Internationales Verkehrswesen (64) 6 | 2012 49 MOBILITÄT Wissenschaft U m für die Beantwortung dieser Frage eine belastbare Datengrundlage zu schafen, hat das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) im Zeitraum von 2008 bis 2009 eine umfassende Studie durchführen lassen. Das Forschungsvorhaben im Rahmen des Umweltforschungsplans des Bundesumweltministeriums (BMU) wurde von der Seibersdorf Labor GmbH mit Sitz bei Wien (Österreich) durchgeführt. 2 Untersuchungsgegenstand waren reine Elektrofahrzeuge (zwei Pkw, ein Nutzfahrzeug) und Fahrzeuge mit Hybridantrieb, darunter ein Pkw mit Mild-Hybrid- und zwei mit Voll-Hybridtechnik, ein Lkw sowie ein öfentlicher Personennahverkehrsbus. Ergänzend zu den Arbeiten in der o. g. Studie wurden kürzlich drei weitere aktuelle Pkw mit reinem Elektroantrieb untersucht. Die Nennleistung der Elektromotoren deckt eine Spannbreite von 28 bis 185 kW ab. Messungen erfolgten unter stationären Lastbedingungen auf einem Leistungsprüfstand für Kraftfahrzeuge (nur Pkw) sowie unter realistischen Bedingungen bei Messfahrten im öfentlichen Straßenverkehr oder auf abgesperrten Strecken. Gemessen wurden die Magnetfeldimmissionen, die an deinierten Positionen auf den Sitzplätzen der Fahrzeuge bei verschiedenen Lastzuständen der elektrischen Antriebsmotoren auftreten. Gesundheitliche Bewertung elektrischer und magnetischer Feldexpositionen Für eine gesundheitliche Bewertung sind vor allem die von den elektriizierten Komponenten emittierten Magnetfelder relevant. Magnetische Wechselfelder induzieren im menschlichen Körper elektrische Felder und Ströme, die Nerven- und Muskelzellen reizen, d.- h. elektrisch erregen können. Diese akuten Wirkungen sind gut untersucht und es ist bekannt, dass sie erst ab bestimmten Schwellenwerten auftreten. Maßstab für die gesundheitliche Bewertung ist die EU- Ratsempfehlung 1999/ 519/ EG 3 , die auf Leitlinien der Internationalen Kommission zum Schutz Gesundheitsrisiko durch elektromagnetische Felder? Nach Plänen der Bundesregierung sollen bis zum Jahr 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf bundesdeutschen Straßen fahren 1 . Aus Sicht des Gesundheitsschutzes stellt sich die Frage, ob von dem elektriizierten Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eine Gesundheitsgefahr für die Passagiere durch die im Betrieb auftretenden elektrischen und magnetischen Felder ausgehen kann. Schließlich ließen je nach Lastsituation Ströme von mehreren 100 Ampere in unmittelbarer Nähe der Fahrzeuginsassen. Die Autoren: Dirk Geschwentner, Gernot Schmid Abb. 1: V.l.n.r.: Aus Hartschaumstof gefertigtes Körpermodell zur Festlegung der Messpunkte; eindeutige Deinition der Messpositionen durch die in das Körpermodell eingearbeiteten Vorrichtungen zur genauen Platzierung der Messsonde MOBILITÄT Wissenschaft Internationales Verkehrswesen (64) 6 | 2012 50 nale Krebsforschungsagentur (IARC, www.iarc.fr) hat niederfrequente Magnetfelder deshalb als „möglicherweise kanzerogen“ klassiiziert. Ausschlaggebend waren Ergebnisse epidemiologischer Studien (Bevölkerungsbeobachtungsstudien), die ein leicht, aber signiikant erhöhtes Risiko gefunden haben, wenn Kinder zeitlich gemittelt netzfrequenten Magnetfeldern im Bereich über 0,3 bis 0,4 μ T ausgesetzt waren. Der EU-Referenzwert liegt für 50 Hz deutlich höher bei 100 μ T. Derzeit ist kein plausibler und akzeptierter Wirkmechanismus bekannt, der das erhöhte Risiko erklären könnte. Ein möglicher Zusammenhang mit Magnetfeldern wird auch von Laborstudien z. B. an Zellkulturen und Versuchstieren derzeit nicht gestützt. Ein kausaler Zusammenhang gilt deshalb als nicht nachgewiesen. Die vorliegenden Hinweise geben aber Anlass für Vorsorgemaßnahmen. Dazu gehört, dass unnötige Expositionen vermieden und vermeidbare Expositionen möglichst minimiert werden sollten. Dies gilt für den gesamten Bereich niederfrequenter Felder bis in den Kilohertzbereich. Ergebnisse Die Höhe der resultierenden Magnetfeldexposition sowie die spektrale