Abgasmessung WLTP, RDE, PEMS, OBFCM und NEFZ – Emissionsmessung im Überblick

Seit September 2019 ist der WLTP 2^ndAct für neue Fahrzeuge verbindlich, Emissionsgrenzwerte müssen auch im Fahrbetrieb eingehalten werden. Seit 2020 müssen neue Fahrzeugtypen zudem verbrauchsrelevante Daten speichern. Ein Überblick.

Die Werte zum Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs „laut Hersteller“ und „auf der Straße“ wichen in der Vergangenheit oft weit voneinander ab. Im September 2017 trat deshalb der WLTP in Kraft, die „Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure“. Das Testverfahren sollte diese Lücke deutlich verkleinern. Die im Test verwendeten Prozeduren bilden die Fahrdaten realistischer ab als der vorher verwendete NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus).

Den WLTC-Tests auf Rollenprüfständen zur Seite steht der sogenannte RDE (Real Driving Emissions), bei dem die Emissionen im praktischen Fahrbetrieb gemessen werden. Emissionen bedeutet dabei: Kohlenmonoxid, Stickoxide und Rußpartikel. Zugrunde liegt die letzte Stufe der aktuell gültige Abgasnorm Euro 6 (seit 1. Januar 2020). Pkws mit Benzinmotor dürfen auf dem Prüfstand 60 mg/km NO_x emittieren, der RDE-Grenzwert liegt bei 126 mg/km. Die CO-Grenze auf dem Prüfstand beträgt 1.000 mg/km. Für Dieselfahrzeuge gelten 80 mg/km NO_x beziehungsweise 168 mg im RDE-Verfahren; der CO-Grenzwert auf dem Prüfstand liegt bei 500 mg/km.

WLTP 2^nd Act: Was ist neu?

Seit dem 1. September 2019 müssen Automobilhersteller den Abgasausstoß ihrer neu in der EU zugelassenen Fahrzeuge nun nach dem WLTP 2^nd Act, dem zweiten Teil des Testverfahrens erfassen. Die zweite Stufe der Norm ändert einige Testprozeduren, unter anderem die Vorgaben zur Schaltpunktberechnung für Handschalter: Das heißt, dass die nach den bisherigen Vorgaben berechneten Schaltpunkte geringfügig von einer Berechnung nach den aktuellen Vorgaben abweichen können.

Außerdem gibt es jetzt sogenannte Fahrkurvenkoeffizienten. Mit ihnen lässt sich feststellen, ob der Fahrer auf dem Prüfstand der Fahrkurve so genau wie möglich folgt – über die bisherigen Toleranzen hinaus. Daneben hat die EU dem Testverfahren weitere, auf Europa zugeschnittene Vorgaben angepasst oder hinzugefügt.

Weitere Neuerung: Für alle seit dem Jahr 2021 neu zugelassenen Fahrzeuge darf der rechnerisch im Fahrzeug ermittelte Kraftstoffverbrauch (OBD, On Board Diagnose) um nicht mehr als +/-5 Prozent von dem Wert abweichen, der in einem WLTP Typ 1-Zertifizierungstest bei 23 °C auf dem Rollenprüfstand ermittelt wird. Hintergrund: Die Werte können dem Fahrer im realen Fahrbetrieb Aufschluss über seinen Kraftstoffverbrauch geben. Über die OBD-Schnittstelle kann so zudem der Gesamtverbrauch eines Fahrzeugs ausgelesen werden.

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OBFCM: Verbrauchsdaten im Fahrzeug speichern

Seit Januar 2020 müssen neue Fahrzeugtypen zudem über einen lebenslangen Verbrauchsspeicher verfügen, das sogenannte „On Board Fuel Consumption Monitoring“ (OBFCM). Es erfasst Fahrzeug-, Motor-, Kraftstoff und/oder Stromparameter und stellt diese über standardisierte Schnittstellen unbeschränkt bereit. Insbesondere sind das der Kraftstoffverbrauch, die zurückgelegte Strecke, der Kraftstoffdurchsatz des Fahrzeugs und des Motors und die Fahrgeschwindigkeit. Die Genauigkeit des Systems ist gesetzlich festgelegt und wird in einem WLTP-Zyklus überprüft. Seit Januar 2021 dürfen Fahrzeuge ohne das OBFCM nicht mehr zugelassen und in Betrieb genommen werden.

Und: Ebenfalls seit 1. Januar 2021 müssen die gesammelten Daten nur zum Kraftstoff- und/oder Stromverbrauch des Fahrzeugs der entsprechenden Kommission „in regelmäßigen Abständen zur Verfügung gestellt werden“. Soll heißen: Die Daten werden zu anonymisierten Datensätzen, unter anderem je Hersteller, verarbeitet und übermittelt. Wie, daran arbeitet die EU derzeit.

