.000.000 Joule

Angaben nach: Verkehr in Zahlen (VIZ) 2019/20, herausgegeben vom Bundesministerium für Verkehr und Digitales und dem Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW), S. 302, Tabelle End-Energieverbrauch 1) – nach Wirtschafts- und Verkehrsbereichen in Petajoule; S. 308f. Kraftstoffverbrauch; S. 311-314 Umweltbelastung.

3 https://de.wikipedia.org/wiki/Worldwide_harmonized_Light_vehicles und andere Testzyklen auf wikipedia.org (abgerufen 21.11.2019)

Literatur:

Antrag auf Begrenzung auf 130 km/h vom 8. Mai 2019, Drucksache 19/9948 und die zugehörige Debatte http://dip21.bundestag.de/dip21/btd/19/140/1914000.pdf

Agora Verkehrswende (2018): Klimaschutz im Verkehr: Maßnahmen zur Erreichung des Sektorziels 2030, Berlin August 2018, www.agora-verkehrswende.de/

Deutsche Umwelthilfe: Klima schützen, Leben retten, Hintergrundpapier Stand 11.04.2019, https://www.duh.de/presse/pressemitteilungen/pressemitteilung/leben-retten-klima-schuetzen-breites-buendnis-fordert-generelles-tempolimit-auf-autobahnen

Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs (HBEFA) mit seinem neuesten Update HBEFA 4.1 (August 2019)

VIZ 2019/2020: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Verkehr in Zahlen 2019/2020, 48. Jg., Kraftfahrt-Bundesamt, Flensburg Stand September 2019. http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/G/verkehr-in-zahlen_2018-pdf.html

Tempolimits auf Bundesautobahnen, 2015, Schlussbericht zum Arbeitsprogramm-Projekt F1100.6110020. Berichter: Bernhard Kollmus, Hartmut Treichel, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, August 2017. www.bast.de

Geschwindigkeiten auf Bundesautobahnen in den Jahren 2010 bis 2014, Schlussbericht zum AP-Projekt F1100.6213001, Ulrich Löhe, Bundesanstalt für Straßenwesen September 2016. www.bast.de


Kraftstoffverbrauch & Geschwindigkeit

Die Auffassung, ein Tempolimit bringe wenig, steht im Widerspruch zu den Gesetzen der Physik: Der Kraftstoffverbrauch steigt bei zunehmender Geschwindigkeit nicht linear an, sondern wegen des Luftwiderstandes und der Massenbeschleunigung mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Massenbeschleunigung

Die Masse oder das Gewicht eines Fahrzeugs bestimmt, wieviel Aufwand nötig ist, um es auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bringen. Wäre die Masse im luftleeren Raum unterwegs, würde sie sich ohne weiteren Kraftaufwand mit der erreichten Geschwindigkeit weiterbewegen. Weil sie aber in der Luft und auf Rädern unterwegs ist, müssen fortwährend Rollwiderstand und Luftwiderstand überwunden werden.

Die kinetische oder Bewegungsenergie, die in einem bewegten Fahrzeug steckt, ist das Produkt von Masse und Geschwindigkeit im Quadrat.

Ein schweres Fahrzeug verbraucht mehr Energie, um zu beschleunigen. Eine höhere Geschwindigkeit bei gleicher Masse erfordert exponentiell mehr Energie. Ein Fahrzeug auf doppelte Geschwindigkeit zu bringen, vervierfacht den Aufwand.

Beim Bremsen wird die Bewegungsenergie in Wärme, Abrieb und Verformung umgesetzt, der Bremsweg steigt nicht linear, sondern exponentiell. Dasselbe Maß an Energie ist erforderlich, um die Ausgangsgeschwindigkeit erneut zu erreichen – dauerndes Beschleunigen und Bremsen verbrauchen mehr Kraftstoff als gleichmäßiges Fahren.

Stößt ein Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit auf ein Hindernis, so wird die Bewegungsenergie in Verformung und Zerstörung umgesetzt. Diese Zerstörungsenergie wächst auch mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Nehmen Fahrzeuge mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten am Verkehr teil, steigt der Aufwand für alle: Schneller und langsam Fahrende müssen häufiger bremsen und wieder beschleunigen.

Ohne Tempolimit sind alle Fahrzeuge schwerer

Alle Fahrzeuge müssen gegen Aufprall geschützt werden. Das Fehlen eines Tempolimits führt dazu, dass alle Kraftfahrzeuge, auch solche, die keine hohe Geschwindigkeit erreichen oder wegen Tempolimits fahren können, mehr Masse mitschleppen müssen – und deshalb auch mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wachsende Mengen an Kraftstoff verbrauchen, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.

Rollwiderstand & Geschwindigkeit

Der Rollwiderstand beim Fahren muss durch die Antriebskraft überwunden werden – bei Rädern ist er geringer als bei Schlittenkufen, bei aufgepumpten Reifen geringer als bei schlaffen Schläuchen, bei Eisenbahnrädern auf Schienen geringer als bei Gummibereifung von Straßenfahrzeugen.

Der Rollwiderstand von Autoreifen wächst mit der Auflagefläche, die bei hohen Geschwindigkeiten größer sein muss, um Lenken, Bremsen und Beschleunigen noch sicher zu ermöglichen.

Ohne Tempolimit fahren alle schnelleren Fahrzeuge einen schlafferen Reifen – der Rollwiderstand ist dauerhaft größer.

Luftwiderstand

Der Luftwiderstand, der während des Fahrens überwunden werden muss, wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Dieser Luftwiderstand eines Fahrzeuges ist abhängig von dem wirksamen Querschnitt, also von der Fläche, die den Luftwiderstand erzeugt. Breitere und höhere Autos verbrauchen mehr Kraftstoff.

Der Kraftstoffverbrauch kann vermindert werden durch eine strömungsgünstige Form dieser Fläche, deren Qualität durch den Widerstandsbeiwert bezeichnet wird.

Der Widerstandsbeiwert eines Fahrzeugs drückt aus, in welcher Weise die Fahrzeugform dazu beiträgt, den Luftwiderstand relativ zu einer senkrecht zur Fortbewegung gestellten Querschnittsfläche zu vermindern. Der Widerstandsbeiwert eines Jumbo-Flugzeuges und einer Eieruhr können also gleich sein. Der Widerstandsbeiwert sagt nichts darüber aus, wie viel Kraftstoff das Fahrzeug verbraucht, weil dies von der Größe der Querschnittsfläche des Fahrzeugs abhängt.

Beim Fahren mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h wird nur ein Viertel dessen verbraucht, was bei Tempo 200 km/h durch den Auspuff geht.

Ein Eisenbahnzug muss wesentlich weniger Luftwiderstand überwinden als die entsprechende Menge an Lastwagen, die nicht miteinander verkoppelt sind und nicht im Windschatten des Vorwaggons fahren können.