Zusammensetzung der Immissionen (von wenigen Hertz bis 80 kHz) erwies sich als stark abhängig von der Anordnung der elektrischen Komponenten des Antriebssystems in Relation zur Sitzposition der Fahrzeuginsassen, von der gefahrenen Geschwindigkeit bzw. vom anliegenden Drehmoment sowie vom aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs (Beschleunigung, gleichmäßiges Fahren, Rekuperation, etc.). In den Hybrid-Pkw lagen die lokal auftretenden Maximalimmissionen als gewichtete Summen der auf die frequenzabhängigen Referenzwerte der EU-Ratsempfehlung bezogenen Spektralanteile bei 29 bis 35 %. Bei den reinen Elektrofahrzeugen waren die Unterschiede größer, hier betrugen die Werte etwa 3 bis 47 %. Die Unterschiede zwischen Körpermittelwerten und räumlichen Maximalwerten (Abbildung-3) zeigt, dass die Feldverteilungen in den Fahrgastzellen stark inhomogen sind. Die höchsten Expositionen wurden zumeist an Plätzen in der Nähe des Konverters bzw. nahe der Batterieanschlussklemmen gefunden. Im untersuchten Nahverkehrsbus wurden am höchst exponierten Fahrgastplatz Magnetfelder in Höhe von 19 % bezogen auf die Referenzwerte festgestellt. Am Platz des Busfahrers ergaben die Messungen maximale Werte im Bereich des Kopfes von ca. 2,6 % der ICNIRP-Referenzwerte für beruliche Exposition, entsprechend 13 % der niedrigeren EU-Referenzwerte für die allgemeine Bevölkerung. Weil die Referenzwerte in allen Fällen unterschritten wurden, kann auch von der Einhaltung der maßgeblichen Basiswerte ausgegangen werden. Auf dem Fahrer- und Beifahrerplatz traten räumliche Maxima zumeist im Fuß- oder Unterschenkelbereich auf, während die höchsten vor Nichtionisierender Strahlung (ICNIRP, www.icnirp.org) beruht. Die ICNIRP ist eine von der Weltgesundheitsorganisation (WHO, www. who.int) formal anerkannte Organisation, die sich mit den Wirkungen und dem Schutz vor nichtionisierender Strahlung einschließlich elektrischer und magnetischer Wechselfelder befasst. Bei der Bewertung sind Referenz- und Basiswerte zu unterscheiden. Die Basiswerte beziehen sich unmittelbar auf die im Körper induzierten Größen und sind messtechnisch entsprechend schwierig zu erfassen. Die Referenzwerte werden als außerhalb des Körpers und deshalb einfacher zu messende Größen angegeben, nämlich als elektrische Feldstärke- E und magnetische Flussdichte- B. Wenn die Referenzwerte eingehalten werden, kann davon ausgegangen werden, dass auch die Basiswerte eingehalten sind und dass die gesundheitlich relevanten Schwellenwerte für direkte Gesundheitswirkungen nicht überschritten werden. Werden die Referenzwerte hingegen überschritten, müssen weitere, aufwendigere Analysen z. B. mittels numerischer Simulationsrechnungen durchgeführt werden, um zu prüfen, ob die Basiswerte eingehalten werden. Aufgrund der biologischen und physikalischen Gegebenheiten hängen die Referenzwerte von der Frequenz ab (vgl. Abbildung-2). Treten gleichzeitig mehrere unterschiedliche Frequenzen auf, dürfen die einzelnen Spektralanteile jeweils nur einen Bruchteil des jeweiligen Referenzwerts erreichen, damit in Summe keine zu hohe Exposition der Passagiere resultieren kann. Langzeitwirkungen Bereits seit den 1970er Jahren wird untersucht, ob die Exposition gegenüber netzfrequenten (50 bis 60 Hz) niederfrequenten elektrischen und magnetischen Feldern langfristige Gesundheitsrisiken, insbesondere Krebsrisiken, birgt. Bei Erwachsenen konnte kein solcher Zusammenhang gefunden werden. Wissenschaftliche Unsicherheiten bestehen hinsichtlich eines möglichen Zusammenhangs zwischen Leukämieerkrankungen bei Kindern und niedrigen, aber langanhaltenden Magnetfeldexpositionen. Die zur WHO gehörende Internatio- Abb. 2: Frequenzabhängigkeit der Referenzwerte für die magnetische Flussdichte B im Frequenzbereich von 1 Hz bis 10 MHz Internationales Verkehrswesen (64) 6 | 2012 51 MOBILITÄT Wissenschaft 4 N. Leitgeb, R. Cech, J. Schröttner, P. Lehofer, U. Schmidpeter and M. Rampetsreiter: “Magnetic emission ranking of electrical