Kohlenstoffdioxid

CO2-Emissionen: Die falsche Bilanz

Das RDE-Paket 4 und der RDE 2

Mit dem WLTP 2^nd Act tritt auch das sogenannte RDE-Paket 4 in Kraft. Messfahrten werden damit künftig über ein einheitliches Tool ausgewertet. Seit Januar 2020 gilt zudem der RDE 2: Die auf der Straße gemessenen Stickoxidemissionen, NO_x neuer Typen dürfen die der auf dem Prüfstand gemessenen Emissionen nicht übersteigen (seit Januar 2021 für Neuzulassungen). Einzige „Zugabe“ ist eine Messtoleranz des mobilen Messgerätes „PEMS“ (Portable Emission Measurement System) von 0,43. Bisher durften die NO_x-Emissionen das 2,1-Fache des zulässigen Prüfstandswertes betragen (Messtoleranz = 1,1).

Für Partikel gilt wie beim RDE 1: Ihre Anzahl darf nicht höher sein als im Labor, plus eine Messtoleranz von 0,5. Hintergrund: Ein großer Abgasprüfstand misst genauer, als die PEMS genannten, mobilen Messgeräte. Der Partikelgrenzwert liegt bei allen RDE-Fahrten bei 6*10¹¹ pro Kilometer. Zudem müssen Nebenverbraucher wie die Klimaanlage in die Tests einbezogen werden: „ihrer möglichen Verwendung durch den Verbraucher unter normalen Fahrbedingungen auf der Straße entsprechend.“

Emissionen ohne Motorbetrieb: Die Kraftstoffverdunstung messen

Neben dem Messen der Emissionen im Fahrbetrieb verlangt der 2^nd Act jedoch auch eine Messung der Emissionen, die ohne Motorbetrieb entstehen: zum Beispiel durch verdunstenden Kraftstoff. In diesem Test wurden Fahrzeuge bisher 24 Stunden lang in einer Prüfkammer einer nachgebildeten Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf ausgesetzt. Dabei wird überprüft, wie viel Kraftstoff aus dem Tank verdunstet, der nicht durch Filter im Fahrzeug aufgefangen werden kann. Seit September dauert der Test 48 Stunden – die maximal zulässige Emissionsmenge von zwei Gramm Kohlenwasserstoffen bleibt jedoch bestehen. Die meisten Emissionen erzeugt dabei Ottokraftstoff, der flüchtiger ist als Dieselkraftstoff.

Das bedeutet vor allem bei Plug-in-Hybriden technische Änderungen, weil der Verbrennungsmotor hier nicht notwendigerweise regelmäßig aktiv ist. Denkbar ist zum Beispiel ein Drucktank, der die normalerweise im Aktivkohlefilter des Fahrzeugs adsorbierten Kraftstoffdämpfe aufnimmt, falls die Kapazität des Filters überschritten wird.

Autos „von der Straße“ testen

Die auffälligste Neuerung des „2^nd Act“ dürfte aber sein, dass nicht mehr nur Neufahrzeuge geprüft werden, sondern im Rahmen der sogenannten „In-Service-Conformity“ auch Fahrzeuge aus dem Feld, also von der Straße. Konkret: Anhand einer Stichprobe aus mehreren Fahrzeugen wird das Emissionsverhalten von Fahrzeugen überprüft, die mindestens sechs Monate alt sind und eine Laufleistung von mindestens 15.000 Kilometern haben; und die maximal fünf Jahre alt sind und eine maximale Laufleistung von 100.000 Kilometern haben. Die Autos werden dabei auf dem Rollenprüfstand und auf der Straße getestet. Optional können diese Fahrzeuge zusätzlich auf die „evaporate emissions“, die Verdunstungsemissionen, getestet werden.

Und es gibt mehr Papier: in Form größerer Dokumentationsumfänge. Die Automobilhersteller müssen künftig in sogenannten Transparenzlisten alle Daten hinterlegen, die für das Durchführen der Emissionstests notwendig sind. Dazu zählen unter anderem der Herstellername, die Kraftstoffart des Fahrzeugs und Daten zur verwendeten PEMS-Familie. Diese Listen veröffentlicht die EU-Kommission in einer Datenbank, anhand der autorisierte Dritte künftig selbst Tests durchführen können.

