Emissionen

Schadstoffemissionen

Betriebsemissionen und Auswirkung auf die Umwelt

Die Verwendung eines Treibstoffs führt zwangsläufig auf eine Emission während des Betriebs. Ob es sich dabei um einen Schadstoff handelt, muss von Fall zu Fall bewertet werden, wie nachfolgend erläutert wird. Hierbei wird größtenteils auf die Betriebsemissionen eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass für eine ganzheitliche Bewertung auch die Nicht-Betriebsemissionen mitbetrachtet werden müssen, insbesondere Emissionen und weitere Umweltauswirkungen, die sich bei der Herstellung von Treibstoffen ergeben.

Zunächst werden kerosinbetriebene Flugzeuge betrachtet. Die chemische Reaktion bei der Verbrennung von Kerosin ist äußerst kompliziert, die entsprechende Massenbilanz lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

1 𝑘𝑔 (Kerosin)   +   14.7 𝑘𝑔 (Luft)  →   3.1 𝑘𝑔 (𝐶𝑂₂ )   +   1.1 𝑘𝑔 (𝐻₂𝑂 – Dampf)   +  Weitere

Da CO2 zur Klimaerwärmung beiträgt, kann dieses Gas als Schadstoff bezeichnet werden. Derzeit werden etwa 2,5% der globalen CO2-Emissionen durch die Luftfahrt verursacht (Quelle 1, Quelle 2).

Eine weitere Stoffemission, die neben CO2 in verhältnismäßig großen Mengen anfällt, stellt das Wasser dar. Bei den üblichen Triebwerks-Austrittstemperaturen von ca. 500°C ist dieses Wasser dampfförmig, kühlt jedoch schnell ab und bildet in Flughöhen ab ca. 10 km häufig sogenannte Kondensstreifen. Diese sind relativ langlebig, da die Wettervorgänge üblicherweise bei ca. 10 km Höhe aufhören, d.h. es kommt kaum zur Vermischung mit den tieferen Luftschichten. Die Kondensstreifen reflektieren sowohl die abgestrahlte Erdwärme als auch die Sonnenwärme, wobei die Erwärmung der Atmosphäre überwiegt. Demnach handelt es sich auch bei Wasser(dampf)emissionen um einen klimarelevanten Stoff, der sogar eine größere Auswirkung auf die Erwärmung hat als CO2. So wird der effektive Strahlungsantrieb (ERF – effective radiative forcing) von Lee et al. 2020 (Link 1, Link 2) für Kondensstreifen mit 57,4 mW/m² angegeben und somit deutlich größer als der Wert von 33,4 mW/m² für CO2. Die Auswirkung von Kondensstreifen kann durch tieferes Fliegen, also weniger als 9 km Flughöhe, erheblich reduziert werden, da die Bedingungen für die Bildung von Kondensstreifen in diesen Luftschichten nicht gegeben sind. Andererseits entsteht dabei ein größerer Widerstand aufgrund der größeren Dichte und der Flug wird viel häufiger von atmosphärischen Vorgängen (Turbulenz, Bewölkung, etc.) beeinflusst.

Den drittgrößten Einfluss auf das Klima üben NOx-Emissionen aus, mit einem ERF-Wert von 14,3 mW/m2. Die Luft besteht zu 78% aus Stickstoff, der normalerweise reaktionsträge ist, sich jedoch bei großen Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer mit dem Sauerstoff verbindet. Der Trend zu größeren Brennkammereintritts- und Flammtemperaturen führt einerseits zur Verringerung der CO2-Emissionen, gleichzeitig jedoch zur Erhöhung der NOx-Emissionen.

Neben diesen drei Hauptprodukten der Verbrennung entsteht eine Reihe weiterer Stoffe, jedoch in geringen Mengen: Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefelverbindungen, etc.

Die Zusammensetzung der Sustainable aviation fuels – SAF ist der von Erdölprodukten ähnlich, wodurch diese mit sehr geringem Umrüstungsaufwand in vorhandenen Triebwerken verwendet werden können. Neuere Triebwerksmodelle sind bereits für SAF-Beimischungen bis 50% zugelassen, die nächste Generation soll bereits mit 100% SAF-Betrieb zugelassen werden. Der Ansatz hinter SAF ist die CO2-Neutralität, d.h. das emittierte CO2 wird zuvor durch Pflanzen aus der Atmosphäre entnommen. Da jedoch CO2 in großer Höhe emittiert wird, wo es mehrere Jahrhunderte verbleiben kann, ist es zweifelhaft, ob dadurch eine komplette CO2-Neutralität erreicht werden kann. Darüber hinaus entstehen weiterhin NOx- und Wasserdampfemissionen. Neuere Untersuchungen zeigen, dass die Abgaszusammensetzung weniger Partikel, die als Kondensationskeime bei der Kristallisierung dienen, enthalten, so dass weniger Kondensstreifen gebildet werden. SAF werden aus Biomasse oder Ölabfällen gewonnen. Hierfür sind in manchen Fällen sehr große Energiemengen notwendig. Mit anderen Worten, die genaue Betrachtung der Nicht-Betriebsemissionen ist hier sehr wichtig. Es kommt auch zur Konkurrenz mit dem Anbau von Nahrungsmitteln, so dass neben der Nachhaltigkeit weitere Aspekte bedacht werden müssen.

Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff bietet die Möglichkeit zur kompletten Beseitigung der CO2-Emissionen. Andererseits wird bei der Wasserstoff-Reaktion mit dem Sauerstoff aus der Luft deutlich mehr Wasser(dampf) erzeugt. Bei gleicher Energiemenge wird nur 1/3 der Kerosinmasse benötigt, es entsteht aber etwa 3 Mal so viel Wasser. Ferner kann der Wasserstoff auf zwei Arten und Weisen verwendet werden:

• Einerseits kann Wasserstoff wie Kerosin in Gasturbinen verbrannt werden, wobei große Temperaturen entstehen und es auch zur NOx-Entstehung kommt. Die NOx-Entstehung kann man in diesem Fall nicht verhindern, aber wenigstens die Entstehung von Kondensstreifen durch tieferes Fliegen.
• Andererseits kann Wasserstoff in einer kalten Reaktion (ca. 80°C) in Brennstoffzellen mit dem Sauerstoff reagieren, so dass bei diesen tiefen Temperaturen die NOx-Entstehung komplett eliminiert wird. Darüber hinaus besteht berechtigter Grund zur Annahme, dass man das entstandene Wasser mit geringem Aufwand abscheiden kann.

Auch beim Wasserstoff entsteht ein enormer Energiebedarf in der Herstellung. Die Elektrolyse des Wassers ist hierbei der umweltfreundlichste Weg (=grüner Wasserstoff), benötigt aber aufgrund des Wirkungsgrades von ca. 75% zusätzliche Energiemengen. Der Großteil des heutigen Wasserstoffs wird mit einem deutlich kleineren Energieaufwand aus Erdgas gewonnen (=grauer Wasserstoff). Hierbei wird unter Wärmeeinwirkung der Wasserstoff aus CH-Verbindungen herausgelöst. Wenn das dabei entstandene Kohlendioxid abgeschieden oder anderweitig verwendet wird, bezeichnet man den Wasserstoff als blauen Wasserstoff.

Die geringsten bzw. gar keine Betriebsemissionen weisen elektrische Antriebe mit Batterien/Akkumulatoren auf. Hierbei ist jedoch auf die Herstellung der Batterien und die Herkunft des Stroms, mit dem die Batterien aufgeladen werden, zu achten.

Zulassungsregularien

Bisherige Regularien beziehen sich lediglich auf kerosinbetriebene Flugzeuge. Es werden zwei Betriebsmodi geregelt (Betrieb in Flughafennähe und Reiseflug), wobei nicht alle der oben genannten Stoffe als Schadstoffe betrachtet und reguliert werden.

LTO-Zyklus (Landing and Take Off) für lokale Luftqualität in Flughafennähe:

• Regelung von CO, HC, NO_x, Rauch (jedoch nicht von CO2 und Wasserdampf)
• Anforderungen definiert in ICAO Annex 16
• 4 Betriebspunkte: Taxi/idle: 26 Minuten; Takeoff: 42 Sekunden; Climb: 132 Sekunden; Approach: 4 Minuten
• Hierbei steigt das Flugzeug auf höchstens 3000 Fuß auf

Reiseflug:

• Wurde 2016 beschlossen
• Regelt CO2-Emissionen von neuen Flugzeugmodellen ab 2020
• Berechnung des „ICAO CO2 Metric Value“ aus dem Treibstoffverbrauch in drei Reiseflug-Abschnitten (Beginn, Mitte, Ende) und den Kabinendimensionen
• Erlaubte CO2-Emissionen abhängig von der Flugzeugmasse

Lärmemissionen (Schallemissionen)

Als Lärm wird negativ empfundener Schall bezeichnet. Deswegen ist es aus physikalischer Sicht korrekter, über den Schall zu sprechen, es hat sich aber in der Luftfahrt eingebürgert, beide Begriffe als Synonym zu verwenden.

Für die Zulassung neuer Flugzeugmodelle sehen die Regularien vor (ICAO Annex 16, FAR 36 und JAR 36), den Schall an drei Punkten zu messen:

• Start und Überflug (Flyover): 6500 m nach dem Startpunkt
• Seitenlinie (Sideline): 450 m seitlich der Startbahn
• Anflug (Approach): 2300 m vor dem Aufsetzpunkt

Die maximal zugelassenen Lärmpegel sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Naturgemäß haben Flugzeuge mit einem größeren maximalen Abfluggewicht MTOW (maximum takeoff weight) auch einen größeren erlaubten Lärmpegel L_EPN (effective perceived noise level). Genau genommen handelt es sich hierbei um den effektiv empfundenen Schallpegel in dB, dessen Messprozedur im ICAO Annex 16 beschrieben ist. In diesem Wert ist eine Tonkorrektur und die Dauer der Lärmeinwirkung mitberücksichtigt, um die Auswirkung auf das menschliche Empfinden möglichst genau zu erfassen. Auch wenn die Messung nach streng definierten Prozeduren abläuft, sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Lärmbelastung von verschiedenen Menschen unterschiedlich bewertet werden kann, da das Lärmempfinden subjektiv ist.

Auffällig ist der höhere erlaubte Lärmpegel für 3- und 4-motorige Flugzeuge gegenüber den 2-motorigen. Dieser Sachverhalt ergibt sich aus einer weiteren (Sicherheits-)Vorschrift, die eine Überdimensionierung der Triebwerksleistung für den Fall verlangt, dass ein Triebwerk ausfällt. Demnach müssen die Triebwerke bei einem 2-motorigen Flugzeug stärker überdimensionert sein als bei 3- oder 4-motorigen. Entsprechend beschleunigen die 2-motorigen Flugzeuge schneller, heben schneller ab und fliegen mit einem größeren Steigwinkel, so dass sie beim Überfliegen des Überflug-Messpunktes deutlich weiter vom Messpunkt entfernt sind und entsprechend leiser sein müssen.