appliances. A comprehensive market survey”, Radiat Prot Dosimetry (2008) 129 (4): 439-445. doi: 10.1093/ rpd/ ncm460 5 Hentschel K, Goltz S, Ruppe I, Eggert S, Neuschulz H, Angerer M. 1998. Schienengebundene Transportsysteme, Teil 2: Exposition durch statische und niederfrequente elektrische und magnetische Felder an Fernbahn, S-, U-Bahn und Straßenbahn, Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsmedizin, Forschung Fb 800, Dortmund/ Berlin 1998 Werte auf der Rückbank bedingt durch die Lage von Batterie und Verkabelung zumeist im Unterleibsbereich beobachtet wurden. Die installierte elektrische Leistung in den Fahrzeugen scheint zudem kein verlässlicher Anhaltspunkt für die zu erwartende Exposition der Fahrzeuginsassen zu sein. Ausschlaggebend sind vielmehr die Anordnung der Systemkomponenten sowie die Verkabelung dazwischen. Andere Quellen magnetischer Wechselfelder Die elektrischen Komponenten des Antriebssystems sind nicht die einzigen Quellen magnetischer Wechselfelder im Automobil: Klimaanlagen, Lüfter, Sitzheizungen sowie z. B. bei der Herstellung unbeabsichtigt magnetisierte Felgen und Stahlgürtelreifen können zur Exposition beitragen. Diese Quellen, die auch in Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb vorhanden sind, können ähnlich hohe Felder hervorrufen wie die Antriebskomponenten der untersuchten Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Lokal wurden auch höhere Werte beobachtet. Im Haushalt entstehen Expositionen, wenn Elektrogeräte genutzt werden. An der Oberläche einiger Geräte können die Referenzwerte deutlich überschritten 4 sein, mit zunehmendem Abstand nehmen die Feldstärken jedoch schnell ab. Im Unterschied zu Pkw sind Magnetfelder in den Fahrgastabteilen von Eisenbahnen wegen des größeren Abstands zu den Quellen in der Regel homogener verteilt. Vorliegende Messwerte 5 liegen in einer vergleichbaren Größenordnung wie die Spitzenwerte, die in Pkw mit Hybrid- und Elektroantrieb gefunden wurden. Fazit Bei den untersuchten Hybrid- und Elektrofahrzeugen liegen die von den elektrischen Antriebskomponenten im Fahrgastraum verursachten Magnetfeldimmissionen deutlich unterhalb der von der EU und der ICNIRP empfohlenen Referenzwerte. Von der Einhaltung der für den Gesundheitsschutz maßgeblichen Basiswerte kann ausgegangen werden. Die Spannbreite der Untersuchungsergebnisse deutet jedoch auch darauf hin, dass in vielen Fahrzeugen, unabhängig davon, ob konventionell oder mit alternativem Antriebssystem ausgestattet, Potenzial zur Verminderung von Magnetfeldimmissionen besteht. Bereits bei der Fahrzeugentwicklung sollten daher aus Vorsorgegründen geeignete konstruktive Maßnahmen zur Minimierung möglicher Expositionen genutzt werden. 1 Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung, August 2009, http: / / www.bmu.de/ iles/ pdfs/ allgemein/ application/ pdf/ nep_09_bmu_bf.pdf 2 Forschungsvorhaben 3608S04574 „Bestimmung der Exposition durch Magnetfelder alternativer Antriebskonzepte“, Oktober 2009, http: / / doris.bfs.de/ jspui/ handle/ urn: nbn: de: 0221-2009082182 3 EMPFEHLUNG DES RATES vom 12. Juli 1999 zur Begrenzung der Exposition der Bevölkerung gegenüber elektromagnetischen Feldern (0 Hz bis 300 GHz), http: / / eur-lex.europa.eu/ LexUriServ/ LexUriServ.do? uri=CELEX: 31999H0519: DE: HTML Abb. 3: Magnetfeldimmissionen in den untersuchten Pkw an verschiedenen Sitzplätzen, oben gemittelt über die verschiedenen untersuchten stationären Lastverhältnisse (konstante Geschwindigkeit und konstantes Drehmoment), unten während Beschleunigung und Verzögerung. Die Fehlerindikatoren zeigen für den Ort des räumlichen Maximums den Variationsbereich in Abhängigkeit der untersuchten Lastzustände (Geschwindigkeit und Lastmoment) an. Gernot Schmid, Dipl.-Ing. Projektleiter Elektromagnetische Verträglichkeit Seibersdorf Labor GmbH gernot.schmid@seibersdorf-laboratories.at Dirk Geschwentner, Dipl.-Ing. Wissenschaftlicher Referent Arbeitsgruppe SG1.2 Bundesamt für Strahlenschutz dgeschwentner@bfs.de