Der Testablauf auf dem Rollenprüfstand

Aber wie läuft der Test ab? Der zu fahrende Zyklus (WLTC) beginnt auf dem Rollenprüfstand mit kaltem Motor, dauert 30 Minuten, bildet rund 23 Kilometer ab und besteht in der Fahrzeugklasse 3 aus vier Abschnitten: einer simulierten Stadtfahrt, einer Fahrt Überland und einer Autobahnstrecke mit zwei Geschwindigkeiten – 56,5 km/h, 76,6 km/h, 97,4 km/h und 131,3 km/h sind die Grenzwerte. Die gefahrene Durchschnittsgeschwindigkeit beträgt rund 47 km/h.

Die Grundausrüstung besteht aus dem leeren Fahrzeug, dem Fahrer (75 kg) und 15 Prozent der erlaubten Zuladung. Statt eines „echten“ Fahrers dürften die Tests auf dem Prüfstand auch Fahrroboter durchführen; ihre Ergebnisse wären wiederholgenauer. Volkswagen und Mercedes-Benz zum Beispiel setzen aber Menschen hinter das Steuer.

Der vierte Testanteil mit rund 131 km/h ist nicht in allen Ländern verpflichtend, weil zum Beispiel in Japan die zulässige Höchstgeschwindigkeit geringer ist. Alle Szenarien finden bei jeweils 23 Grad Celsius statt, in Europa zusätzlich bei 14 Grad Celsius, der europäischen Durchschnittstemperatur.

Elektromobilität

Klimabilanz von E-Autos: Brennstoffzelle vs. Batterie

Dazu müssen die Fahrzeuge vor Testbeginn zwölf Stunden bei 23 Grad konditioniert werden und rund neun Stunden bei 14 Grad. Logistisch ist das herausfordernd: Volkswagen zum Beispiel betreibt am Standort Wolfsburg deshalb ein Testzentrum mit 250 Fahrzeugstellplätzen, 235 Konditionierplätzen und 21 klimaregulierbaren Rollenprüfständen für Front- und Allradfahrzeuge. „Der Aufwand für die Tests nach WLTP und RDE liegt etwa um das 7,5-Fache höher als nach NEFZ“, beschreibt Kurt Engeljehringer, Business Development Manager – Emission Testing, beim österreichischen Automobilzulieferer AVL.

Und dieser Aufwand kostet Geld: Mit rund fünf Millionen Euro schlägt allein ein Prüfstand zu Buche. Der Transport der Fahrzeuge erfolgt mit einer Art Hubwagen, sodass der Motor des Testwagens tatsächlich erst auf dem Prüfstand gestartet wird.

Woraus besteht ein Fahrprofil?

Das Fahrprofil WLTC im WLTP basiert auf realen Fahrdaten, die in 14 Ländern erhoben wurden und stellt deren Durchschnitt dar. Neu ist, dass nicht mehr nur ein Standard-Fahrzeugmodell getestet wird, sondern alle Motor-Getriebe-Kombinationen, mit denen es erhältlich ist. War der NEFZ eher starr, berücksichtigt der WLTC mehr Optionen: Gangwechsel werden zum Beispiel individuell berechnet, die Ausstattung des Fahrzeugs und somit die Aerodynamik, der Reifenrollwiderstand und das Fahrzeuggewicht – also kundenindividuelle Optionen – fließen in die Bewertung ein. Zudem ist die gefahrene Durchschnittsgeschwindigkeit höher.

Dabei bilden ein Fahrzeug mit „dem besten“ und eines mit „dem schlechtesten“ Wert den Rahmen, hinzukommende Sonderausstattungen lassen sich dann interpolieren, also hochrechnen. Das ist aber keine Augenwischerei: Hintergrund ist die hohe mögliche Variantenvielfalt, mehrere tausend unterschiedliche Varianten sind je nach Fahrzeughersteller durchaus denkbar. Grundsätzlich unterscheidet der WLTP nach Leistungsgewicht vier Fahrzeugklassen (1, 2, 3a, 3b), fast alle Pkws sind in WLTC-Klasse (C = Cycle) 3b eingeordnet.

RDE: Emissionen im Straßenverkehr messen

Nach den Messungen im Labor geht es auf der Straße weiter – im öffentlichen Verkehr. Die Testroute im RDE ist nahezu frei wählbar, sie muss aber mindestens 16 Kilometer in der Stadt-, Überland- und auf der Autobahn beinhalten und zwischen 1,5 und zwei Stunden dauern – um einen möglichst großen Bereich unterschiedlicher Fahrprofile und Fahrstile abzubilden.

Gefahren wird bei Temperaturen zwischen minus sieben und plus 35 Grad Celsius. Das Fahrzeug ist mit einer Zuladung von bis zu 90 Prozent unterwegs. Auch hier beginnt die Messfahrt in der Stadt mit kaltem Motor. Die Geschwindigkeit darf dabei zwischen 15 und 40 km/h liegen und 60 km/h nicht überschreiten. Auf der Landstraße ist das Geschwindigkeitsfenster zwischen 60 und 90 km/h, auf der Autobahn sind es 145 km/h und kurzzeitig bis zu 160 km/h. Die jeweiligen Fahrten sind nicht miteinander vergleichbar: unterschiedliche Ampelschaltungen oder variierendes Verkehrsaufkommen sind nur zwei Gründe dafür. Grundsätzlich gilt: Der Testfahrer „fährt einfach“, er stellt also eine Fahrt nach, wie sie jeder andere Fahrer auch erleben könnte.

Die PEMS, also die Messsysteme, sind dazu auf der Anhängerkupplung montiert oder im Kofferraum untergebracht, ihre Stromversorgung sichern Lithium-Ionen-Akkus. Bevor die Testfahrt beginnt, validieren die Ingenieure die PEMS-Anlage gegen die Prüfstandsmesstechnik. Stimmen die Ergebnisse der mobilen Messgeräte mit denen des Rollenprüfstands überein, kann die Testfahrt beginnen. Die Fahrer haben zusätzlich ein Gaswarngerät an Bord: Sollte Gas aus dem im Kofferraum befindlichen Messsystem austreten, warnt es rechtzeitig.

Wie werden Elektrofahrzeuge und Hybride getestet?

„Grundsätzlich muss jedes Fahrzeug einen Testlauf absolvieren“, erklärt Engeljehringer, „Die EU-Abgasgesetzgebung definiert nicht mehr nur das Messen der Schadstoffemissionen (CO, THC, NO_x, PM und PN), sondern auch die Emissionen von CO₂, den elektrischen Energieverbrauch und die rein elektrische Reichweite von Fahrzeugen. Für elektrifizierte Fahrzeuge bedeutet das:

Hybridfahrzeuge, die nicht extern aufgeladen werden können, absolvieren den WLTC-Zyklus, wobei der Ladezustand der Batterie mit gemessen wird. Ist nach der Testfahrt der Ladezustand gleich wie vor dem Test, fließen die CO₂- und Verbrauchswerte so ein, wie sie gemessen wurden. Ist der Batterieladezustand niederer als bei Testbeginn, wird die verbrauchte elektrische Energie mathematisch den CO₂-Emissionen und dem Verbrauch hinzugerechnet. Solche Fahrzeuge können den Zustand „volle“ oder „leere“ Batterie nicht darstellen, da diese Batterietechnik für eine lange Lebensdauer zwischen circa 35 Prozent und circa 70 Prozent Ladung betrieben wird.

Übersicht: Elektromobilität

Elektromobilität: Definition, Fahrzeuge und Zukunft

Bei Plug-in-Hybriden fallen die Tests sehr langwierig aus. „Der erste WLTC-Testlauf wird im Best-Case-Szenario, also mit voller Batterie gestartet. Je nach Auslegung läuft hier der Verbrennungsmotor am wenigsten, zum Beispiel nur beim Beschleunigungen oder bei höheren Geschwindigkeiten. Es folgt Test auf Test“, beschreibt Engeljehringer. „Dabei sind nur kurze Pausen erlaubt, die im Falle eines menschlichen Fahrers dazu dienen, den Fahrer ablösen zu können.“

Diese Tests mit aktivem elektrischen Anteil werden bezeichnet als „Charge Depleting“-Mode, bei dem der Batterieladezustand stetig abnimmt. Der Test endet, wenn die verfügbare elektrische Energie nicht mehr ausreicht, um den regulären Fahrbetrieb zu unterstützen. Wie viele Tests dafür nötig sind, hängt von der Batteriegröße und der Hybrid-Steuerstrategie ab. Anschließend findet ein „Charge Sustaining“-Test statt, das Worst-Case-Szenario: die Fahrt mit leerer Batterie.

„Während aller Tests muss das Fahrzeug alle Schadstoffgrenzwerte einhalten. CO₂-Emissionen und Verbrauch werden gewichtet berechnet, die Best-Case- und Worst-Case-Werte dazu in Bezug gesetzt: Wie viele Testläufe waren mit Hybridunterstützung möglich? Und: Welche üblichen Kilometerleistungen gibt es, innerhalb derer der Gesetzgeber annehmen kann, dass der Plug-in-Akku wieder aufgeladen wird?“, erklärt Kurt Engeljehringer. „Alle Hybridfahrzeuge müssen zudem einen RDE-Test absolvieren – und der wird im „Charge- Sustaining“-Zustand gefahren, also im Worst-Case-Zustand.“

Batterieelektrische Fahrzeuge müssen ebenfalls einen WLTC-Testlauf absolvieren. Dabei bestimmen die Prüfer den elektrischen Energieverbrauch und die nominelle elektrische Reichweite. Während des Ladens wird der Energiefluss gemessen. Ein RDE-Test ist nicht erforderlich, da während des Fahrbetriebs keine Schadstoffe und CO₂-Emissionen entstehen.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind im Grunde reine Elektrofahrzeuge – auch sie absolvieren einen aktuell eher rudimentären WLTC-Testlauf, in dem der Wasserstoffverbrauch gemessen wird. Dafür wird eine externe Wasserstoffflasche angeschlossen und deren Gewicht vor und nach der Messung bestimmt. Ein RDE-Test und die Ladeenergiemessung zur Batterie entfallen bei diesen Fahrzeugen ebenfalls.

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Neue Fahrprofile bringen Mehrverbrauch auf dem Papier

Die Folge der realistischeren Fahrprofile: Auf dem Papier, also in den Verkaufsprospekten, steigen die durchschnittlichen Verbräuche um rund zehn bis 20 Prozent gegenüber den Angaben des NEFZ. Die waren bislang im echten Leben ohnehin nicht zu erreichen, seit September 2018 orientiert sich jedoch die Besteuerung der Fahrzeuge an den im WLTP erfahrenen Werten – jedes Gramm über dem Grenzwert von 95 Gramm CO₂ pro Kilometer kostet zwei Euro – bei seit dem 1. September 2018 neu zugelassenen Fahrzeugen.

Für Kunden kann sich das schon bei der Konfiguration eines Neuwagens auswirken: Wieviel mehr im Unterhalt, also in Steuern, kosten die 19-Zoll-Räder? Kann ich mit einem Bodykit aerodynamisch den Nachteil der größeren und breiteren Räder ausgleichen? In Ländern wie Dänemark, die basierend auf dem CO₂-Ausstoß eine Luxussteuer erheben, kann die neue Berechnung für die eine oder andere Zusatzausstattung „Haken ja“ oder „Haken nein“ im Kaufvertrag bedeuten.

Für den Automobilhersteller wirkt sich die Besteuerung beim Kunden unter Umständen auf die interne Logistik aus. Gab es bisher zum Beispiel einen Engpass beim 15-Zoll-Rad eines Modells, konnte es passieren, dass der Käufer ein schneller verfügbares 17-Zoll-Rad bekam – ohne Aufpreis. Seit September 2018 bedeutet dieses „Upgrade“ aber möglicherweise eine höhere Kfz-Steuer für den Kunden.

Flottenziel: Mehrfachanrechnung und Strafzahlungen

Um Manipulationen auszuschließen, fahren technische Dienste wie Tüv oder Dekra 50 Prozent der Tests auf der Straße. Das Flottenziel von gemittelt 95 Gramm CO₂ pro Kilometer gilt seit dem Jahr 2020 (vorher rund 130 g CO₂/km) und wird seit 2021 vollständig nach WLTP ermittelt. Emissionsfreie und emissionsarme Fahrzeuge können mehrfach auf die Flottenwerte angerechnet werden. Es können jedoch auch Strafzahlungen verhängt werden, falls die Zielwerte nicht eingehalten werden.

Schärfere Grenzwerte ab 2030

Ab dem Jahr 2030 gelten nochmals verschärfte Grenzwerte: Um weitere 37,5 Prozent soll der CO₂-Ausstoß von Pkws von 2021 bis 2030 sinken, bei leichten Nutzfahrzeugen um 31 Prozent. Bis 2025 gilt eine Zwischenlösung: Beide Fahrzeugklassen sollen bis dann 15 Prozent weniger Kohlendioxid ausstoßen.

E-Fuels

E-Fuels: Strom in Kraftstoff wandeln

Einen herstellerübergreifenden Gesamtflottenwert wird es nicht geben, der Wert berechnet sich basierend auf dem durchschnittlichen Fahrzeuggewicht der Flotte. Ausgehend vom Grenzwert 95 g/km sind bis 2030 durchschnittlich 59 g/km gefordert, das entspricht einem Verbrauch von 2,2 Litern Diesel pro 100 Kilometer beziehungsweise 2,5 Litern Benzin pro 100 km. Ein anspruchsvoller Wert: Erreichbar ist er wohl nur mit umfassender Elektrifizierung und einem höheren Anteil an erneuerbaren Kraftstoffen wie Bio, E-Gas oder E-Fuels.

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